Природа электрического тока в жидкостях

Введение

С электропроводностью растворов солей в воде (электролитов) связано очень многое в нашей жизни. С первого удара сердца («живое» электричество в теле человека, на 80% состоящем из воды) до автомобилей на улице, плееров и мобильных телефонов (неотъемлимой частью этих устройств являются «батарейки» – электрохимические элменты питания и различные аккумуляторы – от свинцово-кислотных в автомобилях до литий-полимерных в самых дорогих мобильных телефонах). В огромных, дымящихся ядовитыми парами чанах из расплавленного при огромной температуре боксита электролизом получают алюминий – «крылатый» металл для самолётов и банок для «Фанты». Все вокруг – от хромированной решетки радиатора иномарки до посеребрённой серёжки в ухе когда-либо сталкивалось с раствором или расплавом солей, а следовательно и с электротоком в жидкостях. Не зря это явление изучает целая наука – электрохимия. Но нас сейчас больше интересуют физические основы этого явления.
1. Природа электрического тока в жидкостях

Происхождение электрического тока (движение электрических зарядов) через раствор существенно отличается от движения электрических зарядов по металлическому проводнику.

Различие, прежде всего в том, что зарядоносителями в растворах являются не электроны, а ионы, т.е. сами атомы или молекулы, потерявшие или захватившие один или несколько электронов.

Естественно, это движение, так или иначе, сопровождается изменением свойств самого вещества.

Рассмотрим электрическую цепь, элементом которой является сосуд с раствором поваренной соли и с вставленными в него электродами любой формы из пластины. При подключении к источнику питания в цепи появляется ток, представляющий собой в растворе движение тяжелых заряженных частиц – ионов. Появление ионов уже означает возможность химического разложения раствора на два основных элемента – Na и Cl. Натрий, потерявший электрон, представляет собой положительно заряженный ион, движущийся к электроду, который подключен к отрицательному полюсу источника питания, электрической цепи. Хлор, «узурпировавший» электрон, представляет собой отрицательный ион.

Отрицательные ионы хлора движутся к электроду, который подключен к положительному полюсу источника питания эл. цепи.

Образование положительных и отрицательных ионов происходит вследствие самопроизвольного распада молекулы поваренной соли в водном растворе (электролитическая диссоциация). Движение ионов обусловлено напряжением, поданным на электроды, опущенные в раствор. Достигнув электродов, ионы забирают или отдают электроны, образуя соответственно молекулы Cl и Na. Подобные явления наблюдаются в растворах многих других веществ. Молекулы этих веществ, подобно молекулам поваренной соли, состоят из противоположно заряженных ионов, на которые они и распадаются в растворах. Количество распавшихся молекул, точнее, число ионов, характеризует электрическое сопротивление раствора.

Ещё раз подчеркнём, что происхождение электрического тока по цепи, элементом которой является раствор, вызывает перемещение вещества этого элемента электрической цепи, и, следовательно, изменение его химический свойств, в то время, как при прохождении электрического тока по металлическому проводнику никаких изменений в проводнике не происходит.

От чего зависит количество вещества, выделяющегося при электролизе на электродах? Впервые на этот вопрос ответил Фарадей. Фарадей показал экспериментально, что масса выделяемого вещества связана с силой тока и временем его протекания t соотношением (закон Фарадея):

M = kq

Масса выделяющегося вещества при электролизе вещества прямо пропорциональна количеству прошедшего через электролит электричества и не зависит от других причин, кроме рода вещества.

Указанную закономерность можно проверить на следующих опытах. Нальём в несколько ванн один и тот же электролит, но разной концентрации. Опустим в ванны электроды, имеющие разную площадь, и расположим их в ванных на разных расстояниях. Соединим все ванны последовательно и пропустим через них ток. Тогда через каждую из ванн, очевидно, пройдёт одинаковое количество электричества. Взвесив катоды до и после опыта, мы обнаружим, что на всех катодах выделилось одинаковое количество вещества. Соединив все ванны параллельно и пропустив через них ток, можно убедиться, что количество вещества, выделившегося на катодах, прямо пропорционально количеству электричества, прошедшему через каждую из них. Наконец, соединив последовательно ванны с различными электролитами, легко установить, что количество выделившегося вещества зависит от рода этого вещества.

Величина, характеризующая зависимость количества выделяющегося при электролизе вещества от его рода, называется электрохимическим эквивалентом и обозначается буквой к.               Электрохимический эквивалент вещества измеряется массой вещества, выделяющегося на электроде при прохождении через электролит единицы количества электричества.

