kursovik (732172), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

1.11. Электрический ток в электролитах. Закон электролиза

(закон Фарадея).

Растворы, проводящие электрический ток, называются электролитами. Ток в электролите обусловлен движением поло­жительных и отрицательных ионов, т.е. осуществляется ионной

проводимостью.

Электролитами являются растворы кислот, щелочей и солей, а также расплавленные соли. Электролиты иначе называют про­водниками II рода (проводники с ионной проводимостью). Про­хождение тока в электролитах связано с переносом вещества.

Ионами называют атомы или молекулы, потерявшие или присоединившие к себе один или несколько электронов. Положи­тельно заряженные ионы называют иначе катионами (ионы ме­таллов в растворах солей, водорода в растворе кислот), а отрица­тельно заряженные — анионами (ионы кислотных остатков и гидроксильной группы ОН~).

Пластины, создающие электрическое поле в электролите, на­зывают электродами. Электрод, который соединен с положитель­ным полюсом источника тока, называется анодом, а электрод, соединенный с отрицательным полюсом, — катодом. Возникно­вение ионов в электролитах объясняется процессом электролити­ческой диссоциации — распадом молекул растворенного вещест­ва на положительные и отрицательные ионы под действием растворителя. Молекулы растворяемых веществ состоят из взаи­мосвязанных ионов противоположного знака, которые удерживаются друг около друга электри­ческими силами притяжения.

Взаимодействие этих молекул с полярными молекулами рас­творителя — воды — приводит к уменьшению силы взаимодейст­вия притяжения ионов в молекулах (диэлектрическая проницае­мость воды равна 81). При хаотическом тепловом движении молекул растворенных веществ и растворителей происходят их столкновения, которые приводят к распаду молекул на отдельные разноименно заряженные ионы.

Степенью диссоциации, а называют долю молекул растворен­ного вещества, распадающихся на ионы, т.е. это отношение числа молекул п, диссоциировавших на ионы, к общему числу молекул растворенного вещества N

Степень диссоциации зависит от температуры, диэлектричес­кой проницаемости растворителя и концентрации электролита. При повышении температуры степень диссоциации возрастает, т.к. тепловое движение способствует разрыву молекул на ионы и, следовательно, концентрация ионов увеличивается. Чем больше диэлектрическая проницаемость £ растворителя, тем выше сте­пень диссоциации, поскольку сила взаимодействия ионов в моле­куле электролита в растворе уменьшена b£ раз.

Ионы разных знаков могут объединяться (рекомбинировать) в нейтральные молекулы при тепловом хаотическом движении ионов в растворе. В результате в растворе при неизменных усло­виях устанавливается динамическое равновесие между процесса­ми электролитической диссоциации и рекомбинации ионов, при котором число молекул, распадающихся на ионы в единицу вре­мени, равно числу пар ионов, которые за это время воссоединяют­ся в нейтральные молекулы- Ионы в электролитах движутся хао­тически до тех пор, пока в жидкость не опускаются электроды. Тогда на хаотическое движение ионов накладывается их упорядо­ченное движение к соответствующим электродам. В жидкости при этом возникает электрический ток.

Прохождение тока через электролит сопровождается выделе­нием на электродах составных частей растворенного вещества — электролизом. Положительно заряженные ионы (катионы) дви­жутся к катоду и приобретают на этом электроде недостающие электроны. Отрицательно заряженные ионы (анионы) отдают аноду лишние электроны. Таким образом, на аноде происходит реакция окисления, а на катоде — восстановления.

Электролизом называют процесс выделения на электродах веществ, связанный с окислительно-восстановительными реак­циями.

Количественные характеристики электролиза определяются законами электролиза (законами Фарадея).

Первый закон электролиза (первый закон Фарадея)

Масса вещества, выделившегося на электроде за время Д? при прохождении электрического тока, пропорциональна силе тока и времени.

Коэффициент пропорциональности k называется электрохи­мическим эквивалентом вещества. Он численно равен массе

вещества, которые выделяется при переносе ионами через электро­лит единичного заряда. Единица измерения электрохимического эквивалента k = [кг/Кл].

Второй закон электролиза (второй закон Фарадея) устанавливает пропорциональность между электрохимическим и химическим эквивалентом вещества:

k =1/eN_a *  / n

где/; — молярная масса вещества, п — валентность, N_a — число Авогадро, e— заряд электрона,  / n — химический эквивалент (или грамм-эквивалент) вещества.

