Химия и электрический ток

Содержание:

Химический источник тока (аббр. ХИТ) — источник ЭДС, в котором энергия протекающих в нём химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию. Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году.

На странице -> решение задач по химии собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам химии.

Химия и электрический ток

Химические источники тока — это устройства и приборы которые в процессе химической окислительно-восстановительной реакции выделяют напряжение. Также они называются электрохимическими, гальваническими элементами. Основной принцип действия их основан на взаимодействии химических реагентов которые вступая, в реакцию друг с другом вырабатывают электроэнергию, в виде постоянного тока. Этот процесс происходит без механического или теплового воздействия, что является основными факторами играющими превосходящую роль среди других генераторов постоянного напряжения. Химические источники тока, сокращённо ХИТ, уже давно нашли применение не только в быту, но и на производстве.

Ряд напряжений (активности) металлов

Если расположить металлы по их способности вытеснять из растворов солей другие металлы, то можно составить ряд относительной тельной активности металлов:

Этот ряд характеризует восстановительную способность металлов только при следующих условиях; металл опускается в раствор соли другого металла. Например,

Иными словами, процесс перехода электронов возможен при наличии соответствующего восстановителя и окислителя. Окислительная способность ионов может быть отражена рядом, аналогичным! ряду напряжений

Это два взаимосвязанных ряда. При составлении ряда окислителей учтен также и другой фактор, который мы принимали во внимание, изучая окислительно-восстановительные процессы, — роль концентрации. Растворы электролитов должны быть равной концентрации (например, однонормальные растворы). Приведем пример, поясняющий сказанное. В воде концентрация ионов водорода незначительна , тогда как в однонормальном растворе кислоты (при а= 100%) она равна 1 г-ион/л. Водород из воды вытесняют только самые активные металлы (по алюминий включительно), а из кислоты — почти все металлы, кроме Си, Ag, Au, Pt и Hg.

Если бы мы стали изучать способность различных металлов вытеснять другие из расплавов солей, то мы получили бы другой ряд активности металлов и т. д.

Еще раз подчеркнем, что ряд напряжений металлов характеризует относительную активность металлов. Тем не менее, рассматриваемый нами ряд выделяется из всех других благодаря широкой практической применимости. Многие процессы идут именно при таких условиях: металл погружен в раствор электролита.

В частности, непосредственное отношение к рассматриваемому имеет вопрос о гальванических элементах (химических источниках тока). Разве в цинково-медном гальваническом элементе химическое изменение происходит не в результате процесса, аналогичного описанному выше?

Правда, для получения электрического тока пришлось отделить окислитель от восстановителя. Прямой контакт для этих целей не годился. Так, цинково-медный гальванический элемент состоит из двух электродов: цинковой пластины, погруженной в раствор ZnSO₄, и медной пластины, погруженной в раствор CuSO₄.

Если соединить металлические пластины и растворы солей (электролитическим ключом), начнется движение электронов от цинковой пластины на медную: окислитель и восстановитель начали «работать».

Надо заметить, что измерение электродвижущих сил гальванических элеменгов позволило оценить с количественной стороны ряд напряжений или активности металлов. Если измерить э. д. с. различных гальванических элементов, приняв один из электродов за стандартный (им выбран водородный электрод), то можно вычислить относительные величины потенциалов других электродов.

Таким образом, при работе гальванических элементов осуществляется переход химической энергии в электрическую. С другой стороны, при действии электрического тока на химические соединения, например, при электролизе, осуществляется химическое превращение.

Электролиз

Процесс окисления — восстановления протекает особенно легко при взаимодействии наиболее энергичных окислителей и восстановителей:

Не случайно в природных соединениях натрий и хлор находятся и состоянии ионов . Алюминий образует устойчивое соединение АI₂О₃. Между тем, промышленность нуждается в свободном хлоре, в металлических натрии и алюминии, т. е. в простых веществах. Вытеснить их из указанных соединений затруднительно, так как не являются хорошими окислителями. Мы не можем для них подобрать соответствующих партнеров—восстановителей, которые отдали бы свои электроны ионам натрия и алюминия. Единственным надежным путем оказывается путь «принудительного» присоединения электронов, что достигается с помощью электролиза.

Электролизом называются окислительно-восстановительные процессы, протекающие в растворах или расплавах электролитов под действием электрического тока. Принято различать электролиз расплавов и растворов электролитов. В последнем случае приходится, учитывать, что помимо ионов, на которые диссоциирует электролит, в растворе содержится еще незначительное количество ионов , получающихся при диссоциации воды. Под действием постоянного электрического тока начинается направленное движение ионов к соответствующим электродам. Ионы разряжаются на электродах в последовательности, определяемой теми же двумя факторами: 1) силой окислителя и восстановителя, 2) их концентрацией.

