Voda jako univerzální rozpouštědlo.. Vodné roztoky.. Elektrolytická disociace.. Elektrolyt.. Slabé a silné elektrolyty.. Nosiče elektrického náboje v kapalině.. Kladné a záporné ionty.. Elektrolýza.. Taveniny.. Povaha elektrického proudu v tavenině ..
Jednou z podmínek pro výskyt elektrického proudu je přítomnost volných nábojů schopných pohybu pod vlivem elektrické pole. Mluvili jsme také o povaze elektrického proudu v kovech.
V této lekci se pokusíme přijít na to jaké částice nesou elektrický náboj v kapalinách a taveninách.
Voda jako univerzální rozpouštědlo
Jak víme, destilovaná voda neobsahuje nosiče náboje, a proto nevede elektrický proud, tedy je dielektrikem. Přítomnost jakýchkoliv nečistot však již činí vodu docela dobrým vodičem.
Voda má fenomenální schopnost rozpustit téměř vše chemické prvky. Při rozpuštění různých látek (kyselin, zásad, zásad, solí atd.) ve vodě se roztok stává vodičem v důsledku rozpadu molekul látky na ionty. Tento jev se nazývá elektrolytická disociace a samotným roztokem je elektrolyt schopný vést elektrický proud. Všechny vodní útvary na Zemi jsou ve větší či menší míře přírodními elektrolyty.
Světový oceán je řešením iontů téměř všech prvků periodické tabulky.
Žaludeční šťáva, krev, lymfa, všechny tekutiny v lidském těle jsou elektrolyty. Všechna zvířata a rostliny jsou také primárně složeny z elektrolytů.
Podle stupně disociace se rozlišují slabé a silné elektrolyty. Voda je slabý elektrolyt a většina anorganických kyselin jsou silné elektrolyty. Elektrolyty se také nazývají vodiče druhého druhu.
Nosiče elektrického náboje v kapalinách
Když jsou různé látky rozpuštěny ve vodě (nebo jiné kapalině), rozpadají se na ionty.
Například běžná kuchyňská sůl NaCl (chlorid sodný) se ve vodě dělí na kladné ionty sodíku (Na +) a záporné ionty chloru (Cl -). Pokud mají dva póly ve výsledném elektrolytu různé potenciály, pak se záporné ionty posunují směrem ke kladnému pólu, zatímco kladné ionty se pohybují směrem k zápornému pólu.
Elektrický proud v kapalině se tedy skládá z toků kladných a záporných iontů směřujících k sobě navzájem.
Zatímco absolutně čistá voda je izolant, voda obsahující i malé nečistoty (přirozené nebo přivedené zvenčí) ionizované hmoty je vodičem elektrického proudu.
Elektrolýza
Protože kladné a záporné ionty rozpuštěné látky se vlivem elektrického pole pohybují různými směry, látka se postupně rozdělí na dvě části.
Toto oddělení látky na její základní prvky se nazývá elektrolýza.
Elektrolyty se používají v elektrochemii, v chemických zdrojích proudu (voltaické články a baterie), ve výrobních procesech galvanického pokovování a dalších technologiích založených na pohybu elektrických nábojů v kapalinách pod vlivem elektrického pole.
taje
Disociace látky je možná bez účasti vody. Dost na roztavení krystalů chemické složení látek a získat taveninu. Taveniny hmoty, stejně jako vodné elektrolyty, jsou vodiči druhého druhu, a proto je lze nazývat elektrolyty. Elektřina v tavenině má stejnou povahu jako proud ve vodných elektrolytech - jedná se o protiproudy kladných a záporných iontů.
Pomocí tavenin vyrábí metalurgie hliník elektrolytickou metodou z oxidu hlinitého. Elektrický proud prochází oxidem hlinitým a během procesu elektrolýzy se na jedné z elektrod (katodě) hromadí čistý hliník. Jedná se o energeticky velmi náročný proces, který z hlediska spotřeby energie připomíná rozklad vody na vodík a kyslík pomocí elektrického proudu.
V dílně elektrolýzy hliníku
Vzniká usměrněným pohybem volných elektronů a že v tomto případě nedochází k žádným změnám v látce, ze které je vodič vyroben.