Произведение заряда электрона на постоянную Авогадро носит название постоянной (числа) Фарадея:

F=e N_a

Законы Фарадея можно объединить выражением:

т. = 1/F *  / n It

Это выражение называют объединенным законом электроли­за Фарадея.

Постоянная Фарадея численно равна электрическому заряду, который нужно пропустить через электролит для выделения на электроде массы любого вещества, равной в килограммах отноше­нию молярной массы вещества к валентности. Значение числа Фарадея в СИ:

F = 96485 Кл/моль

Электрический заряд q любого иона согласно объединенному закону Фарадея равен:

q= +- nF/ N_a

Заряд одновалентного иона (л = 1) равен по абсолютному зна­чению заряду электрона:

q=e=1,602*10^-19 Kл

Таким образом, любой электрический заряд является крат­ным элементарному заряду — заряду электрона е.

Электролиз широко применяется в различных электрохими­ческих производствах. Например, это электролитическое получе­ние металлов из водных растворов их солей и из расплавленных солей; гальваностегия, гальванопластика, электрополировка. Электролитическое получение металлов из водных растворов их солей может быть осуществлено рафинированием или электроэкстракцией.

Рафинирование представляет собой очищение металла от не­большого количества примесей путем электролиза с активным анодом (в качестве анодов в электролитическую ванну помещают металл с примесями), электролитом служит раствор соли очища­емого металла. При электролизе такой анод растворяется, приме­си оседают на дно, а на катоде выделяется чистый металл. Рафи­нированием получают чистые медь, серебро и золото.

Электроэкстракцией называется извлечение металла из электролита при неактивном аноде. Электролитом служит вод­ный раствор соли металла, выделяющегося на катоде, а на аноде выделяются кислород или хлор. Таким способом получают чис­тые цинк и никель.

Электролиз расплавленных солей проводится с помощью не­активных (угольных) электродов и при высокой температуре, применяется при добывании металлов, реагирующих с водой и поэтому не выделяющихся из водных растворов. Таким путем добывают магний, алюминий, бериллий, литий, калий, кальций и другие металлы.

Гальваностегией называется покрытие металлических пред­метов слоем другого металла с помощью электролиза на активном аноде. Таким путем пользуются для покрытия предметов не окис­ляющимся на воздухе металлом, чтобы предохранить их от кор­розии. Например, при никелировании, хромировании и т.д. Галь­ваностегией также пользуются для изготовления украшений (серебрение и золочение).

Гальванопластикой называется получение металлических копий с рельефных изображений на каких-либо поверхностях путем электролиза при активном катоде. Гальванопластика имеет большое значение, например, для изготовления клише, применяемых в литографии.

Электрополировка заключается в выравнивании металличес­кой поверхности с помощью электролиза. В электролитическую ванну в качестве анода опускается предмет, поверхность которого должна быть отполирована. При электролизе в раствор уходит больше всего вещества с выступающих неровностей на поверхнос­ти анода, т.е. происходит его полировка.

2 Расчётная часть

2.1Задание на курсовую работу

Расчет разветвлённой электрической цепи постоянного тока.

Для заданной электрической цепи необходимо:

1. Записать систему уравнений по законам Кирхгофа (без расчетов);

2. Определить все токи и напряжения методами контурных токов и узловых потенциалов;

3. Проверить результаты расчетов по уравнениям баланса мощностей;

4. Построить потенциальные диаграммы для двух замкнутых контуров.

ЭДС=E1=E2=50 В

Резисторы R1=12 Ом

R2=24 Ом

R3=15 Ом

R4=18 Ом

R5=30 Ом

R6=30 Ом

R7=30 Ом

2.2 Составление уравнений по двум законам Кирхгофа.

З
аписываем уравнения по первому закону Кирхгофа для любых двух узлов:

Узел А: I1+I2+I3=0

Узел B: I3+I4+I5=0

1. Выбираем независимые контуры и направления их обходов.

3) Записываем уравнения по второму закону Кирхгофа для выбранных независимых контуров.

