Савельев - Курс общей физики Том 2 - Электричество (934756), страница 47
Текст из файла (страница 47)
8 81. Законы Фарадея Законы электролиза были установлены экспериментально Фарадеем в 1836 г. Эти законы очень просты. Первый из иих утверждает, что количество выделившегося на электроде вещества пропорционально заряду, прошедшему через электролит: с пг = Кд = К ~ 1 дг; о (81,1) здесь тп — масса выделившегося вещества, К вЂ” коэффициент, зависящий от природы вещества и называемый его електрох им и чески м эх в ив а лентам.
При д = 1 масса пг численно равна К. Следовательно, электрохимнчесинй эквивалент представляет собой массу вещества, выделяющегося на электроде при прохождении через электролит заряда, равного единице. Второй закон Фарадея связывает элехтрохимический эквивалент К вещества с его химическим эквивалентом А/л (А — атомный вес, е — валентность данного веще- 1 А К= —— Р з (81.2) Подставив выражение (8!.2) н фор1 у (81.1), мы объединим оба закона.
В результате пол тся (8!.3) Прн в, численно равном Р, масса лг численно совпадает с А/г. Таким образом, для выделения на электроде килограмм-эквивалента или грамм-эквивалента любого вещества требуется пропустить через электролит одно н то же количество электричества, численно равное Р. Опытным путем устанонлено, что )с зб 49У 1()з кУлон кнлогрзмм-эквнвалент (приближенно 96;5 ° 1Вз — ) (81.4) нлн кулон грамм-эквивалент ') Хнмнческнм экэнвалентом элемента называется безразмерная велнчнна, численно равная массе данного элемента„выраженной в граммах (нлн в килограммах), которая замещает в хнмвческнх соединениях 1,0078 е (соответственно кг) водорода.
Валентностью з элемента называется число атомов водорода) которое замещается в химических соеднненнях одним атомом данного элемента. Для однозаленгного элемевта хнмнческяй эквнвалент равен его атомному весу. для х-валентного элемента химический эквнвач лент авен А/ж А олнчество элемента, масса которого, выраженная в граммах, численно равна химическому эквиваленту, называется г р а м мзквнвалентом. Колвчество вещества, масса которого равна А/я килограммов, называется килограмм-эквивалентом. Понятие химического эквивалента, а также грамм-эквивалента н кнлограмм-эквнвалента может быть распространеао танке нз тв группировки атомов, которые выделяются прн электролизе на влек.
тродах, ства)'). Этот закон гласит, что электрохимические эквиваленты всех веществ пропорциональны их химическим эквивалентам. Коэффициент пропорциональности пишут в виде 1/Р. Величину Р называют ч н с л о м Ф а р а д е я. Выражение второго закона Фарадея теперь выглядит следующим образом: Законы Фарадея сыгралн большую роль в установлении атомной (т. е. дискретной) природы электричества. Килограмм-эквивалент любого вещества содержит %' = Ил(з атомов (А1„— число Авогадро). Следовательно, Ил!а ионов переносят заряд, равный Г.
Па долю каждого иона приходится заряд Р г" е'= —, = — а. 1Ч' 1Ч, Таким образом, заряд иона оказывается целым кратным заряда е= —, е' (81.5) 1т в который, очевидно, представляет собой элементарный заряд. Предоставляем читателю убедиться в том, что под- становка а (81.5) значения (81.4) для Г н А'з = 6,02 Х Х 10м киломаль-' приводит к величине элементарного заряда (66.!!).
Соотношение (8!.5) было использовано для опреде- ления числа Авогадро. При этом было взято значение Е, найденное из опытов по электролизу, и значение е, полу- ченное Милликенам (см. $66). ф 82. Электролитнческая проводимость При вкт~ачении электрического поля иа хаотическое тепловое движение ионов накладывается упорядоченное движение — положительных ионов в направлении поля, отрицательных — против направления пали. Размеры ионов (а тем более сольватав) гораздо больше размеров электрона, поэтому окружающие ион молекулы оказывают на него непрерывно воздействие (напамним, чта движение электронов в металлах в промежутках между соударениями с ионами решетки можно было считать свободным). Эта воздействие приводит к тому, что ион, подобно шарику в вязкой среде, испытывает при своем движении сопротивление, пропорциональное скорости.
Следовательно, каждому значению напряженности паля Е соответствует сное значение скорости установившегося равномерного движения ионов и, определяемое усло-' вием е'Е= йи, где в' — заряд иона, /с — коэффициент пропорциональности между скоростью иона и силой сопротивления среды движению иона. Таким образом, под действием поля напряженности Е ион будет двигаться (в направленпи поля или против поля) с постоянной скоростью в и = — Е. а (82.1) Сопоставляя это выражение с формулой (73.6), мы видим, что отношение е'/А есть не что иное, как подвижность иона пс. Ионы разных знаков могут иметь разный по величине заряд е', кроме того„и коэффициент й для иих будет различен. Поэтому ионы разных знаков обладают различной подвижностью и,. Подвижность иона зависит от его природы и свойств растворителя.