Сила окислителей (катионы металлов) может быть оценена с помощью составленного ранее ряда (2), однако с поправкой на то, что в данном случае (водные растворы) концентрация иона водорода незначительная.

Все же при электролизе раствора хлористого натрия на катоде разряжается не ион натрия, а ион водорода. Хотя концентрация последнего мала, но как окислитель он значительно превосходит ион натрия. Но если мы возьмем раствор SnCl₂, то при электролизе на катоде выделяется не водород, а олово, так как концентрация в растворе соли значительно выше, чем концентрация иона водорода, тогда как различия по способности принимать электроны невелики.

Если, рассматривая ряд активности металлов, мы отмечали, что, щелочные, щелочноземельные металлы и алюминий способны вытеснять водород даже из воды, то теперь мы можем сделать такой вывод: при электролизе растворов солей указанных металлов на катоде выделяется водород. При электролизе водных растворов солей остальных металлов на катоде выделяется металл.

В какой же последовательности происходит отдача электронов, анионами на аноде при электролизе водных растворов? Оказалось, что самыми энергичными восстановителями являются ионы галогеноводородных кислот: Им уступают по силе кислородсодержащие анионы. Схематически этот ряд можно выразить так:

Для понимания процессов, происходящих на аноде при электролизе водных растворов различных солей, существенно то, что гидроксильная группа занимает в этом ряду положение между ионами бескислородных кислот и ионами кислородных кислот. Следовательно, при электролизе раствора хлорида натрия на аноде разряжаются ионы хлора

и при электролизе раствора сульфата натрия — ионы гидроксила анод:

Количество вещества, выделившегося при электролизе, можно Подсчитать, пользуясь законом Фарадея:

где А — атомный вес в у. е.; n — число электронов, соответственно отданных или присоединенных; Q—количество электричества в кулонах, F — 96 493 к — постоянная Фарадея). Вычисление можно провести также, исходя из уравнения реакции, однако нельзя забывать, что коэффициенты в уравнениях катодного и анодного процесса определяются с учетом равного числа отданных и присоединенных электронов.

Пример. Одинаковые ли количества железа и хлора выделяются на уголь-I них электродах при электролизе растворов находящихся в последовательно соединенных ячейках?

Решение. Хлора выделится одинаковое количество, а железа — разное, так как при пропускании одного и того же количества электричества (равное количество электронов!) масса выделившегося вещества будет находиться в зависимости от изменения степени окисления:

Как видно, в первой ячейке железа выделится в 1,5 раза больше, чем во второй.

Коррозия металлов

Коррозией называется процесс разрушения материалов под действием окружающей среды. Такому разрушению в той или иной степени подвержены многие материалы. Мы ограничимся рассмотрением коррозии металлов.

Трудно оценить тот ущерб, который наносит народному хозяйству этот разрушительный процесс. Примерно 10% ежегодно добываемого в мире металла расходуется на возмещение потерь из-за коррозии.

Причина коррозии заключается в том, что металлы, являясь типичными восстановителями, способны самопроизвольно переходить и ионное состояние. Этот переход сопровождается образованием соединений на поверхности металла, что нередко приводит к механическому разрушению изделия, выполненного из этого металла. Этот процесс совершается под действием окислителей, находящихся во внешней среде.

Различают два вида коррозии: химическая и электрохимическая коррозия. Химические и электрохимические реакции, протекающие на границе металл—среда, и приводят к разрушению поверхности металла.

Химическая коррозия — это непосредственное взаимодействие металла с токонепроводящей внешней средой. Например, окисление металла кислородом воздуха при высокой температуре (газовая коррозия) или разрушение, происходящее при низких температурах в органических растворителях, нефти, и т. п. Наиболее распространенной является газовая коррозия, при которой поверхность металла покрывается различными по составу, толщине и свойствам пленками. Некоторые окисные пленки защищают в той или иной степени металлы от дальнейшего разрушения другие — напротив, способствуют развитию процесса коррозии (окислы железа, щелочных и щелочноземельных металлов).

