Vatten som ett universellt lösningsmedel.. Vattenlösningar.. Elektrolytisk dissociation.. Elektrolyt.. Svaga och starka elektrolyter.. Elektriska laddningsbärare i vätska.. Positiva och negativa joner.. Elektrolys.. Smälter.. Den elektriska strömmens natur i smältor ..
Ett av villkoren för förekomsten av elektrisk ström är närvaron av gratis laddningar som kan röra sig under påverkan elektriskt fält. Vi pratade också om den elektriska strömmens natur i metaller.
I den här lektionen ska vi försöka lista ut vilka partiklar som bär elektrisk laddning i vätskor och smälter.
Vatten som ett universellt lösningsmedel
Som vi vet innehåller destillerat vatten inga laddningsbärare och leder därför inte elektrisk ström, dvs det är ett dielektrikum. Närvaron av eventuella föroreningar gör dock redan vatten till en ganska bra ledare.
Vatten har en fenomenal förmåga att lösa upp nästan allt kemiska grundämnen. När olika ämnen (syror, alkalier, baser, salter etc.) löses i vatten blir lösningen en ledare på grund av nedbrytningen av ämnets molekyler till joner. Detta fenomen kallas elektrolytisk dissociation, och själva lösningen är en elektrolyt som kan leda elektrisk ström. Alla vattenkroppar på jorden är, i större eller mindre utsträckning, naturliga elektrolyter.
Världshavet är en lösning av joner av nästan alla element i det periodiska systemet.
Magsaft, blod, lymfa, alla vätskor i människokroppen är elektrolyter. Alla djur och växter är också i första hand sammansatta av elektrolyter.
Beroende på graden av dissociation finns det svaga och starka elektrolyter. Vatten är en svag elektrolyt, och de flesta oorganiska syror är starka elektrolyter. Elektrolyter kallas också ledare av det andra slaget.
Elektriska laddningsbärare i vätskor
När olika ämnen löses i vatten (eller annan vätska) bryts de ner till joner.
Till exempel separeras vanligt bordssalt NaCl (natriumklorid) i vatten i positiva natriumjoner (Na +) och negativa klorjoner (Cl -). Om de två polerna i den resulterande elektrolyten har olika potential, då driver negativa joner mot den positiva polen medan positiva joner driver mot den negativa polen.
Den elektriska strömmen i en vätska består alltså av flöden av positiva och negativa joner riktade mot varandra.
Medan absolut rent vatten är en isolator, är vatten som innehåller även små föroreningar (naturliga eller införda utifrån) av joniserat material en ledare av elektrisk ström.
Elektrolys
Eftersom det lösta ämnets positiva och negativa joner driver i olika riktningar under påverkan av det elektriska fältet, separeras ämnet gradvis i två delar.
Denna separation av ett ämne i dess beståndsdelar kallas elektrolys.
Elektrolyter används inom elektrokemi, i kemiska strömkällor (voltaiska celler och batterier), i gaoch andra tekniker baserade på förflyttning av elektriska laddningar i vätskor under påverkan av ett elektriskt fält.
Smälter
Dissociation av ett ämne är möjligt utan deltagande av vatten. Tillräckligt för att smälta kristallerna kemisk sammansättningämnen och få en smälta. Smältor av materia, precis som vattenhaltiga elektrolyter, är ledare av det andra slaget, och därför kan de kallas elektrolyter. Elektricitet i smältor har samma natur som strömmen i vattenhaltiga elektrolyter - dessa är motflöden av positiva och negativa joner.
Med hjälp av smältor producerar metallurgin aluminium med hjälp av den elektrolytiska metoden från aluminiumoxid. En elektrisk ström passerar genom aluminiumoxid och under elektrolysprocessen ansamlas rent aluminium vid en av elektroderna (katoden). Detta är en mycket energikrävande process, som i termer av energiförbrukning påminner om nedbrytning av vatten till väte och syre med hjälp av elektrisk ström.
I aluminiumelektrolysverkstaden
Den bildas av den riktade rörelsen av fria elektroner och att i detta fall inga förändringar i det ämne som ledaren är gjord av sker.
Sådana ledare där passagen av elektrisk ström inte åtföljs av kemiska förändringar i deras ämne kallas konduktörer av det första slaget. Dessa inkluderar alla metaller, kol och en rad andra ämnen.
