Блог вчителя основ здоров’я Сватівського ліцею №8 Хольматової Наталії Миколаївни : 21.01.22 ФІЗИКА Природа електричного струму в розчинах і розплавах електролітів. Закон Фарадея для електролізу. Електричний струм у газах. Безпека людини під час роботи з електричними приладами й пристроями.

ЕЛЕКТРОЛІТИ. ЕЛЕКТРОЛІТИЧНА ДИСОЦІАЦІЯ. Звернемося до досліду. З’єднаємо послідовно джерело живлення, електричну лампочку та два металеві електроди, які зануримо в скляну посудину з кухонною сіллю NaCl (рис. 34.1, а).

Замкнемо електричне коло. Лампочка не світиться, оскільки кухонна сіль є діелектриком. Зануримо тепер електроди в посудину з дистильованою водою (рис. 34.1, б). Лампочка знову не світиться, тому що дистильована вода також є діелектриком. Розчинимо трохи солі у воді та повторимо дослід. Побачимо, що лампочка почне світитися. Отже, в колі з’явився електричний струм (рис. 34.1, в).

Рис. 34.1. Дослідження провідності: а) солі; б) дистильованої води; в) розчину солі

Таким чином, розчин кухонної солі проводить електричний струм. Речовини, розчини і розплави яких проводять електричний струм, називають електролітами. До електролітів належать речовини, в яких електричний струм утворюється йонами, зокрема розплавлені солі, водні розчини солей, кислот і лугів тощо.

У попередніх параграфах ви дізналися про особливості електричного струму в металах та напівпровідниках. Які ж процеси відбуваються в електролітах під час проходження електричного струму?

Рис. 34.2. Механізм розпаду молекули солі NaCl на йони

Молекули солей, кислот і лугів утворені позитивними й негативними йонами, які утримуються силами електростатичного притягання. Наприклад, у молекулах кам’яної солі NaCl позитивно заряджений йон натрію Na+ притягується до негативного йона хлору Сl-. У водяному розчині молекули солі NaCl потрапляють в оточення полярних молекул води (рис. 34.2). Своїми позитивними полюсами молекули води наближаються до йонів хлору Сl-, а негативними — до йонів натрію Na+. У певний момент сила притягання між цими йонами і молекулами води переважає над силою притягання між йонами, і молекула солі розпадається на два йони Сl- та Na+.

Процес розпаду молекул на йони називається електролітичною дисоціацією.

Рис. 34.3. Йонна провідність розчину кам’яної солі NaCl

Носіями заряду в електролітах є йони, тобто електроліти мають йонну провідність. Із підвищенням температури концентрація позитивно й негативно заряджених іонів збільшується.

За відсутності зовнішнього електричного поля йони разом із молекулами, які ще не розпалися, перебувають у безперервному хаотичному русі.

Якщо ємність із розчином електроліту підключити до електричного кола, то між електродами утвориться електричне поле і йони в розчині почнуть рухатися напрямлено. Позитивно заряджені йони будуть рухатися до електрода, з’єднаного з негативним полюсом джерела живлення, тобто до катода, а негативні йони — у протилежному напрямі, до анода (рис. 34.3). При цьому через розчин електроліту відбувається перенесення як заряду, так і речовини. Провідність, зумовлену рухом йонів, називають йонною. Пригадайте з досвіду: цукор чи сіль значно швидше розчиняється в гарячій воді, ніж у холодній. Тобто з підвищенням температури зростає кількість молекул, які розпадаються на йони, а отже, число вільних носіїв електричного заряду збільшується. Чим більшою буде кількість вільних носіїв заряду, тим краще речовина проводить електричний струм.

Таким чином, із підвищенням температури розчинів і розплавів електролітів їх провідність збільшується, а опір, відповідно, зменшується.