Takové vodiče, ve kterých není průchod elektrického proudu doprovázen chemickými změnami v jejich látce, se nazývají vodiče prvního druhu. Patří sem všechny kovy, uhlí a řada dalších látek.
V přírodě ale existují i vodiče elektrického proudu, ve kterých při průchodu proudu dochází k chemickým jevům. Tyto vodiče jsou tzv vodiče druhého druhu. Patří sem především různé roztoky kyselin, solí a zásad ve vodě.
Pokud nalijete vodu do skleněné nádoby a přidáte několik kapek kyseliny sírové (nebo nějaké jiné kyseliny nebo zásady) a poté vezmete dvě kovové desky a připojíte k nim vodiče, spustíte tyto desky do nádoby a připojíte zdroj proudu k druhé konce vodičů přes spínač a ampérmetr, pak se z roztoku uvolní plyn a bude to pokračovat nepřetržitě, dokud bude obvod uzavřen, protože okyselená voda je skutečně vodič. Kromě toho se desky začnou pokrývat bublinami plynu. Tyto bubliny se pak odlomí z desek a vyjdou ven.
Při průchodu elektrického proudu roztokem dochází k chemickým změnám, jejichž výsledkem je uvolňování plynu.
Vodiče druhého druhu se nazývají elektrolyty a jev, ke kterému dochází v elektrolytu, když jím prochází elektrický proud, je.
Kovové desky ponořené do elektrolytu se nazývají elektrody; jeden z nich, připojený ke kladnému pólu zdroje proudu, se nazývá anoda a druhý, připojený k zápornému pólu, se nazývá katoda.
Co určuje průchod elektrického proudu v kapalném vodiči? Ukazuje se, že v takových roztocích (elektrolytech) se molekuly kyseliny (zásady, soli) pod vlivem rozpouštědla (v tomto případě vody) rozpadají na dvě složky a Jedna částice molekuly má kladný elektrický náboj a druhá záporný elektrický náboj.
Částice molekuly, které mají elektrický náboj, se nazývají ionty. Když se kyselina, sůl nebo zásada rozpustí ve vodě, objeví se v roztoku velké množství kladných i záporných iontů.
Nyní by mělo být jasné, proč roztokem procházel elektrický proud, protože mezi elektrodami připojenými ke zdroji proudu se vytvořilo napětí, jinými slovy, jedna z nich byla nabitá kladně a druhá záporně. Pod vlivem tohoto rozdílu potenciálu se kladné ionty začaly mísit směrem k záporné elektrodě - katodě a záporné ionty - směrem k anodě.
Chaotický pohyb iontů se tak stal uspořádaným protipohybem záporných iontů v jednom směru a kladných iontů ve druhém. Tento proces přenosu náboje představuje tok elektrického proudu elektrolytem a probíhá tak dlouho, dokud existuje rozdíl potenciálů mezi elektrodami. S vymizením potenciálového rozdílu se zastaví proud elektrolytem, naruší se uspořádaný pohyb iontů a opět začíná chaotický pohyb.
Jako příklad uveďme jev elektrolýzy při průchodu elektrického proudu roztokem síranu měďnatého CuSO4 s měděnými elektrodami spuštěnými do něj.
Jev elektrolýzy při průchodu proudu roztokem síranu měďnatého: C - nádoba s elektrolytem, B - zdroj proudu, C - spínač
Zde také dojde k protipohybu iontů k elektrodám. Kladným iontem bude iont mědi (Cu) a záporným iontem bude iont zbytku kyseliny (SO4). Ionty mědi v kontaktu s katodou se vybijí (připojí chybějící elektrony), tj. změní se na neutrální molekuly čisté mědi, a budou se ukládat na katodu ve formě tenké (molekulární) vrstvy.
Záporné ionty, které dosáhly anody, jsou také vybity (vzdávají se přebytečné elektrony). Ale zároveň vstupují do chemická reakce s mědí anody, v důsledku čehož se ke kyselému zbytku SO4 přidá molekula mědi Cu a vznikne molekula síranu měďnatého CuS O4, která se vrací zpět do elektrolytu.
Od tohoto chemický proces probíhá dlouhou dobu, pak se na katodě usadí měď, která se uvolní z elektrolytu. V tomto případě elektrolyt místo molekul mědi, které šly na katodu, přijímá nové molekuly mědi v důsledku rozpuštění druhé elektrody - anody.