Men det finns också ledare av elektrisk ström i naturen där kemiska fenomen uppstår under strömpassage. Dessa ledare kallas ledare av det andra slaget. Dessa inkluderar främst olika lösningar av syror, salter och alkalier i vatten.
Om du häller vatten i ett glaskärl och tillsätter några droppar svavelsyra (eller någon annan syra eller alkali) och sedan tar två metallplattor och ansluter ledare till dem, sänker dessa plattor ner i kärlet och ansluter en strömkälla till de andra ändarna av ledarna genom omkopplaren och amperemetern, då kommer gas att släppas ut från lösningen, och det kommer att fortsätta kontinuerligt så länge som kretsen är sluten p.g.a. försurat vatten är verkligen en ledare. Dessutom kommer plattorna att börja bli täckta med gasbubblor. Dessa bubblor kommer sedan att bryta av plattorna och komma ut.
När en elektrisk ström passerar genom en lösning sker kemiska förändringar, vilket resulterar i att gas frigörs.
Ledare av det andra slaget kallas elektrolyter, och det fenomen som uppstår i en elektrolyt när en elektrisk ström passerar genom den är.
Metallplattor som doppas i en elektrolyt kallas elektroder; en av dem, ansluten till den positiva polen på strömkällan, kallas anod, och den andra, ansluten till den negativa polen, kallas en katod.
Vad bestämmer passagen av elektrisk ström i en vätskeledare? Det visar sig att i sådana lösningar (elektrolyter) bryts syra (alkali, salt) molekyler under påverkan av ett lösningsmedel (i detta fall vatten) ned i två komponenter, och En partikel i molekylen har en positiv elektrisk laddning och den andra har en negativ.
Partiklarna i en molekyl som har en elektrisk laddning kallas joner. När en syra, salt eller alkali löses i vatten uppstår ett stort antal både positiva och negativa joner i lösningen.
Nu borde det bli klart varför en elektrisk ström passerade genom lösningen, för mellan elektroderna anslutna till strömkällan skapades en spänning, med andra ord, en av dem visade sig vara positivt laddad och den andra negativt. Under påverkan av denna potentialskillnad började positiva joner blandas mot den negativa elektroden - katoden, och negativa joner - mot anoden.
Således blev den kaotiska rörelsen av joner en ordnad motrörelse av negativa joner i en riktning och positiva i den andra. Denna process av laddningsöverföring utgör flödet av elektrisk ström genom elektrolyten och sker så länge det finns en potentialskillnad över elektroderna. När potentialskillnaden försvinner, stannar strömmen genom elektrolyten, den ordnade rörelsen av joner avbryts och kaotisk rörelse börjar igen.
Som ett exempel, låt oss överväga fenomenet elektrolys när en elektrisk ström passerar genom en lösning av kopparsulfat CuSO4 med kopparelektroder nedsänkta i den.
Fenomenet elektrolys när ström passerar genom en lösning av kopparsulfat: C - kärl med elektrolyt, B - strömkälla, C - switch
Här blir det också en motrörelse av joner till elektroderna. Den positiva jonen kommer att vara kopparjonen (Cu), och den negativa jonen kommer att vara syrarestjonen (SO4). Kopparjoner i kontakt med katoden kommer att urladdas (att fästa de saknade elektronerna), det vill säga de kommer att förvandlas till neutrala molekyler av ren koppar och kommer att avsättas på katoden i form av ett tunt (molekylärt) lager.
Negativa joner, som har nått anoden, urladdas också (de ger upp överskott av elektroner). Men samtidigt går de in kemisk reaktion med anodens koppar, som ett resultat av vilket en kopparmolekyl Cu tillsätts till den sura återstoden SO4 och en molekyl av kopparsulfat CuS O4 bildas, som återförs tillbaka till elektrolyten.
Sedan detta kemisk process fortsätter under lång tid, sedan avsätts koppar på katoden, frigörs från elektrolyten. I det här fallet får elektrolyten, istället för kopparmolekylerna som gick till katoden, nya kopparmolekyler på grund av upplösningen av den andra elektroden - anoden.
Samma process inträffar om zinkelektroder tas istället för koppar, och elektrolyten är en lösning av zinksulfat Zn SO4. Zink kommer också att överföras från anoden till katoden.