ЕЛЕКТРОЛІЗ. ЗАКОН ЕЛЕКТРОЛІЗУ. Проходження електричного струму через електроліт пов’язане з перенесенням речовини. На електродах відбувається виділення речовин, що входять до складу електролітів.

Процес виділення речовини на електродах під час проходження електричного струму через електроліт називають електролізом.

Явище електролізу відкрив та дослідив Майкл Фарадей. Він з’ясував, що на аноді негативно заряджені йони віддають зайві електрони (у хімії цей процес називається окисною реакцією), а на катоді позитивні йони одержують відсутні електрони (відновна реакція).

Кожний іон, що у процесі електролізу нейтралізується на електроді й виділяється на ньому у вигляді нейтрального атома, має певну масу. Але разом із тим він переносить через електроліт не тільки масу, а й певний заряд. Тому маса речовини, що виділилася на електроді, та кількість електрики, яка пройшла через електроліт, залежать від кількості йонів, що дісталися електродів.

У 1833 р. М. Фарадей установив закономірність, яка отримала назву закону Фарадея:

маса речовини т, що виділилась на електроді під час електролізу, прямо пропорційна заряду q, який пройшов через електроліт:

m = kq.

Оскільки q = It, де I — сила струму, t — час проходження струму, то

m = kIt.

Сталу k називають електрохімічним еквівалентом речовини. Він залежить від природи речовини та чисельно дорівнює масі речовини в кілограмах, яка виділяється під час проходження 1 Кл електрики.

Значення електрохімічного еквівалента найпоширеніших речовин можна знайти в довідниковій таблиці (табл. 34.1).

Таблиця 34.1

Електрохімічні елементи речовин

Речовина	Електрохімічний еквівалент, мг/Кл
Алюміній	0,093
Водень	0,0104
Кисень	0,083
Мідь	0,33
Нікель	0,3
Срібло	1,12
Хром	0,18
Цинк	0,34

ЗАСТОСУВАННЯ ЕЛЕКТРОЛІЗУ. На межі XVIII і XIX ст. італійський фізіолог Луїджі Гальвані й англійський фізик Алессандро Вольта зробили відкриття, які започаткували нову наукову галузь — електрохімію. Учені з’ясували, що під час проходження електричного струму через водний розчин солі в ньому відбуваються хімічні перетворення, які нині називають електролітичними. Пізніше російський учений Б. С. Якобі винайшов спосіб нанесення шару металу на поверхню різних виробів за допомогою електричного струму.

Сьогодні електроліз набув широкого застосування в техніці. Його використовують у технології рафінування (очищення) металів від домішок. За допомогою електролізу в електрометалургії отримують чистий натрій, нікель, кисень, водень, хлор та інші речовини. Пластина металу, який підлягає очищенню, є анодом, що разом із катодом занурюється в електролітичну ванну, заповнену водним розчином солі цього металу. Під час електролізу метал анода у вигляді йонів переходить у розчин і далі відкладається на катоді. Електролітичний спосіб рафінування застосовується, наприклад, для отримання електротехнічної міді, з якої виготовляють електричні провідники. Зокрема, із руди з різноманітними домішками відливають мідні пластини, які приєднуються до анода й вміщуються в розчин сульфату міді (CuSO4). Під час пропускання електричного струму на катоді виділяється чистий метал, а всі сторонні домішки випадають в осад або переходять в електроліт.

За допомогою електролізу одні метали вкривають шаром іншого. Цей процес називається гальваностегією. Так, поверхні виробів із заліза вкривають нікелем або хромом, які мають значно вищу стійкість до корозії.

Рис. 34.4. Використання гальванопластики

Рис. 34.5. Цех гальваніки

Явище електролізу покладено в основу гальванопластики — отримання металевих копій різних предметів (медалей, монет, барельєфів, матриць для друкованих електричних плат) (рис. 34.4). Для цього з пластичного матеріалу, такого, наприклад, як віск, виготовляється копія предмета. Потім її вкривають графітовим пилом, щоб надати поверхні копії електропровідності й вміщують у ванну, де вона є катодом. У процесі електролізу ця копія вкривається шаром металу потрібної товщини. А віск (пластичний матеріал) потім видаляється шляхом нагрівання.

