Билет 40 Электрический ток в жидкостях. Я вление электролиза. Законы фарадея

Что такое вакуум?
- это такая степень разрежения газа, при которой соударений молекул практически нет;

- электрический ток невозможен, т.к. возможное количество ионизированных молекул не может обеспечить электропроводность;
- создать эл.ток в вакууме можно, если использовать источник заряженных частиц;
- действие источника заряженных частиц может быть основано на явлении термоэлектронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия

- это испускание электронов твердыми или жидкими телами при их нагревании до температур, соответствующих видимому свечению раскаленного металла.
Нагретый металлический электрод непрерывно испускает электроны, образуя вокруг себя электронное облако.
В равновесном состоянии число электронов, покинувших электрод, равно числу электронов, возвратившихся на него (т.к. электрод при потере электронов заряжается положительно).
Чем выше температура металла, тем выше плотность электронного облака.

Вакуумный диод

Электрический ток в вакууме возможен в электронных лампах.
Электронная лампа - это устройство, в котором применяется явление термоэлектронной эмиссии.

Вакуумный диод - это двухэлектродная (А- анод и К - катод) электронная лампа.
Внутри стеклянного баллона создается очень низкое давление

Н - нить накала, помещенная внутрь катода для его нагревания. Поверхность нагретого катода испускает электроны. Если анод соединен с + источника тока, а катод с -, то в цепи протекает
постоянный термоэлектронный ток. Вакуумный диод обладает односторонней проводимостью.
Т.е. ток в аноде возможен, если потенциал анода выше потенциала катода. В этом случае электроны из электронного облака притягиваются к аноду, создавая эл.ток в вакууме.

Вольтамперная характеристика вакуумного диода.

При малых напряжениях на аноде не все электроны, испускаемые катодом, достигают анода, и электрический ток небольшой. При больших напряжениях ток достигает насыщения, т.е. максимального значения.
Вакуумный диод используется для выпрямления переменного тока.

Ток на входе диодного выпрямителя:

Ток на выходе выпрямителя:

Электронные пучки

- это поток быстро летящих электронов в электронных лампах и газоразрядных устройствах.

Свойства электронных пучков:

- отклоняются в электрических полях;
- отклоняются в магнитных полях под действием силы Лоренца;
- при торможении пучка, попадающего на вещество возникает рентгеновское излучение;
- вызывает свечение (люминисценцию) некоторых твердых и жидких тел (люминофоров);
- нагревают вещество, попадая на него.

Электронно - лучевая трубка (ЭЛТ)

- используются явления термоэлектронной эмиссии и свойства электронных пучков.

ЭЛТ состоит из электронной пушки, горизонтальных и вертикальных отклоняющих
пластин-электродов и экрана.
В электронной пушке электроны, испускаемые подогревным катодом, проходят через управляющий электрод-сетку и ускоряются анодами. Электронная пушка фокусирует электронный пучок в точку и изменяет яркость свечения на экране. Отклоняющие горизонтальные и вертикальные пластины позволяют перемещать электронный пучок на экране в любую точку экрана. Экран трубки покрыт люминофором, который начинает светиться при бомбардировке его электронами.

Существуют два вида трубок:

1) с электростатическим управлением электронного пучка (отклонение эл. пучка только лишь эл.полем);
2) с электромагнитным управлением (добавляются магнитные отклоняющие катушки).

Основное применение ЭЛТ:

кинескопы в телеаппаратуре;
дисплеи ЭВМ;
электронные осциллографы в измерительной технике.

Ученым XIX века было известно одно явление, для которого был установлен закон, количественно связывающий количество электричества, проходящее через электролит, с результатом действия тока - явление электролиза.

Уже Фарадей пытался пользоваться им и для измерения тока, но, кроме того, что этот способ измерения был крайне неудобен для практического использования, его применения вызывали ряд недоразумений, связанных с незнанием или неправильным пониманием законов, управляющих электрическим током в цепях.