Således, skillnaden mellan elektrisk ström i metaller och vätskeledare ligger i det faktum att i metaller är laddningsbärarna endast fria elektroner, d.v.s. negativa laddningar, medan det i elektrolyter bärs av motsatt laddade partiklar av ämnet - joner som rör sig i motsatta riktningar. Därför säger de det Elektrolyter uppvisar jonkonduktivitet.
Elektrolysfenomen upptäcktes 1837 av B. S. Jacobi, som utförde många experiment på forskning och förbättring av kemiska strömkällor. Jacobi fann att en av elektroderna placerade i en lösning av kopparsulfat blev belagd med koppar när en elektrisk ström passerade genom den.
Detta fenomen kallas galvanisering, finner nu extremt bred praktisk tillämpning. Ett exempel på detta är att belägga metallföremål med ett tunt lager av andra metaller, det vill säga nickelplätering, guldplätering, silverplätering, etc.
Gaser (inklusive luft) i normala förhållanden led inte elektrisk ström. Till exempel befinner sig nakna, som är upphängda parallellt med varandra, isolerade från varandra av ett luftlager.
Men under inverkan av hög temperatur, stora potentialskillnader och andra orsaker joniseras gaser, som vätskeledare, dvs. partiklar av gasmolekyler uppträder i dem i stora mängder, vilket, eftersom de är bärare av elektricitet, underlättar passagen av elektriska ström genom gasen.
Men samtidigt skiljer sig joniseringen av en gas från joniseringen av en vätskeledare. Om en molekyl i en vätska sönderdelas i två laddade delar, i gaser, under påverkan av jonisering, separeras alltid elektroner från varje molekyl och en jon förblir i form av en positivt laddad del av molekylen.
När joniseringen av gasen upphör, kommer den att sluta vara ledande, medan en vätska alltid förblir en ledare av elektrisk ström. Följaktligen är gasledningsförmåga ett tillfälligt fenomen, beroende på verkan av yttre orsaker.
Det finns dock en annan som heter ljusbågsurladdning eller helt enkelt en ljusbåge. Fenomenet med den elektriska ljusbågen upptäcktes i början av 1800-talet av den första ryska elektroingenjören V.V. Petrov.
V.V. Petrov upptäckte genom många experiment att mellan två kol anslutna till en strömkälla sker en kontinuerlig elektrisk urladdning genom luften, åtföljd av starkt ljus. I sina skrifter skrev V.V. Petrov att i det här fallet "kan mörk fred belysas ganska starkt." Så här erhölls först elektriskt ljus, som praktiskt taget applicerades av en annan rysk elektroingenjör Pavel Nikolaevich Yablochkov.
Yablochkov-ljuset, vars funktion är baserad på användningen av en elektrisk båge, gjorde en verklig revolution inom elektroteknik på den tiden.
Ljusbågsurladdningen används än idag som ljuskälla, till exempel i spotlights och projektionsanordningar. Den höga temperaturen på ljusbågsurladdningen gör att den kan användas för. För närvarande används ljusbågsugnar, som drivs av en mycket hög ström, i ett antal industrier: för smältning av stål, gjutjärn, ferrolegeringar, brons, etc. Och 1882 använde N.N. Benardos först en ljusbågsurladdning för skärning och svetsning av metall.
I gas-ljusrör, lysrör, spänningsstabilisatorer, den sk glödgasurladdning.
En gnisturladdning används för att mäta stora potentialskillnader med hjälp av ett kulgap, vars elektroder är två metallkulor med en polerad yta. Kulorna flyttas isär och en uppmätt potentialskillnad appliceras på dem. Sedan förs bollarna närmare varandra tills en gnista hoppar mellan dem. Genom att känna till bollarnas diameter, avståndet mellan dem, tryck, temperatur och luftfuktighet, hitta potentialskillnaden mellan bollarna med hjälp av speciella tabeller. Denna metod kan mäta potentialskillnader i storleksordningen tiotusentals volt med en noggrannhet på några procent.
Vätskor, som alla andra ämnen, kan vara ledare, halvledare och dielektrikum. Till exempel kommer destillerat vatten att vara ett dielektrikum, och lösningar och smältor av elektrolyter kommer att vara ledare. Halvledare kommer till exempel att vara smält selen eller sulfidsmältor.