На виробництві процеси гальваностегії та гальванопластики проводять у гальванічних цехах, використовуючи великі гальванічні ванни, до яких одночасно можна вміщувати значну кількість виробів (рис. 34.5).

Хмельницький машинобудівний завод «ТЕМП» виготовляє сучасне гальванічне обладнання, що використовується як в Україні, так і в інших країнах (рис. 34.6).

Рис. 34.6. Сучасна установка гальванопластики «Гальванопласт-1 М» виробництва Хмельницького машинобудівного заводу «ТЕМП»

ПРИКЛАДИ РОЗВ’ЯЗУВАННЯ ФІЗИЧНИХ ЗАДАЧ НА ЕЛЕКТРОЛІЗ

Задача 1. Визначте масу срібла, що виділилося на катоді при електролізі азотнокислого срібла за 2 год, якщо до розчину докладено напругу 2 В, а його опір 5 Ом (k = 1,118 • 10-6 кг/Кл).

Відповідь: m = 3,22 г.

Відповідь: m2 = 79,7 г.

Головне в цьому параграфі

Речовини, розчини і розплави яких проводять електричний струм, називають електролітами.

Електролітична дисоціація — процес розпаду молекул на йони.

Паралельно з електролітичною дисоціацією відбувається зворотний процес з’єднання йонів у нейтральні молекули — рекомбінація.

Провідність розчинів і розплавів електролітів зумовлена рухом йонів, її називають йонною.

Закон Фарадея: маса речовини, яка виділилася на електроді під час електролізу, прямо пропорційна силі струму та часу проходження струму через електроліт: m = kq; m = kIt.

Електрохімічний еквівалент к чисельно дорівнює масі речовини в кілограмах, яка виділяється під час проходження 1 Кл електрики.

Електроліз використовують у технології рафінування металів — очищенні їх від домішок.

Покриття провідної поверхні шаром певного металу електролітичним способом називають гальваностегією.

Гальванопластика — отримання копій різних металевих предметів за допомогою електролізу.

Запитання для самоперевірки

1. Що називають електролітами?
2. Поясніть механізм електролітичної дисоціації.
3. Поясніть механізм провідності розчинів і розплавів електролітів.
4. Що називають електролізом?
5. Від чого залежить маса речовини, яка виділяється на електроді під час електролізу?
6. У чому полягає фізичний зміст електрохімічного еквіваленту речовини?
7. У чому полягає процес рафінування металів?
8. У чому полягає суть гальваностегії?
9. Поясніть, які фізичні явища відбуваються в процесі гальванопластики.

ПРОВІДНІСТЬ ГАЗІВ. За звичайних умов гази майже повністю складаються з нейтральних атомів чи молекул, тому є діелектриками. На властивості повітря бути ізолятором ґрунтується робота звичайного вимикача електричного струму, який є у вашому житловому приміщенні. Під час вимикання світла між двома контактами утворюється повітряний проміжок, унаслідок чого розмикається електричне коло.

Чи може повітря проводити електрику? Звернемося до досліду. Приєднаємо одну пластину плоского конденсатора до електрометра, а іншу заземлимо. Потім доторкнемося позитивно зарядженою паличкою до однієї з пластин — стрілка електрометра відхилиться на певний кут (рис. 35.1, а). За умови достатньо сухого повітря заряд на пластинах триматиметься доволі довго, а отже, електричний струм через повітряний простір між пластинами не проходить.

Рис. 35.1. Дослідження провідності газів

Внесемо у простір між пластинами запалений сірник. Стрілка електрометра почне швидко повертатися в початкове положення, що свідчить про розрядження пластин конденсатора (рис. 35.1, б). Отже нагріте повітря стало провідником і через нього пройшов електричний струм.

