Електропровідність електролітів. Закони Фарадея



ФІЗИКА

Частина 3 ЕЛЕКТРИКА І МАГНЕТИЗМ

Розділ 8 ЕЛЕКТРИКА

8.10. Електропровідність електролітів. Закони Фарадея

Електроліти – розчини солей, кислот, лугів у рідинах – є добрими провідниками електричного струму. Струм у електролітах супроводжується електролізом – виділенням на електродах, занурених у розчин, складових частин електроліту. На відміну від металів, яким властива електронна провідність, струм в електролітах зумовлений напрямленим рухом іонів. Йони виникають унаслідок взаємодії молекул розчиненої речовини

з молекулами розчинника. Процес розщеплення молекул розчинної речовини на іони називають електролітичною дисоціацією. Позитивні іони, що рухаються до катода, називають катіонами, а негативні іони, що рухаються до анода, – аніонами (рис. 8.6).

Електропровідність електролітів. Закони Фарадея

Рис. 8.6

Якщо в електроліт занурити два електроди і створити між ними різницю потенціалів, то виникне впорядкований рух іонів або сольватів (сольват складається з іона та сольватної оболонки, що містить кілька шарів молекул розчинника).

Нехай в одиниці об’єму міститься n+ позитивних і n – негативних носіїв електричного заряду. Абсолютне

значення зарядів носіїв дорівнює відповідно q+ і q-. Якщо під дією поля носії набувають швидкостей υ+ та υ-, то за одиницю часу через одиничну площину пройде n+υ+ позитивних носіїв, які перенесуть заряд q+n+υ+. Аналогічно негативні носії переноситимуть заряд q-n-υ-. Отже, густина струму визначатиметься за такою формулою:

Електропровідність електролітів. Закони Фарадея

Із закону збереження електричного заряду (умова електронейтральності розчину електроліту) випливає рівність сумарних позитивних та негативних зарядів:

Електропровідність електролітів. Закони Фарадея

Де n – кількість дисоційованих молекул для одно-одновалентних солей; n0 – концентрація молекул розчиненої речовини; α – коефіцієнт дисоціації, що дорівнює відношенню концентрації іонів одного знака до концентрації молекул розчиненої речовини. Тоді густина струму

Електропровідність електролітів. Закони Фарадея

Швидкість упорядкованого руху іонів (сольватів) можна знайти з таких міркувань. На окремий іон діє сила з боку електричного поля Електропровідність електролітів. Закони Фарадея та сила тертя Стокса Електропровідність електролітів. Закони Фарадея (r – радіус іона; и – швидкість руху іона; Електропровідність електролітів. Закони Фарадея – коефіцієнт в’язкості рідини).

Іон рухатиметься рівномірно, якщо сила Електропровідність електролітів. Закони Фарадеяη дорівнює силі Електропровідність електролітів. Закони Фарадея Звідси дістанемо вираз для швидкості іона

Електропровідність електролітів. Закони Фарадея

А для його рухливості

Електропровідність електролітів. Закони Фарадея

Із формул (8.57) та (8.59) випливає, що для електролітів закон Ома має такий вигляд:

Електропровідність електролітів. Закони Фарадея

Де σ – електропровідність електроліту, що дорівнює

Електропровідність електролітів. Закони Фарадея

Електропровідність електролітів значно менша, ніж електропровідність металів. З підвищенням температури електропровідність електролітів швидко зростає, що зумовлено збільшенням ступеня дисоціації розчину та зменшенням в’язкості електроліту.

Основні закони електролізу експериментально встановив М. Фарадей 1834 р.

Перший закон Фарадея: маса речовини, яка виділяється на електроді, прямо пропорційна кількості електрики q, що пройшла через електроліт:

Електропровідність електролітів. Закони Фарадея

Де І – сила струму; t – час проходження струму. Коефіцієнт пропорційності k, який чисельно дорівнює масі речовини, що виділяється на електроді при проходженні через електроліт одиниці кількості електрики, називається електрохімічним еквівалентом речовини.

Другий закон Фарадея: електрохімічні еквіваленти елементів прямо пропорційні їхнім хімічним еквівалентам. Хімічним еквівалентом елемента називають відношення його атомної маси А до валентності Z. Тому

Електропровідність електролітів. Закони Фарадея

Згідно з другим законом Фарадея коефіцієнт с є універсальною сталою для всіх елементів. Звичайно замість сталої с користуються оберненою до неї величиною F = Електропровідність електролітів. Закони Фарадея, яку називають числом Фарадея.

Отже,

Електропровідність електролітів. Закони Фарадея

Підставимо цей вираз у (8.62) і дістанемо формулу, що об’єднує обидва закони Фарадея:

Електропровідність електролітів. Закони Фарадея

Звідси неважко з’ясувати фізичний зміст сталої Фарадея. Справді, якщо при електролізі виділяється m / А = 1 / Z молів речовини, то заряд д, що пройшов через електроліт, чисельно дорівнює F. Дослід показує, що F = 96485,309 Кл/моль.

Проходження струму через електроліти нерозривно пов’язане з переміщенням речовини. Звідси випливає, що в електролітах, на відміну від металевих провідників (провідників першого роду), носіями струму є не вільні електрони, а іони – заряджені частинки речовини. Йони – це атоми або групи атомів, які мають надлишок або недостачу електронів порівняно з нейтральними атомами й молекулами.

Із законів Фарадея випливає, що будь-який електричний заряд складається з цілого числа елементарних зарядів – “атомів електрики”. На це вперше звернув увагу Г. Гельмгольц 1881 р. у промові, присвяченій пам’яті Фарадея, де він підкреслив, що, приймаючи існування атомів хімічних елементів, не можна уникнути подальшого висновку про атомність електрики. Справді, для виділення на електроді одного моля одновалентної речовини потрібно, щоб через електроліт пройшла кількість електрики, яка дорівнює числу Фарадея F. Якщо речовина має валентність Z, то для виділення на електроді одного моля потрібна кількість електрики, що дорівнює ZF. Оскільки при цьому переноситься те саме число NА частинок (іонів) речовини (число Авогадро), то на окрему частинку Z-валентної речовини припадає заряд

Електропровідність електролітів. Закони Фарадея

А у випадку одновалентної речовини

Електропровідність електролітів. Закони Фарадея

Звідси можна зробити два висновки: 1) заряди Z-валентних іонів різні, але середнє значення їх дорівнює Електропровідність електролітів. Закони Фарадея (подібно до того, як молекули газу мають різну кінетичну енергію поступального руху, а середнє значення її дорівнює Електропровідність електролітів. Закони Фарадея; 2) кожний iон має певний заряд Електропровідність електролітів. Закони Фарадея Причому заряди іонів можуть відрізнятися лише на значення, кратні елементарному заряду, що дорівнює заряду одновалентного iона Електропровідність електролітів. Закони Фарадея Другий висновок еквівалентний припущенню про атомну (“зернисту”) будову всіх електричних зарядів. Досліди підтвердили справедливість такого висновку.


1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (No Ratings Yet)
Loading...


Одноклітинні гриби.
Ви зараз читаєте: Електропровідність електролітів. Закони Фарадея