Ke stejnému procesu dochází, pokud se místo měděných elektrod odeberou zinkové elektrody a elektrolytem je roztok síranu zinečnatého ZnSO4. Zinek bude také převeden z anody na katodu.
Tím pádem, rozdíl mezi elektrickým proudem v kovech a tekutých vodičích spočívá v tom, že u kovů jsou nosiči náboje pouze volné elektrony, tedy záporné náboje, kdežto u elektrolytů je nesou opačně nabité částice látky - ionty pohybující se v opačných směrech. Proto to říkají Elektrolyty vykazují iontovou vodivost.
Jev elektrolýzy byl objeven v roce 1837 B. S. Jacobim, který provedl četné experimenty na výzkum a vylepšení zdrojů chemického proudu. Jacobi zjistil, že jedna z elektrod umístěných v roztoku síranu měďnatého se pokryla mědí, když jí prošel elektrický proud.
Tento jev se nazývá galvanické pokovování, nyní nachází extrémně široké praktické uplatnění. Jedním z příkladů je potahování kovových předmětů tenkou vrstvou jiných kovů, tj. niklování, zlacení, stříbření atd.
Plyny (včetně vzduchu) v normální podmínky nevedou elektrický proud. Například nazí, kteří jsou zavěšeni paralelně k sobě, se ocitnou izolováni od sebe vrstvou vzduchu.
Pod vlivem vysoké teploty, velkých potenciálových rozdílů a dalších důvodů se však plyny, stejně jako kapalné vodiče, ionizují, tj. ve velkém množství se v nich objevují částice molekul plynu, které jako nosiče elektřiny usnadňují průchod el. proud plynem.
Ale zároveň se ionizace plynu liší od ionizace kapalného vodiče. Pokud se v kapalině molekula rozpadne na dvě nabité části, tak v plynech se vlivem ionizace vždy z každé molekuly oddělí elektrony a zůstane iont ve formě kladně nabité části molekuly.
Jakmile se ionizace plynu zastaví, přestane být vodivý, zatímco kapalina vždy zůstane vodičem elektrického proudu. V důsledku toho je vodivost plynu dočasným jevem, závislým na působení vnějších příčin.
Existuje však další tzv obloukový výboj nebo jednoduše elektrický oblouk. Fenomén elektrického oblouku objevil na počátku 19. století první ruský elektrotechnik V.V.Petrov.
V.V. Petrov četnými experimenty zjistil, že mezi dvěma uhlíky připojenými ke zdroji proudu dochází vzduchem k nepřetržitému elektrickému výboji doprovázenému jasným světlem. V.V. Petrov ve svých spisech napsal, že v tomto případě „může být temný mír osvětlen docela jasně“. Tak bylo poprvé získáno elektrické světlo, které prakticky aplikoval další ruský elektroinženýr Pavel Nikolajevič Jabločkov.
Svíčka Yablochkov Candle, jejíž provoz je založen na použití elektrického oblouku, udělala v té době skutečnou revoluci v elektrotechnice.
Obloukový výboj se jako zdroj světla používá dodnes, například v reflektorech a promítacích zařízeních. Vysoká teplota obloukového výboje umožňuje jeho použití pro. V současné době se obloukové pece napájené velmi vysokým proudem používají v řadě průmyslových odvětví: pro tavení oceli, litiny, feroslitin, bronzu atd. A v roce 1882 N. N. Benardos poprvé použil obloukový výboj pro řezání a svařování kovu.
V plynových trubicích, zářivkách, stabilizátorech napětí, tkzv doutnavý výboj plynu.
Jiskrový výboj slouží k měření velkých rozdílů potenciálů pomocí kulové mezery, jejíž elektrody jsou dvě kovové kuličky s leštěným povrchem. Kuličky se pohybují od sebe a aplikuje se na ně změřený rozdíl potenciálů. Poté se kuličky přiblíží k sobě, až mezi nimi přeskočí jiskra. Znáte-li průměr kuliček, vzdálenost mezi nimi, tlak, teplotu a vlhkost vzduchu, najděte potenciální rozdíl mezi kuličkami pomocí speciálních tabulek. Touto metodou lze měřit potenciální rozdíly v řádu desítek tisíc voltů s přesností několika procent.