Процес проходження електричного струму через газ називають газовим розрядом.

Проаналізуємо результати досліду. Ви вже знаєте, що всі речовини складаються з молекул (атомів), які перебувають у безперервному хаотичному русі. З підвищенням температури газу збільшується кінетична енергія його молекул. Під час зіткнення молекул або атомів газу вони можуть втратити один або декілька електронів та перетворитися на позитивний іон. Утворюються два вільні носії заряду: електрон та позитивно заряджений іон (рис. 35.2, а).

Вільні електрони, зіткнувшись із молекулою чи атомом, можуть захоплюватися ними — утворюються негативні йони (рис. 35.2, б).

Рис. 35.2. Йонізація молекул газу

Процес утворення позитивних і негативних йонів та вільних електронів із молекул (атомів) називають іонізацією.

Йонізувати газ можна, нагрівши його або опромінивши електромагнітним випромінюванням, наприклад, рентгенівським чи ультрафіолетовим.

Позитивні та негативні йони (або позитивні йони й електрони) при зіткненні можуть з’єднуватися між собою, утворюючи нейтральні атоми або молекули (рис. 35.3). Отже, у газах одночасно з процесом йонізації відбувається зворотний процес — рекомбінація.

Рис. 35.3. Рекомбінація молекул газу

Провідність газів залежить від температури. З підвищенням температури зростає швидкість руху молекул, а отже, дедалі більше молекул, стикаючись, «розбиваються» на йони й електрони, тобто кількість вільних носіїв електричного заряду зростає. Чим більшою буде ця кількість, тим краще речовина проводитиме електричний струм. Отже, очевидним є висновок: із підвищенням температури газів їх провідність збільшується, а опір відповідно зменшується.

НЕСАМОСТІЙНИЙ І САМОСТІЙНИЙ ГАЗОВИЙ РОЗРЯД. Утворення йонів у газах суттєво відрізняється від цього процесу в електролітах, де молекули розпадаються на йони в процесі електролітичної дисоціації. Зокрема, у разі припинення дії іонізатора гази знову стають діелектриками. Вільні електрони або досягають електродів та нейтралізуються, або рекомбінують, утворюючи нейтральні атоми чи молекули.

Тобто за умови усунення джерела йонізації газу (прибрати пальник, вимкнути джерело рентгенівського випромінювання тощо) газовий розряд припиняється внаслідок рекомбінації молекул.

Газовий розряд, який відбувається тільки за наявності зовнішнього йонізатора, називають несамостійним газовим розрядом.

Щоб в електричному колі, зображеному на рис. 35.4, існував електричний струм, потрібно мати йонізатор (пальник, опромінювач).

Збільшення напруги на електродах зумовить збільшення кулонівських сил, що діють на електрони і, як наслідок, — збільшення їх швидкості та електричної енергії. Маючи велику кінетичну енергію, електрон, стикнувшись із молекулою (атомом), «розбиває» її (рис. 35.5) на йон та електрон, який, прискорений електричним полем, руйнує інші молекули (атоми). Кількість заряджених частинок швидко зростає. Цей процес називають ударною йонізацією газу. Оскільки за цих умов для підтримання газового розряду зовнішній йонізатор вже не потрібний, такий розряд називають самостійним.

Рис. 35.4. Йонізація газу

Самостійний газовий розряд — розряд, який може існувати без зовнішнього йонізатора.

Залежно від стану газу (температури та тиску), напруги, форми й розмірів електродів самостійні газові розряди можуть відрізнятися один від одного як за зовнішніми ознаками, так і за характером фізичних процесів, що їх зумовлюють. Всі види газових розрядів супроводжуються своєрідними явищами (різноманітні свічення, характерний звук тощо).