Jonisk ledningsförmåga
Elektrolytisk dissociation är processen för nedbrytning av elektrolytmolekyler till joner under påverkan av det elektriska fältet hos polära vattenmolekyler. Graden av dissociation är andelen molekyler som har brutit upp till joner i ett löst ämne.
Graden av dissociation kommer att bero på olika faktorer: temperatur, lösningskoncentration, lösningsmedelsegenskaper. När temperaturen ökar kommer också dissociationsgraden att öka.
Efter att molekylerna separerats i joner, rör de sig slumpmässigt. I det här fallet kan två joner med olika tecken rekombinera, det vill säga de kan återigen kombineras till neutrala molekyler. I frånvaro av yttre förändringar i lösningen bör dynamisk jämvikt upprättas. Med det kommer antalet molekyler som bryts upp till joner per tidsenhet att vara lika med antalet molekyler som kommer att förenas igen.
Laddningsbärare i vattenlösningar och smältor av elektrolyter kommer att vara joner. Om ett kärl med en lösning eller smälta är anslutet till en krets, kommer positivt laddade joner att börja röra sig mot katoden och negativa - mot anoden. Som ett resultat av denna rörelse kommer en elektrisk ström att uppstå. Den här typen konduktivitet kallas jonkonduktivitet.
Förutom jonledningsförmåga i vätskor kan den också ha elektronisk ledningsförmåga. Denna typ av konduktivitet är karakteristisk för till exempel flytande metaller. Som noterats ovan, med jonledning, är passagen av ström associerad med överföringen av materia.
Elektrolys
Ämnen som ingår i elektrolyter kommer att sedimentera på elektroderna. Denna process kallas elektrolys. Elektrolys är processen att frigöra ett ämne vid en elektrod i samband med redoxreaktioner.
Elektrolys har fått bred tillämpning inom fysik och teknik. Med hjälp av elektrolys beläggs ytan på en metall med ett tunt lager av en annan metall. Till exempel krom och nickelplätering.
Med hjälp av elektrolys kan du göra en kopia från en reliefyta. För att göra detta är det nödvändigt att metallskiktet som sätter sig på ytan av elektroden lätt kan avlägsnas. För att uppnå detta appliceras ibland grafit på ytan.
Processen att erhålla sådana lättavdragbara beläggningar kallas galvanisering. Denna metod utvecklades av den ryske vetenskapsmannen Boris Jacobi när han gjorde ihåliga figurer för St. Isaks katedral i St. Petersburg.
Vätskor enligt graden av elektrisk ledningsförmåga är indelade i:
dielektrikum (destillerat vatten),
ledare (elektrolyter),
halvledare (smält selen).
Elektrolyt
Det är en ledande vätska (lösningar av syror, alkalier, salter och smälta salter).
Elektrolytisk dissociation
(urkoppling)
Under upplösning, som ett resultat av termisk rörelse, uppstår kollisioner mellan lösningsmedelsmolekyler och neutrala elektrolytmolekyler.
Molekyler bryts ner till positiva och negativa joner.
Elektrolysfenomen
- åtföljer passagen av elektrisk ström genom en vätska;
- detta är frigörandet av ämnen som ingår i elektrolyterna på elektroderna;
Positivt laddade anjoner, under påverkan av ett elektriskt fält, tenderar till den negativa katoden, och negativt laddade katjoner - till den positiva anoden.
Vid anoden ger negativa joner upp extra elektroner ( oxidationsreaktion)
Vid katoden tar positiva joner emot de saknade elektronerna (reduktionsreaktion).
Elektrolyslagen
1833 - Faraday
Elektrolyslagen bestämmer massan av ämnet som frigörs på elektroden under elektrolys under passagen av elektrisk ström. 
k är den elektrokemiska ekvivalenten av ämnet, numeriskt lika med massan av ämnet som frigörs på elektroden när en laddning på 1 C passerar genom elektrolyten.
Genom att känna till massan av det frigjorda ämnet kan du bestämma elektronens laddning.
Till exempel att lösa upp kopparsulfat i vatten.