Kapaliny, stejně jako jakékoli jiné látky, mohou být vodiče, polovodiče a dielektrika. Například destilovaná voda bude dielektrikem a roztoky a taveniny elektrolytů budou vodiči. Polovodiče budou například roztavený selen nebo sulfidové taveniny.
Iontová vodivost
Elektrolytická disociace je proces rozkladu molekul elektrolytu na ionty pod vlivem elektrického pole polárních molekul vody. Stupeň disociace je podíl molekul, které se v rozpuštěné látce rozpadly na ionty.
Stupeň disociace bude záviset na různých faktorech: teplotě, koncentraci roztoku, vlastnostech rozpouštědla. S rostoucí teplotou se bude zvyšovat i stupeň disociace.
Poté, co jsou molekuly rozděleny na ionty, pohybují se náhodně. V tomto případě se mohou dva ionty různých znaků rekombinovat, to znamená, že se mohou opět spojit do neutrálních molekul. Při absenci vnějších změn v řešení by měla být nastolena dynamická rovnováha. S ním se počet molekul, které se rozpadnou na ionty za jednotku času, bude rovnat počtu molekul, které se znovu spojí.
Nosiče náboje ve vodných roztocích a taveninách elektrolytů budou ionty. Pokud je k okruhu připojena nádoba s roztokem nebo taveninou, začnou se kladně nabité ionty pohybovat směrem ke katodě a záporné - směrem k anodě. V důsledku tohoto pohybu vznikne elektrický proud. Tenhle typ vodivost se nazývá iontová vodivost.
Kromě iontové vodivosti v kapalinách může mít také elektronovou vodivost. Tento typ vodivosti je charakteristický například pro tekuté kovy. Jak bylo uvedeno výše, s iontovým vedením je průchod proudu spojen s přenosem hmoty.
Elektrolýza
Na elektrodách se budou usazovat látky, které jsou součástí elektrolytů. Tento proces se nazývá elektrolýza. Elektrolýza je proces uvolňování látky na elektrodě spojený s redoxními reakcemi.
Elektrolýza našla široké uplatnění ve fyzice a technice. Pomocí elektrolýzy je povrch jednoho kovu potažen tenkou vrstvou jiného kovu. Například chromování a niklování.
Pomocí elektrolýzy můžete vytvořit kopii z reliéfního povrchu. K tomu je nutné, aby se vrstva kovu, která se usadí na povrchu elektrody, dala snadno odstranit. K dosažení tohoto cíle se někdy na povrch nanáší grafit.
Proces získání takových snadno odlupovatelných povlaků se nazývá galvanické pokovování. Tuto metodu vyvinul ruský vědec Boris Jacobi při výrobě dutých figurek pro katedrálu svatého Izáka v Petrohradě.
Kapaliny se podle stupně elektrické vodivosti dělí na:
dielektrika (destilovaná voda),
vodiče (elektrolyty),
polovodiče (roztavený selen).
Elektrolyt
Je to vodivá kapalina (roztoky kyselin, zásad, solí a roztavených solí).
Elektrolytická disociace
(odpojení)
Při rozpouštění dochází v důsledku tepelného pohybu ke srážkám mezi molekulami rozpouštědla a molekulami neutrálního elektrolytu.
Molekuly se rozkládají na kladné a záporné ionty.
Jev elektrolýzy
- doprovází průchod elektrického proudu kapalinou;
- jde o uvolňování látek obsažených v elektrolytech na elektrodách;
Kladně nabité anionty mají pod vlivem elektrického pole sklon k záporné katodě a záporně nabité kationty ke kladné anodě.
Na anodě se záporné ionty vzdávají elektronů navíc ( oxidační reakce)
Na katodě přijímají kladné ionty chybějící elektrony (redukční reakce).
Zákon elektrolýzy
1833 - Faraday
Zákon elektrolýzy určuje hmotnost látky uvolněné na elektrodě při elektrolýze při průchodu elektrického proudu. 
k je elektrochemický ekvivalent látky, číselně se rovná hmotnosti látky uvolněné na elektrodě při průchodu náboje 1 C elektrolytem.
Znáte-li hmotnost uvolněné látky, můžete určit náboj elektronu.
Například rozpouštění síranu měďnatého ve vodě.