Широко распространена электрохимическая коррозия — процесс разрушения металла в растворе электролита. Взаимодействие металла с растворами, способными проводить электрический ток, происходит не только при непосредственном погружении металлического изделия в раствор электролита, но даже при хранении в атмосферных условиях, так как на его поверхности образуется (адсорбируется) тонкая пленка влаги. В этом тонком слое воды растворяются газы, содержащиеся в атмосфере, и, таким образом, создаются условия взаимодействия металла с раствором электролита. В этом случае коррозия принципиально отличается — как по характеру протекания, так и по продуктам реакции — от химической коррозии, Механизм электрохимической коррозии по существу напоминает механизм работы гальванического элемента, ибо практически любой металл содержит те или иные примеси. Вследствие этого коррозионное разрушение металлов в растворах электролитов чаще всего протекает в результате работы огромного количества короткозамкнутых микроскопических гальванических элементов. Разрушение металла вызывается не только наличием включений и примесей, создающих электрохимическую неоднородность поверхности, но также неодинаковым строением материала, неоднородностью поверхности и т. д.

Механизм химической и электрохимической коррозии металлов показан на рис. 9. Роль образования гальванических пар в процессе взаимодействия с электролитом может быть выяснена на таком примере. Известно, что ни медь, ни серебро не вытесняют водород из кислот, но если в раствор соляной кислоты опустить соединенные вместе пластины из меди и серебра (короткозамкнутый гальванический элемент), то происходит выделение водорода. Медь растворяется

а на серебряной пластинке идет восстановление водорода:

Таким образом, «чистота» металла, его восстановительные свойства, характер и концентрация окислителя во внешней среде — вот основные факторы, определяющие процесс коррозии и образование продуктов коррозии.

В некоторых случаях на коррозию металлов оказывают влияние и другие факторы, являющиеся специфическими для данной географической среды. При рассмотрении коррозии в морской воде приходится учитывать не только ее солевой баланс, но также флору и фауну морей. Так, некоторые морские организмы прикрепляются К днищу корабля, увеличивая его коррозию, и т. д.

Какие же существуют методы борьбы с коррозией?

Прежде всего обратим внимание на тот факт, что многие металлы, являющиеся хорошими проводниками электрического тока (серебро,

медь, золото, хром, алюминий, марганец, вольфрам), вместе с тем обладают и достаточной коррозионной устойчивостью. Последняя определяется их кристаллической структурой, либо возникающими на поверхности металла прочными окисными пленками, препятствующими коррозии. При борьбе с коррозией получили применение как металлические, так и окисные пленки.

К числу неметаллических покрытий, помимо окисных (оксидирование), относятся фосфатные и некоторые другие. Поверхность металла может быть также защищена от контакта с внешней средой лаками, красками, смолами, эмалями и т. п.

Все указанные методы борьбы с коррозией предусматривают защиту металлического изделия, но не устраняют окислительного действия внешней среды. Имеются также методы, предусматривающие воздействие на агрессивную внешнюю среду, например, введение ингибиторов (в том числе атмосферных), т. е. веществ, способных замедлять течение реакций, проходящих при коррозии.

Взаимодействие металлов с кислотами

Разрушение металлов осуществляется при действии растворов кислот, в частности таких, как концентрированная азотная и серная. Продукты реакции зависят от активности металла и концентрации кислоты. Если взаимодействие цинка с разбавленной серной кислотой сопровождается выделением водорода

то при действии концентрированной серной кислоты на цинк реакция протекает по-иному:

т. е. в этом случае окислителем являются уже не ионы водорода, а молекулы серной кислоты. Кроме того, нередко наблюдаются различия и в зарядах катионов (и формулах солей) металлов, имеющих переменные окислительные числа. Так, при действии соляной или разбавленной серной кислоты на железо происходит образование соли двухвалентного железа:

Ясно, что в атмосфере выделяющегося водорода (особенно сильный восстановитель в момент выделения) не может образоваться соединения трехвалентного железа. Если на холоде действовать на железо концентрированной на поверхности железа образуется окисная пленка, не растворимая в кислотах-окислителях.

При взаимодействии металлов с азотной кислотой никогда не выделяется водород: и в концентрированной, и в разбавленной азотной кислоте окислителем выступает азот с окислительным числом +5.

Можно установить связь между составом продуктов взаимодействия металлов с кислотой и положением металлов в ряду активности (напряжений), что отражено в табл. 2. В качестве примера приведены реакции взаимодействия кислот с цинком (один из активных металлов) и медью.