С повышением температуры подвижность растет. Это происходит за счет того, что уменьшается вязкость среды, в которой движется ион, но в еще боль шей степени это бываег вызвано тем, что при повышении температуры уменьшаются размеры сольватной оболочии, окружающей ион. Подвижность ионов в электролитах очень мала. При комнатной температуре для водных растворов она составляет примерно 10 — 10 (10 — 1Π— ). -8 -7 м(сев / -4 -3 см(сев 1 в/м в/см /' Подвижность электронов в металлах приблизительно йа -с м/сев 1 четыре порядка больше ( 10 — ).
в(м / Движение ионов создает электрический ток, плотность которого равна / =(и+в+и++и е и )Е, где и+ — число положительных ионов в единице объема, в' — заряд, а ис+ — подвижность положительных ионов, и, е ни — аналогичные величины для отрицательны» ионов [ср. с формулой (31.4)]. Величина, стоящая в скобках, не зависит от Е.
Следовательно, плотность тока в электролитах пропорциональна напряженности поля. Это означает, что для электролитов справедлив закон Ома. Если молекулы диссоциируют на два иона, то в+ = = е = е' и п+ = п = п'= ип (числу диссоциировавшнх молекул). В этом случае 1=иле'(ива+и )Е. (82.2) Выражение (82.2) справедливо лишь на некотором удалении от электродов. В непосредственной близости от электродов ток создается ионами только одного знака: анионами вблизи анода и катионами вблизи катода. Согласно формуле (82.2) проводимость электролита определяется следующим выражением: а = апе'(ир+ + ир ).
УМножим и разделим это выражение на 1р' = —— ~л число молекул в килограмм-эквиваленте растворенного вещества: а=а —,(е'№)(ир++ и,,). Произведение е'№ равно числу Фарадея Е. Отношение и/№ дает количество килограмм-эквивалентов растворенного вещества в единице объема раствора; его на- зывают эквивалентной коне центр а ц и ей растворенного вещества. Обозначим эту концентрацию буквой т(, тогда выражению для проводимости электролита можно придать следующий вид." а = аР1Е(ир+ + ир-). (82.3) Рис.
181, При повышении температуры коэффициент диссоциации а и подвижность ионов увеличиваются. Поэтому проводимость электролитов и возрастает с температурой. Зависимость проводимости от концентрации оказывается довольно сложной. Это вызвано тем, что а зависит от 11 и непосредственно, и через а. Прн малых концентрациях, когда а = 1 (см. формулу (79.4)), а растет пропорционально т1.
В дальнейшем с увеличением т1начинает убывать коэффициент диссоциации а; поэтому рост проводимости замедляется, а затем она даже начинает .убывать. На рнс. 181 показана зависимость проводимости о водного раствора серной кислоты от относительной концентрации с' раствора. й 33. Технические применения электролиза Электролиз находит самые разнообразные технические применения. Охарактеризуем вкратце некоторые из них. 1.
Гальванопластика. В 1837 г. Б. С. Якоби применил электролнз для изготовления металлических слепков с рельефных моделей. Модель из воска или какого-либо другого пластического материала покрывается для создания проводящего слоя графитовым порошком и за« тем включается в качестве катода при электролизе, Электролитом служит раствор соли, содержащей металл, из которого хотят получить слепок. Металл отлагается на катоде в виде слоя, точно отражающего рельеф модели. Полученный слепок легко отделяется от катода.
Таким способом иногда изготовляются типографские клише. 2. Гальваиостегня. С помощью электролиза наносят иа поверхность металлических изделий тонкий слой другого металла. Это делается с декоративными целями (золочение, серебрение, платинирование), а также для создания антикоррозионных покрытий(никелирование,хромированне, кадмирование и т. п.). 3. Электрометаллургня. Путем электролиза расплавленных руд получают алюминий, натрий, магний, бериллий и некоторые другие металлы. Например, сырьем для получения алюминия служат обычно бокситы — минералы, содержащие глинозем (А!зОз).
В качестве электродов применяются угольные пластины. Руда подаер= живается в расплавленном состоянии за счет тепла, выделяемого при прохождении тока. Электролиз применяют также для рафинирования (т. е. очистки) металлов. Для этого пластина из очищаемого металла включается в качестве анода соответствующей электролитической ванны. Электролитом служит раствор соли очищаемого металла. При надлежащем выборе напряжения выделяться на катоде будет только данный металл, а примеси выпадут в виде осадка. Таким путем получают, например, очень чистую медь, которая называется электролитической.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