Elektrisk ledningsförmåga hos elektrolyter, elektrolyternas förmåga att leda elektrisk ström när en elektrisk spänning appliceras. Aktuella bärare är positivt och negativt laddade joner - katjoner och anjoner, som finns i lösning på grund av elektrolytisk dissociation. Den joniska elektriska ledningsförmågan hos elektrolyter, i motsats till den elektroniska ledningsförmågan som är karakteristisk för metaller, åtföljs av överföring av materia till elektroderna med bildning av nya kemiska föreningar nära dem. Den totala (totala) ledningsförmågan består av ledningsförmågan hos katjoner och anjoner, som rör sig i motsatta riktningar under påverkan av ett yttre elektriskt fält. Bråkdelen av den totala mängden elektricitet som överförs av enskilda joner kallas överföringstal, vars summa för alla typer av joner som deltar i överföringen är lika med en.
Halvledare
Monokristallint kisel är det halvledarmaterial som används mest inom industrin idag.
Halvledare- ett material som när det gäller sin specifika konduktivitet intar en mellanposition mellan ledare och dielektrikum och som skiljer sig från ledare genom det starka beroendet av den specifika konduktiviteten på koncentrationen av föroreningar, temperatur och exponering olika typer strålning. Den huvudsakliga egenskapen hos en halvledare är en ökning av elektrisk ledningsförmåga med ökande temperatur.
Halvledare är ämnen vars bandgap är i storleksordningen flera elektronvolt (eV). Till exempel kan en diamant klassificeras som halvledare med stort bandgap, och indiumarsenid - till smal öppning. Halvledare inkluderar många kemiska element (germanium, kisel, selen, tellur, arsenik och andra), ett stort antal legeringar och kemiska föreningar (galliumarsenid, etc.). Nästan alla oorganiska ämnen i världen omkring oss är halvledare. Den vanligaste halvledaren i naturen är kisel, som utgör nästan 30 % av jordskorpan.
Beroende på om föroreningsatomen ger upp en elektron eller fångar den, kallas föroreningsatomer donator- eller acceptoratomer. Föroreningens natur kan variera beroende på vilken atom i kristallgittret den ersätter och i vilket kristallografisk plan den är inbäddad.
Konduktiviteten hos halvledare är starkt beroende av temperaturen. Nära den absoluta nolltemperaturen har halvledare egenskaperna hos dielektrikum.
Mekanismen för elektrisk ledning[redigera | redigera wikitext]
Halvledare kännetecknas av både ledares och dielektriska egenskaper. I halvledarkristaller upprättar atomer kovalenta bindningar (det vill säga en elektron i en kiselkristall, som diamant, är sammankopplad med två atomer); elektroner kräver en nivå av intern energi för att frigöras från atomen (1,76 10 −19 J mot 11,2 10 −19 J, som kännetecknar skillnaden mellan halvledare och dielektrikum). Denna energi uppträder i dem när temperaturen ökar (till exempel vid rumstemperatur är energinivån för atomernas termiska rörelser 0,4·10−19 J), och individuella elektroner får energi som ska separeras från kärnan. Med ökande temperatur ökar antalet fria elektroner och hål, därför minskar den elektriska resistiviteten i en halvledare som inte innehåller föroreningar. Konventionellt anses element med en elektronbindningsenergi på mindre än 1,5-2 eV som halvledare. Elektronhålskonduktivitetsmekanismen manifesterar sig i naturliga (det vill säga utan föroreningar) halvledare. Det kallas eget elektrisk konduktivitet halvledare.
Hål[redigera | redigera wikitext]
Huvudartikel:Hål
När bindningen mellan elektronen och kärnan bryts uppstår ett fritt utrymme i atomens elektronskal. Detta orsakar överföring av en elektron från en annan atom till en atom med en ledig plats. Atomen från vilken elektronen passerade tar emot en annan elektron från en annan atom, etc. Denna process bestäms av atomernas kovalenta bindningar. Således rör sig en positiv laddning utan att flytta själva atomen. Denna villkorade positiva laddning kallas ett hål.
Ett magnetfält
Ett magnetfält- ett kraftfält som verkar på rörliga elektriska laddningar och på kroppar med ett magnetiskt moment, oavsett tillståndet för deras rörelse; magnetisk komponentelektro magnetiskt fält.
Magnetfältet kan skapas av en ström av laddade partiklar och/eller magnetiska moment elektroner i atomer (och magnetiska moment hos andra partiklar, vilket vanligtvis visar sig i mycket mindre utsträckning) (permanenta magneter).