Приведенные в таблице реакции взаимодействия меди с концентрированной и разбавленной и концентрированной Имеются в школьном учебнике. Их используют для лабораторного получения Обратите внимание на то обстоятельство, что при взаимодействии металла с концентрированной кислотой, помимо продуктов окисления и восстановления, образуется также Вола. Если ее не удалять (нагревание выше 100°), то кислота становится более разбавленной и тогда при взаимодействии меди, например с концентрированной получается смесь двух газов:

Табл. 2 указывает основные направления процессов; изменившиеся условия меняют их характер.

Услуги по химии:

Лекции по химии:

Лекции по неорганической химии:

Лекции по органической химии:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Источник

Что проводит электрический ток химия

Химия

1.4.5. Электролитическая диссоциация электролитов в водных растворах. Сильные и слабые электролиты

Сильные и слабые электролиты

Сильные электролиты

К сильным электролитам относятся почти все растворимые соли, в том числе и органических кислот; основания щелочных (LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH) и щелочно-земельных (Ca(OH)₂, Sr(OH)₂, Ba(OH)₂) металлов и некоторые кислоты, имеющие достаточно большие константы диссоциации.

Приведем наиболее используемые кислоты – сильные электролиты:

HCl, HBr, HI, HNO₃, H₂SO₄, HClO₃, HClO₄, HMnO₄, HCNS и некоторые другие, которые редко используются в данном курсе химии.

Сильные электролиты диссоциируют полностью (необратимо).

Слабые электролиты

К слабым электролитам относятся все основания и кислоты, не включенные в вышеприведенный список, а также органические кислоты (СН₃СООН, НСООН, и др.); некоторые растворимые соли (HgCl₂, Fe(SCN)₃, Hg(CN)₂.

Неэлектролитами являются органические соединения за исключением органических кислот, которые являются слабыми электролитами.

Пример. Электрический ток проводит

1)спиртовой раствор иода; 2) расплав парафина;

3)расплав ацетата натрия; 4) водный раствор глюкозы

Ацетат натрия является солью, поэтому в растворе или в расплаве она диссоциирует на катион и анион и проводит электрический ток.

Источник

Электропроводность веществ

В этой статье раскроем тему электропроводности, вспомним о том, что такое электрический ток, как он связан с сопротивлением проводника и соответственно с его электропроводностью. Отметим основные формулы для вычисления данных величин, коснемся темы скорости тока и ее связи с напряженностью электрического поля. Также затронем связь электрического сопротивления и температуры.

Для начала вспомним о том, что же такое электрический ток. Если поместить вещество во внешнее электрическое поле, то под действием сил со стороны этого поля, в веществе начнется движение элементарных носителей заряда — ионов или электронов. Это и будет электрическим током. Сила тока I измеряется в амперах, и один ампер — это ток, при котором через поперечное сечение проводника протекает за секунду заряд, равный одному кулону.

Ток бывает постоянным, переменным, пульсирующим. Постоянный ток не меняет своей величины и направления в каждый конкретный момент времени, переменный ток с течением времени меняет свои величину и направление (генераторы переменного тока и трансформаторы дают именно переменный ток), пульсирующий ток меняет свою величину, но не меняет направления (например выпрямленный переменный ток является пульсирующим).

Вещества имеют свойство проводить электрический ток под действием электрического поля, и это свойство называется электропроводностью, которая у разных веществ различна. Электропроводность веществ зависит от концентрации в них свободных заряженных частиц, то есть ионов и электронов, не связанных ни с кристаллической структурой, ни с молекулами, ни с атомами данного вещества. Так, в зависимости от концентрации в веществе свободных носителей заряда, вещества по степени электропроводности подразделяются на: проводники, диэлектрики и полупроводники.

Наиболее высокой электропроводностью обладают проводники электрического тока, и по физической природе, проводники в природе представлены двумя родами: металлами и электролитами. В металлах ток обусловлен перемещением свободных электронов, то есть проводимость у них электронная, а в электролитах (в растворах кислот, солей, щелочей) — перемещением ионов — частей молекул, имеющих положительный и отрицательный заряд, то есть проводимость у электролитов ионная. Ионизированные пары и газы отличаются смешанной проводимостью, в них ток обусловлен движением и электронов и ионов.

Электронная теория отлично объясняет высокую электропроводность металлов. Связь валентных электронов с их ядрами в металлах слаба, потому эти электроны свободно перемещаются от атома к атому по объему проводника.

Получается, что свободные электроны в металлах заполняют пространство между атомами подобно газу, электронному газу, и находятся в хаотичном движении. Но при внесении металлического проводника в электрическое поле, свободные электроны станут двигаться упорядоченно, они переместятся по направлению к положительному полюсу, чем создадут ток. Таким образом, упорядоченное движение свободных электронов в металлическом проводнике называется электрическим током.