За низьких тисків (близько 0,1 мм рт. ст.) і напруги лише в кілька сотень вольт, а іноді й менше в газах спостерігається тліючий розряд. Його можна побачити у вигляді світіння у скляній трубці, наповненій газом при низькому тиску (рис. 35.6). Колір світних шарів газового розряду залежить від самого газу. Світіння повітря має бузковий відтінок, неону — оранжево-червоний, аргону — зеленуватий тощо.

Тліючий розряд у розріджених газах широко застосовують як джерело світла в різних газосвітних трубках. У лампах денного світла тліючий розряд зазвичай відбувається в парі ртуті. Випромінювання ртутної пари поглинається шаром спеціальної речовини, нанесеної на внутрішню поверхню трубки, яка під дією поглинутого випромінювання світиться видимим світлом. Перевагою таких ламп порівняно з лампами розжарювання є їхня економічність, а недоліком — мерехтливе свічення.

Рис. 35.5. Механізм йонізації електронним ударом

Рис. 35.6. Тліючий розряд: а) залежність кольору світіння від газу; б) лампи денного світла

Рис. 35.7. Іскровий розряд

Самостійні електричні розряди можуть відбуватися в газах і за нормальних та великих тисків у разі збільшення напруги між двома вміщеними в атмосферне повітря електродами. За певної напруги між електродами проскакує електрична іскра, що має вигляд тонкого, яскраво світного, зігнутого та розгалуженого шнура (рис. 35.7). При цьому іскровий розряд із величезною швидкістю пронизує проміжок між електродами, гасне і знову виникає, тому око бачить одну суцільну іскру. Іскровий розряд зазвичай супроводжується характерним тріском і блакитнуватим свіченням.

Характерним прикладом потужного іскрового розряду є блискавка — електричний розряд між негативно зарядженою хмарою і позитивно зарядженою поверхнею землі або між двома хмарами. Максимальна сила струму в блискавці досягає десятків і сотень ампер, її тривалість близько 10-5 с, електрична напруга між хмарою і землею іноді перевищує 15 • 107 В, а довжина блискавки може становити десятки кілометрів.

За атмосферного тиску в дуже неоднорідних електричних полях, наприклад, поблизу дротів ліній високої напруги, спостерігається розряд, світна ділянка якого часто нагадує корону (рис. 35.8). Тому цей розряд називають коронним. Іноді його можна спостерігати перед грозою або під час неї на вістрях високо піднятих предметів (корабельних щоглах, вершинах дерев, шпилях башт, антенах тощо) у вигляді свічення, схожого на китиці конусів.

Рис. 35.8. Коронний роздряд

Рис. 35.9. Дуговий розряд

Якщо одержати іскровий розряд, а потім поступово знижувати електричний опір кола, зменшуючи відстань між електродами, розряд перейде з переривчастого у безперервний — виникає новий вид газового розряду, який дістав назву дугового (рис. 35.9).

Температура електродів у місцях виникнення електричної дуги за атмосферного тиску становить близько 3500—4000 °С, а під тиском 20 атм перевищує 7000 °С, тобто вища за температуру зовнішньої поверхні Сонця (близько 6000 °С).

Електрична дуга є потужним джерелом світла, тому її використовують у проекційних та прожекторних ліхтарях. Дуговий розряд широко застосовується для зварювання й різання металів, а також у дугових електропечах сучасної металургійної промисловості.

Головне в цьому параграфі

Процес проходження електричного струму через газ називають газовим розрядом.

Процес утворення позитивних і негативних йонів та вільних електронів із молекул (атомів) називають йонізацією.

Рекомбінація — процес утворення молекул у результаті зіткнення позитивних і негативних частинок.

Електричний струм у газі являє собою спрямований рух позитивних йонів до катода, а негативних йонів і електронів — до анода.

Із підвищенням температури газів їх провідність збільшується, а опір відповідно зменшується.

Самостійний газовий розряд — розряд, який може існувати без зовнішнього іонізатора.