Явление электролиза для определения количеств электричества Фарадей предложил применять еще в 1834 г., после того, как он установил основной закон электролиза, сформулированный им так: «Химическое действие электрического тока прямо пропорционально абсолютному количеству проходящего электричества».

«На основе этого закона, - пишет Фарадей, - я решил построить прибор для измерения проходящего через него электричества, чтобы он, будучи включен в цепь тока при любом частном опыте, служил по желанию либо для сравнительной оценки действия, либо для положительного измерения этого тончайшего агента».

«Нет вещества, - говорит дальше Фарадей, - которое при обычных условиях было бы более пригодно в качестве индикатора в таком приборе, чем вода... я считаю, что предыдущее исследование в достаточной степени доказывает чрезвычайно важный принцип в отношении воды, а именно, что количество воды, разложенной под влиянием электрического тока, в точности пропорционально прошедшему количеству электричества».

Соотношения между количеством электричества, прошедшего через раствор или расплав электролита, и количеством вещества, выделившегося при электролизе, были открыты английским физиком М. Фарадеем в 30-х годах XIX века и сформулированы в виде законов.

1-й закон Фарадея: мacca вeщecтвa, испытaвшeгo элeктрoxимичecкoe прeврaщeниe нa элeктрoдe, прямo прoпoрциoнaльнo кoличeству прoшeдшeгo элeктричeствa:

m = M_э·I·τ / F

где m – масса вещества, г; M_э– молярная масса эквивалента вещества, г/моль; I – сила тока, А; τ – время процесса, с; F – постоянная Фарадея, равная 96485 Кл/моль.

Единицы количества электричества: 1 фарадей = 96485 кулонов = 26,8 ампер-часа; 1 ампер-час (а-ч) = 3600 кулонов.

Один фарадей электричества выделяет один моль эквивалента вещества. Количество вещества, выделяемого одним кулоном электричества, называется электрохимическим эквивалентом данного вещества.

Произведение силы тока (I) на время (τ) равняется количеству электричества (Q), прошедшего через цепь.

Молярную массу эквивалента вещества (M_э) можно рассчитать исходя

из молярной массы вещества (М) и количества электронов, участвующих в

электродном процессе (n):

M_э = M/n

Для расчёта количества выделяющихся при электролизе газов удобнее пользоватьсяэквивалентным объёмом:

V = V_э·I·τ / F

где V – объём выделяющегося газа, л; V_э– объем одного моля эквивалента газа, л/моль.

Объем одного моля эквивалента газа рассчитывается путем деления молярного объема газа на число электронов, участвующих в полуреакции получении соответствующего газа на электроде.

V_э(H₂)= 11,2 л/моль;

V_э(О₂)= 5,6л/моль;

V_э(СI₂)= 11,2 л/моль/

Пример 1. Определите массу и объем продуктов электролиза раствора хлорида меди (II) с инертными электродами, если через раствор пропустили ток силой 2А в течение 1 часа.

Решение:

Суммарное уравнение электролиза:CuCl₂ = Сu + Сl₂

Расчет массы и объема продуктов электролиза:

m(Cu) = M(Cu)·I·τ / nF = 64·2·60·60 / 2·96500 = 2,39 г

V (Сl₂)= V_m·I·τ / n·F = 22,4·2·60·60 / 2·96500 = 0,84 л.

Пример 2. Найти объем кислорода (условия нормальные), который выделится при пропускании тока силой 6А в течение 30 мин через водный раствор KOH.

Решение: При вычислении объемов выделившихся газов воспользуемся уравнением:

V = V_э·I·τ / F,

Поскольку объем одного моля эквивалента кислорода равен 5,6 л/моль, то получим

V (Сl₂)= 5,6·5·1800 / 2·96500 = 0,62 л.

2-й закон Фарадея: массы прореагировавших на электродах веществ, при постоянном количестве электричества, относятся друг к другу как их молярные массы эквивалентов:

m₁: m₂: m₃ = M_э1: M_э2:M_э3

Билет 41

Дата добавления: 2014-01-04