Масса вещества, выделяющегося при электролизе, представляет собой общую массу всех разрядившихся на электроде ионов. Подвергая электролизу разные соли, можно на опыте установить количество электричества, которое должно пройти через электролит, чтобы выделился один килограмм – эквивалент данного вещества. Такие опыты впервые проделал Фарадей. Он нашел, что для выделения одного килограмм – эквивалента любого вещества при электролизе требуется одинаковые количества электричества, равные 9,65·10 7 к.

Количество электричества, необходимое для выделения при электролизе килограмм – эквивалента вещества, называется числом Фарадея и обозначается буквой F:

F = 9,65·10 7 к.

В электролите ион оказывается окруженным молекулами растворителя (воды), обладающими значительными дипольными моментами. Взаимодействуя с ионом, дипольные молекулы поворачиваются к нему своими концами, имеющими заряд, знак которого противоположен заряду иона, поэтому упорядочное движение иона в электрическом поле затрудняется, и подвижность ионов значительно уступает подвижности электронов проводимости в металле. Так как и концентрация ионов обычно не велика по сравнению с концентрацией электронов в металле, то электрическая проводимость у электролитов всегда существенно меньше электрической проводимости металлов.

Вследствие сильного нагревания током в электролитах достижимы лишь незначительные плотности тока, т.е. небольшие напряженности электрического поля. При повышении температуры электролита упорядоченная ориентация диполей растворителя ухудшается под влиянием усилившегося беспорядочного движения молекул, поэтому дипольная оболочка частично разрушается, подвижность ионов и проводимость раствора увеличивается. Зависимость удельной электрической проводимости от концентрации при неизменной температуре сложна. Если растворение возможно в любых пропорциях, то при некоторой концентрации электрическая проводимость имеет максимум. Причина этого такова: вероятность распада молекул на ионы пропорциональна числу молекул растворителя и числу молекул растворимого вещества в единице объёма. Но возможен и обратный процесс: (рекомбинация ионов в молекулы), вероятность которого пропорциональна квадрату числа пар ионов. Наконец, электрическая проводимость пропорциональна числу пар ионов в единице объёма. Поэтому, при малых концентрациях диссоциация полная, но общее число ионов мало. При очень больших концентрациях диссоциация слабая и число ионов также невелико. Если растворимость вещества ограничена, то обычно максимума электрической проводимости не наблюдается. При замораживании вязкость водного раствора резко возрастает, подвижность ионов резко уменьшается, и удельная электрическая проводимость падает в тысячу раз. При затвердевании же жидких металлов подвижность электронов и удельная электрическая проводимость почти не изменяется.

Электролиз широко применяется в различных электрохимических производствах. Важнейшие из них: электролитическое получение металлов из водных растворов их солей и из их расплавленных солей; электролиз хлористых солей; электролитическое окисление и восстановление; получение водорода электролизом; гальваностегия; гальванопластика; электрополировка. Методом рафинирования получают чистый металл, очищенный от примесей. Гальваностегия – покрытие металлических предметов другим слоем металла. Гальванопластикой – получение металлических копий с рельефных изображений каких-либо поверхностей. Электрополировка – выравнивание металлических поверхностей.

2. Применение электролита в технике.

Очень часто мне приходилось общаться по поводу электролитов с различными людьми. Вот и сейчас хочу обратить ваше внимание на этот интересный вопрос.

Если с аккумуляторами раньше сталкивались только автомобилисты и некоторые радиолюбители, то сейчас аккумулятор можно найти почти в каждой квартире. И хорошо, если вам не надо следить за электролитом. Но вот аккумулятор перестает работать и вы решите не купить новый, а его восстановить. Вот тут и начинаются мучения.

Прежде, если все таки решились восстановить аккумулятор, надо выяснить в чем причина выхода его из строя. Если замкнуло либо осыпались пластины, то скорее всего даже при замене электролита реанимировать его не удастся.

В том случае, когда для восстановления работоспособности необходимо что-то сделать с электролитом, нужно решить основные задачи: какой именно электролит в аккумуляторе, какова его плотность и что нужно сделать.

Вопрос какой именно электролит не праздный, так как известны случаи что в кислотный аккумулятор доливали щелочной электролит и наоборот. Последствия, как вы сами понимаете, могут серьезно повлиять на ваше здоровье. И если вы не совсем уверены какой именно электролит, то предлагаю несколько простых тестов:

Кислотный электролит дает с универсальной индикаторной бумажкой красный цвет. Если у вас нет индикаторов, то можно капнуть электролитом на мел, известку, просто на землю (обычно в земле присутствуют вещества, реагирующие с серной кислотой с выделением пузырьков газа).

Щелочной электролит не реагирует с вышеперечисленными веществами, дает с универсальной индикаторной бумажкой синий или фиолетовый цвет. В конце концов, щелочной электролит мыльный на ощупь и долго не смывается с рук.

После того, как вы все таки определили какой именно тип электролита, необходимо определить его плотность. Для этого вам понадобится ареометр.