Dessutom uppstår det som ett resultat av en förändring i det elektriska fältet över tid.
Den huvudsakliga styrkan för magnetfältet är magnetisk induktionsvektor
(magnetfältsinduktionsvektor). Ur en matematisk synvinkel 
- vektorfält som definierar och specificerar fysiskt koncept magnetiskt fält. Ofta, för korthetens skull, kallas den magnetiska induktionsvektorn helt enkelt ett magnetfält (även om detta förmodligen inte är den mest strikta användningen av termen).
En annan grundläggande egenskap hos magnetfältet (alternativt till magnetisk induktion och nära kopplat till det, nästan lika med det i fysiskt värde) är vektorpotential .
Källor till magnetfält[redigera | redigera wikitext]
Ett magnetfält skapas (genereras) av en ström av laddade partiklar, eller ett tidsvarierande elektriskt fält, eller partiklarnas egna magnetiska moment (de senare kan, för bildens skull, formellt reduceras till elektriska strömmar
Nästan varje person känner till definitionen av elektrisk ström som Men hela poängen är att dess ursprung och rörelse i olika miljöer ganska olika varandra. Speciellt elektrisk ström i vätskor har lite andra egenskaper än vi talar om samma metallledare.
Den största skillnaden är att ström i vätskor är rörelsen av laddade joner, det vill säga atomer eller till och med molekyler som av någon anledning har förlorat eller fått elektroner. Dessutom är en av indikatorerna för denna rörelse en förändring i egenskaperna hos det ämne genom vilket dessa joner passerar. Baserat på definitionen av elektrisk ström kan vi anta att negativt laddade joner under nedbrytning kommer att röra sig mot positiva och positiva, tvärtom mot negativa.
Processen för nedbrytning av lösningsmolekyler till positiva och negativt laddade joner kallas inom vetenskapen elektrolytisk dissociation. Således uppstår elektrisk ström i vätskor på grund av det faktum att, i motsats till samma metallledare, sammansättningen och Kemiska egenskaper dessa vätskor, vilket resulterar i rörelse av laddade joner.
Elektrisk ström i vätskor, dess ursprung, kvantitativa och kvalitativa egenskaper var ett av huvudproblemen, studien av vilka under en lång tid studerat av den berömde fysikern M. Faraday. I synnerhet kunde han med hjälp av många experiment bevisa att massan av ämnet som frigörs under elektrolys direkt beror på mängden elektricitet och den tid under vilken denna elektrolys utfördes. Denna massa beror inte på några andra orsaker, förutom typen av ämne.
Dessutom, genom att studera strömmen i vätskor, fann Faraday experimentellt att för att frigöra ett kilo av vilket ämne som helst under elektrolys krävs samma mängd.Denna mängd, lika med 9.65.10 7 k., kallades för Faraday-talet.
Till skillnad från metallledare är den elektriska strömmen i vätskor omgiven, vilket avsevärt hindrar rörelsen av joner av ämnet. I detta avseende kan endast en liten spänningsström genereras i vilken elektrolyt som helst. Samtidigt, om temperaturen på lösningen ökar, ökar dess ledningsförmåga och fältet ökar.
Elektrolys har en annan intressant egendom. Saken är den att sannolikheten för att en viss molekyl bryts upp i positiva och negativt laddade joner är högre, ju högre större antal molekyler av själva ämnet och lösningsmedlet. Samtidigt blir lösningen vid ett visst ögonblick övermättad med joner, varefter lösningens ledningsförmåga börjar minska. Den starkaste kommer alltså att uppstå i en lösning där koncentrationen av joner är extremt låg, men den elektriska strömintensiteten i sådana lösningar kommer att vara extremt låg.
Elektrolysprocessen har fått bred tillämpning i olika industriella processer förknippade med elektrokemiska reaktioner. De viktigaste av dem inkluderar produktion av metall med hjälp av elektrolyter, elektrolys av salter som innehåller klor och dess derivat, redoxreaktioner, produktion av ett sådant nödvändigt ämne som väte, ytpolering och galvanisering. Till exempel i många maskin- och instrumenttillverkningsföretag är raffineringsmetoden mycket vanlig, vilket är tillverkning av metall utan onödiga föroreningar.