Залежно від стану газу (температури й тиску), напруги, форми та розмірів електродів розрізняють такі види самостійних газових розрядів: тліючий, іскровий, коронний, дуговий.

Запитання для самоперевірки

1. Що називають газовим розрядом?
2. Яка природа струму в газах?
3. Що називають рекомбінацією атомів?
4. Які заряджені частинки є носіями струму в газах?
5. За яких умов виникає самостійний електричний розряд у газах?
6. Які умови виникнення та зовнішні ознаки тліючого розряду?
7. Які характерні ознаки іскрового електричного розряду?
8. За яких умов виникає дуговий розряд? Назвіть його особливості.

Домашній експеримент

Якщо у вас вдома є «економ»-лампа, виконайте цікаві дослідження.

Дослід 1. Увімкніть лампу. Спостерігаючи за тим, як вона починає світитися, визначте, як це відбувається: відразу яскраво чи поступово. Вимкніть лампу. Простежте, як зникає світло — раптово чи поступово? Порівняйте яскравість лампи на початку та наприкінці роботи.

Дослід 2. Увімкніть лампу. Спостерігайте за тим, як працює лічильник електричної енергії. Бажано, щоб не працювали інші електроприлади. Запишіть покази за 1 хвилину, а потім через певний час знову запишіть покази за 1 хвилину. Порівняйте покази лічильника.

Чому не рекомендують часто вимикати такі лампи?

Вправа до § 35

1(п). Поясніть залежність опору газів від температури.
2(п). Наведіть приклади джерел світла, де використовується газовий розряд.
3(c). Якщо в простір між зарядженими пластинами внести полум’я свічки чи спиртівки, то воно роздвоюється (див. рисунок). Поясніть це явище.
4(c). Поясніть чим відрізняється йонізація газів від дисоціації електролітів.
5(c). Поясніть, чому в альпіністів є таке правило: заночувавши високо в горах, всі металеві предмети потрібно класти подалі від табору.
6(д). Поясніть, чому у вологому приміщенні складно проводити досліди з електростатики, оскільки електроскоп погано заряджається і швидко втрачає наданий йому заряд.
7(в). Блискавка є переривчастим розрядом тривалістю 1 мс. Кількість заряду, який проходить по каналу, 20 Кл, а напруга дорівнює 2 ГВ. Визначте силу струму та потужність блискавки. Визначте енергію, яка виділяється при спалаху блискавки, якщо вона складається з 5 розрядів.

Це цікаво

Україна має унікальні досягнення в галузі електрозварювання, які використовуються в усьому світі. Ця проблематика розробляється в Інституті електрозварювання Національної академії наук. Його фундатором та першим директором був академік Євген Оскарович Патон — відомий учений у галузі зварювальних процесів і мостобудування.

У 1930-х роках Є. О. Патон розвинув ідеї М. Бенардоса та створив метод швидкісного автоматичного зварювання під шаром флюсу, який дістав назву «метод Патона». У роки Другої світової війни розробив і впровадив технологію та обладнання для зварювання спеціальних сталей, зокрема, для танкових башт.

У 1953 р. ім’ям Є. О. Патона названо міст через Дніпро в Києві, який споруджувався під його керівництвом (рис. 35.10).

Науковцями Інституту електрозварювання, який очолює Борис Євгенович Патон, президент Національної академії наук України, розробляються актуальні науково-практичні проблеми.

Створено унікальні технології електрозварювання: «мокрого зварювання» (підводне зварювання трубопроводів високого тиску, ремонт корпусів морських суден на плаву, бурових платформ); зварювання нержавіючих сталей та титанових сплавів в умовах космічного вакууму та невагомості; технологія наплавлювання тонкоплівкових покриттів в умовах орбітального польоту; зварювання у відкритому космосі за допомогою універсального електронно-променевого приладу; розроблення зварних конструкцій, що розгортаються у відкритому космосі (рис. 35.11).