Elektrická vodivost elektrolytů, schopnost elektrolytů vést elektrický proud při použití elektrického napětí. Nosiče proudu jsou kladně a záporně nabité ionty - kationty a anionty, které existují v roztoku díky elektrolytické disociaci. Iontová elektrická vodivost elektrolytů je na rozdíl od elektronové vodivosti charakteristická pro kovy doprovázena přenosem hmoty na elektrody s tvorbou nových chemických sloučenin v jejich blízkosti. Celková (celková) vodivost se skládá z vodivosti kationtů a aniontů, které se vlivem vnějšího elektrického pole pohybují v opačných směrech. Podíl celkového množství elektřiny přenesené jednotlivými ionty se nazývá přenosová čísla, jejichž součet pro všechny typy iontů účastnících se přenosu je roven jedné.
Polovodič
Monokrystalický křemík je dnes nejrozšířenějším polovodičovým materiálem v průmyslu.
Polovodič- materiál, který svou měrnou vodivostí zaujímá střední polohu mezi vodiči a dielektrikem a od vodičů se liší silnou závislostí měrné vodivosti na koncentraci nečistot, teplotě a expozici různé typy záření. Hlavní vlastností polovodiče je zvýšení elektrické vodivosti s rostoucí teplotou.
Polovodiče jsou látky, jejichž zakázané pásmo je v řádu několika elektronvoltů (eV). Například diamant může být klasifikován jako širokopásmové polovodiče a arsenid india - to úzká mezera. Mezi polovodiče patří mnoho chemických prvků (germanium, křemík, selen, telur, arsen a další), obrovské množství slitin a chemických sloučenin (arsenid gallia atd.). Téměř všechny anorganické látky ve světě kolem nás jsou polovodiče. Nejběžnějším polovodičem v přírodě je křemík, který tvoří téměř 30 % zemské kůry.
V závislosti na tom, zda se atom nečistoty vzdá elektronu nebo jej zachytí, se atomy nečistot nazývají donorové nebo akceptorové atomy. Povaha nečistoty se může lišit v závislosti na tom, který atom krystalové mřížky nahrazuje a do které krystalografické roviny je zapuštěn.
Vodivost polovodičů je velmi závislá na teplotě. V blízkosti absolutní nuly mají polovodiče vlastnosti dielektrik.
Mechanismus elektrického vedení[editovat | upravit text wiki]
Polovodiče se vyznačují jak vlastnostmi vodičů, tak dielektrik. V polovodičových krystalech vytvářejí atomy kovalentní vazby (to znamená, že jeden elektron v krystalu křemíku, jako je diamant, je spojen dvěma atomy); elektrony vyžadují úroveň vnitřní energie, aby se z atomu uvolnily (1,76 10 −19 J oproti 11,2 10 −19 J, který charakterizuje rozdíl mezi polovodiči a dielektriky). Tato energie se v nich objevuje s rostoucí teplotou (např. při pokojové teplotě je energetická hladina tepelného pohybu atomů 0,4·10−19 J) a jednotlivé elektrony dostávají energii k oddělení od jádra. S rostoucí teplotou roste počet volných elektronů a děr, proto u polovodiče, který neobsahuje nečistoty, elektrický odpor klesá. Obvykle jsou za polovodiče považovány prvky s energií vazby elektronů menší než 1,5-2 eV. Mechanismus vodivosti elektronových děr se projevuje u nativních (tedy bez příměsí) polovodičů. Říká se tomu vlastní elektrická vodivost polovodiče.
Díra[upravit | upravit text wiki]
Hlavní článek:Otvor
Při porušení vazby mezi elektronem a jádrem se v elektronovém obalu atomu objeví volné místo. To způsobí přenos elektronu z jiného atomu na atom s volným místem. Atom, ze kterého prošel elektron, přijme další elektron od jiného atomu atd. Tento proces je dán kovalentními vazbami atomů. Kladný náboj se tedy pohybuje bez pohybu samotného atomu. Tento podmíněný kladný náboj se nazývá díra.
Magnetické pole
Magnetické pole- silové pole působící na pohybující se elektrické náboje a na tělesa s magnetickým momentem bez ohledu na stav jejich pohybu; magnetická součástka elektro magnetické pole.
Magnetické pole může být vytvořeno proudem nabitých částic a/nebo magnetické momenty elektrony v atomech (a magnetické momenty jiných částic, což se obvykle projevuje v mnohem menší míře) (permanentní magnety).