I1*(R1+R6)-I2*R3=E1

I3*R2+I2*R3-I4*R4=0

I4*R4-I5*R7-I5*R5=E2

4) Подставим численное значение:

I1+I2-I3=0

I3+I4+I5=0

I1*(12+30)-I2*15=50

I3*24+I2*15-I4*18=0

I4*18-I5*30-I5*30=50

2.3 Определение всех токов и напряжений методами контурных

токов.

1. Выбираем независимые контуры:

R6,E1,R1,R6;

R3,R2,R4;

R4,E2,R5,R7;

1. Полагаем, что в каждом контуре течет свой контурный ток: I11,I22,I33.

1. Произвольно выбираем их направления.

1. Записываем уравнения по второму закону Кирхгофа относительно контурных токов, для выбранных независимых контуров:

I11(R1+R3+R6)-I22*R3=E1

I22(R2+R3+R4)-I11*R3-I33*R4=0

I33(R4+R5+R7)-I22*R4=E2

Подставим численные значения:

I11*57-I22*15+0=50

-I11*15+I22*57-I33*18=0

0-I22*18+I33*78=50

1. Решаем полученную систему уравнений через определители:

Главный определитель:

|57 -15 0|

= |-15 57 -18| = 253422+0+0-0-17550-18468=217404

|0 -18 78|

Вспомогательный определитель 1:

|50 -15 0|

1= |0 57 -32| = 222300+0+13500-0-0-16200=219600

|50 -18 78|

Вспомогательный определитель 2:

|57 50 0|
2= |-15 0 -18| = 0+0+0-0-(-58500)-(-51300)=109800

|0 50 78|

Вспомогательный определитель 3:

|57 15 50|
3= |-15 57 0| = 162450+13500+0-0-11250-0=164700

|0 -18 50|

I11=1/=219600/217404=1.01(A)

I22=2/=109800/217404=0.505 (A)

I33=3/=-164700/217404=0.757 (A)

I1=I11=1.01 (A)

I2=I22=-0.505 (A)

I3=I11-I22=1.01-0.505=0.505 (A)

I4=I22-I33=0.505-0.757=-0.252 (A)

I5=I33=0.757 (A)

6)Энергетический баланс мощностей

На основании закона сохранения энергии количество теплоты выделяющиеся в единицу времени на резисторах должно равняться

энергии доставляемой за это же время источниками энергии.

IE=I²R

E1*I1+E2*I5=I1² *(R1+R5)+I2^2*R2+I3² *R3+I4²*R4+I5²*(R5+R7)

50.5+37.5=32.64+6.120+3.825+0.068+34.382

88.35=77.055 (Вт)

2.4 Метод узловых потенциалов.

1
) Выбираем базисный узел (целесообразно за базисный принимать тот узел, в котором пересекается больше всего ветвей):

V3=0

2) Задаемся положительными направлениями узловых потенциалов от базисного узла.

3) Записываем собственные и взаимные проводимости узлов, исключая базисный:

g11=0.0238+0.0416+0.0666=0.132 (Сим)

g22=0.0416+0.0555+0.0166=0.1137 (Сим)

g12=0.0416 (Сим)

4) Введем узловые токи для всех узлов, исключая базисный:

I11,I22

I11=1.1904 (A)

I22= -0.8333 (A)

Узловой ток равен алгебраической сумме токов от действия ЭДС ветвей пересекающихся в данном узле.

Если ЭДС направлено к узлу, то ЭДС записываем со знаком «+»,
в противном случае «-».

1. Записываем систему уравнений:

V1*g11-V2*g12=I11

V2*g22+V1*g21=I22

g12=g21=0.0416 (Сим)

V1*0.132+V2*(-0.0416)=1.1904

V2*0.1137+V1*(-0.0416)= -0,8333

V1*0.132-V2*0.0416=1.1904

-V1*(-0.0416)+V1*0.132= -0.8333

|0.132 -0.0416|

= |-0.0416 0.132| = 0.0174-0.0174=0.0157

|1.1904 -0.0416|

1= |-0.8333 0.132| = 0.1571+0.0346=0.1225

|0.132 1.1904|

2= |-0.0416 -0.8333| = (-0.1099)-(-0.0495)= -0.0604

V1=1/= 0.125/0.0157= 7.8025

V2=2/= -0.0604/0.0157= -3.8471

Характеристики

Список файлов реферата