Известно, что скорость распространения электрического поля в пространстве примерно равна 300000000 м/с, то есть скорости света. Это та же скорость, с которой ток проходит по проводнику.

Что это значит? Это не значит, что каждый электрон в металле движется с такой огромной скоростью, электроны в проводнике напротив — имеют скорость от нескольких миллиметров в секунду до нескольких сантиметров в секунду, в зависимости от напряженности электрического поля, а вот скорость распространения электрического тока по проводнику как раз равна скорости света.

Все дело в том, что каждый свободный электрон оказывается в общем электронном потоке того самого «электронного газа», и во время прохождения тока, электрическое поле оказывает действие на весь этот поток, в итоге электроны непрерывно друг другу передают это действие поля — от соседа к соседу.

Но движутся электроны на своих местах очень медленно, несмотря на то, что скорость распространения электрической энергии по проводнику оказывается огромной. Так, когда на электростанции включают рубильник, ток мгновенно возникает во всей сети, а электроны при этом практически стоят на местах.

Однако, когда свободные электроны движутся по проводнику, они испытывают многочисленные столкновения на своем пути, они сталкиваются с атомами, ионами, молекулами, передавая им часть своей энергии. Энергия движущихся электронов, преодолевающих такое сопротивление, частично рассеивается в виде тепла, и проводник нагревается.

Эти столкновения служат сопротивлением движению электронов, потому свойство проводника препятствовать движению заряженных частиц и называют электрическим сопротивлением. При малом сопротивлении проводника проводник нагревается током слабо, при значительном — намного сильнее, и даже до бела, этот эффект применяется в нагревательных приборах и в лампах накаливания.

Единица изменения сопротивления — Ом. Сопротивление R = 1 Ом — это сопротивление такого проводника, при прохождении по которому постоянного тока в 1 ампер, разность потенциалов на концах проводника равна 1 вольту. Эталон сопротивления в 1 Ом — столб ртути высотой 1063 мм, сечением 1 кв.мм при температуре 0°С.

Поскольку проводникам характерно электрическое сопротивление, то можно сказать, что в какой-то степени проводник способен проводить электрический ток. В связи с этим введена величина, называемая проводимостью или электропроводностью. Электропроводность — это способность проводника проводить электрический ток, то есть величина, обратная электрическому сопротивлению.

Единица измерения электропроводности G (проводимости) — Сименс (См), и 1 См = 1/(1 Ом). G = 1/R.

Так как атомы различных веществ в разной степени препятствуют прохождению электрического тока, то и электрическое сопротивление у различных веществ разное. По этой причине введено понятие удельное электрическое сопротивление, величина которого «р» характеризует проводящие свойства того или иного вещества.

Сегодня проводящие материалы в электротехнике используют в основном в виде лент, шин, проволок, с определенной площадью поперечного сечения и определенной длины, но не в виде метровых кубов. И для более удобных расчетов электрического сопротивления и электропроводности проводников конкретных размеров были введены более приемлемые единицы измерения как для удельного электрического сопротивления, так и для удельной электропроводности. Ом*мм2/м — для удельного сопротивления, и См*м/мм2 — для удельной электропроводности.

Теперь можно говорить, что удельное электрическое сопротивление и удельная электропроводность характеризуют проводящие свойства проводника площадью поперечного сечения в 1 кв.мм, длиной в 1 метр при температуре 20°C, это более удобно.

Лучшей электропроводностью обладают такие металлы как: золото, медь, серебро, хром, алюминий. Сталь и железо проводят ток хуже. Чистые металлы всегда обладают лучшей электропроводностью, чем их сплавы, поэтому чистая медь в электротехнике предпочтительней. Если нужно специально высокое сопротивление, то используют вольфрам, нихром, константан.

Зная величину удельного электрического сопротивления или удельной электропроводности, можно легко вычислить сопротивление или электропроводность конкретного проводника, изготовленного из данного материала, приняв в расчет длину l и площадь поперечного сечения S этого проводника.

При понижении температуры — наоборот, колебания атомов кристаллической решетки становятся меньше, сопротивление уменьшается (возрастает электропроводность). У одних веществ зависимость сопротивления от температуры выражена слабее, у других — сильнее. Например такие сплавы как константан, фехраль и манганин слабо меняют удельное сопротивление в определенном интервале температур, поэтому из них делают термостабильные резисторы.

Зная температурный коэффициент сопротивления и приращение температуры, можно легко вычислить удельное сопротивление вещества при заданной температуре.

Источник