Navíc vzniká v důsledku změny elektrického pole v čase.
Hlavní pevnostní charakteristikou magnetického pole je vektor magnetické indukce
(vektor indukce magnetického pole). Z matematického hlediska 
- vektorové pole, které definuje a specifikuje fyzikální koncept magnetické pole. Často se pro stručnost vektor magnetické indukce nazývá jednoduše magnetické pole (ačkoli toto pravděpodobně není nejpřísnější použití tohoto termínu).
Další základní charakteristikou magnetického pole (alternativní k magnetické indukci as ní úzce související, fyzikální hodnotou téměř rovnocenné) je vektorový potenciál .
Zdroje magnetického pole[editovat | upravit text wiki]
Magnetické pole je vytvářeno (generováno) proudem nabitých částic, nebo časově proměnným elektrickým polem nebo vlastními magnetickými momenty částic (druhé lze v zájmu jednotnosti obrazu formálně redukovat na elektrické proudy
Téměř každý člověk zná definici elektrického proudu jako Nicméně celá podstata spočívá v tom, že jeho původ a pohyb v různá prostředí od sebe dost odlišné. Zejména elektrický proud v kapalinách má trochu jiné vlastnosti, než mluvíme o stejných kovových vodičích.
Hlavní rozdíl je v tom, že proud v kapalinách je pohyb nabitých iontů, tedy atomů nebo dokonce molekul, které z nějakého důvodu ztratily nebo získaly elektrony. Navíc jedním z indikátorů tohoto pohybu je změna vlastností látky, kterou tyto ionty procházejí. Na základě definice elektrického proudu můžeme předpokládat, že při rozkladu se budou záporně nabité ionty pohybovat směrem ke kladným a kladným, naopak k záporným.
Proces rozkladu molekul roztoku na kladně a záporně nabité ionty se ve vědě nazývá elektrolytická disociace. Elektrický proud v kapalinách tedy vzniká tím, že na rozdíl od stejného kovového vodiče je složení a Chemické vlastnosti těchto kapalin, což má za následek pohyb nabitých iontů.
Elektrický proud v kapalinách, jeho původ, kvantitativní a kvalitativní charakteristiky byly jedním z hlavních problémů, jejichž studium na dlouhou dobu studoval slavný fyzik M. Faraday. Zejména s pomocí četných experimentů byl schopen prokázat, že hmotnost látky uvolněné během elektrolýzy přímo závisí na množství elektřiny a době, po kterou byla tato elektrolýza prováděna. Tato hmotnost nezávisí na žádných jiných důvodech, kromě typu látky.
Studiem proudu v kapalinách Faraday navíc experimentálně zjistil, že k uvolnění jednoho kilogramu jakékoli látky při elektrolýze je potřeba stejné množství.Toto množství, rovné 9,65,10 7 k., se nazývalo Faradayovo číslo.
Na rozdíl od kovových vodičů je elektrický proud v kapalinách obklopen, což výrazně ztěžuje pohyb iontů látky. V tomto ohledu může být v jakémkoli elektrolytu generován pouze malý napěťový proud. Současně, pokud se teplota roztoku zvýší, pak se zvýší jeho vodivost a pole se zvětší.
Elektrolýza má další zajímavá nemovitost. Jde o to, že pravděpodobnost rozpadu konkrétní molekuly na kladně a záporně nabité ionty je tím vyšší, čím vyšší je větší číslo molekuly samotné látky a rozpouštědla. Současně dojde v určitém okamžiku k přesycení roztoku ionty, načež vodivost roztoku začne klesat. K nejsilnějšímu tedy dojde v roztoku, kde je koncentrace iontů extrémně nízká, ale intenzita elektrického proudu v takových roztocích bude extrémně nízká.
Proces elektrolýzy našel široké uplatnění v různých průmyslových procesech spojených s elektrochemickými reakcemi. Mezi nejvýznamnější z nich patří výroba kovů pomocí elektrolytů, elektrolýza solí obsahujících chlór a jeho deriváty, redoxní reakce, výroba tak potřebné látky, jako je vodík, leštění povrchu a galvanické pokovování. Například v mnoha podnicích vyrábějících stroje a nástroje je velmi běžná metoda rafinace, což je výroba kovu bez zbytečných nečistot.