Если это кислотный аккумулятор, то плотность электролита должна составлять 1,25-1,27 г/см3. Причем плотность должна замеряться при температуре 20 0С. Если же температура электролита отличается от 20 0С, то необходимо вносить поправку (таблица 1).

Таблица 1.

Температурная поправка к показаниям ареометра.

При приготовлении кислотного электролита необходимо использовать только дистиллированную воду и серную кислоту, не содержащую железа.

При приготовлении кислотного электролита нужно обязательно вливать кислоту в воду тонкой струей !!

Необходимо учесть, что при растворении серной кислоты выделяется теплота, которая при резком вливании всей кислоты, может вызвать либо плавление пластиковой посуды, либо разрушение стекла.

Еще один важный момент - при смешении серной кислоты с водой происходит взаимное растворение, так что полученный объем электролита будет всегда меньше суммы объемов смешиваемых жидкостей. Поэтому приводим таблицу 2, в котором представлены соотношения объемов воды и серной кислоты для приготовления 1 литра электролита.

Таблица 2.

Отношение серной кислоты и дистиллята для приготовления 1 л электролита различной плотности.

Как вы видите, довольно сложно выдержать необходимые соотношения, поэтому, после приготовления электролита, обязательно необходимо проконтролировать получившийся электролит по плотности ареометром. А затем, после первой зарядки аккумулятора, опять замерить плотность - получившееся значение не должно превышать данные в таблице 3. Если значение превышает, то плотность электролита нужно понизить разбавлением дистиллированной водой. Если значение ниже, то плотность электролита недостаточная или аккумулятор еще не полностью зарядился.

Таблица 3.

Рекомендуемая плотность  кислотного электролита для различных климатических условий.

Для щелочных аккумуляторов применяется два вида электролитов: калиевый и натриевый.

Основная плотность щелочных электролитов лежит в пределах 1,19-1,21г/см3, но состав несколько различается. Так натриевый электролит готовят из гидроокиси натрия и дистиллированной воды, а вот калиевый электролит дополнительно содержит 1% раствор гидроокиси лития, который значительно повышает характеристики электролита.

Соотношение компонентов для приготовления щелочных электролитов, как натриевого, так и калиевого, приведены в таблице 4. Добавление гидроокиси лития не влияет на плотность, поэтому ее можно добавлять уже после приготовления калиевого электролита необходимой плотности.

Раньше в продаже встречался калиевый и натриевый электролиты плотностью около 1,4 г/см3, но они в основном использовались для приготовления электролитов плотностью 1,19-1,21, путем разбавления, да гидроокиси лития такой калиевый электролит не содержит.

Хочется еще раз напомнить о технике безопасности при обращении с щелочными электролитами. Гидроокиси натрия, калия, лития являются едкими веществами и вызывают долгозаживающие  ожоги, к тому же очень болезненные. И особенно, Берегите глаза! У щелочей скверная привычка даже в малой концентрации разъедать ткани, так что при попадании в глаза щелочи почти 100% вероятность лишиться зрения! Поэтому без защитных очков лучше электролитами не заниматься!

Заключение

Электролитами называют вещества, растворы и сплавы которых с другими веществами электролитически проводят гальванический ток.

Термин электролит введен в науку Фарадеем. К.Э. К электролитам до самого последнего времени относили типичные соли, кислоты и щелочи, а также воду. Исследования неводных растворов, а также исследования при очень высоких температурах значительно расширили эту область.

И.А. Каблуков, Кади, Карара, П. И. Вальден и др. показали, что не только водные и спиртовые растворы заметно проводят ток, но также растворы в целом ряде других веществ, как например, в жидком аммиаке, жидком сернистом ангидриде и т. п.

Найдено также, что многие вещества и смеси их, превосходные изоляторы при обыкновенной температуре как например, безводные окислы металлов (окись кальция, магния и др.), при повышении температуры становятся электролитическими проводниками.

И напоследок считаю нужным сказать об определении электролитов, данном маститым Гитторфом пятьдесят лет тому назад: “Электролиты — это соли”. Этим определением Гитторф частью предвосхитил современную теорию электролитической диссоциации, указав на то, что типичное свойство солей, которое мы теперь определяем, как способность к электролитической диссоциации, должно быть признаком всякого электролита.

Список литературы

1. Гуревич А. Е. «Физика. Электромагнитные явления. 8 класс» Москва,

Издательский дом «Дрофа». 1999 год.

2. Габриэлян О. С. «Химия. 8 класс» Москва, Издательский дом «Дрофа». 1997 год.

3. «Элементарный учебник физики под редакцией академика Г. С. Ландсберга - Том II – электричество и магнетизм». Москва, «Наука» 1972 год