Отримання знань

ДАЙ ВІДПОВІДІ НА ПИТАННЯ

1. З нище перерахованих частинок оберіть ті, які є іонами: 

2. З наданого нище переліку оберіть твердження, які є умовами існування електричного струму:

3. З наданих нище тверджень, оберіть ті, які правильно характеризують рух заряджених частинок у електричному полі: 

4. Про яку фізичну величину йде мова: "... - це швидкість перенесення заряду через поперечний переріз провідника"

   Солі електролітів і дистильована вода самі по собі являються гарними діелектриками, а от розчини солей у воді є провідниками струму. У чому ж причина цього явища?

   Як відомо з курсу хімії молекули солі є полярними, тобто складаються з позитивного і негативного іонів, об’єднаних в одну молекулу. При попаданні молекули солі у воду, молекули води «оточують» молекулу солі (див рис) і «розтягують» її, послаблюючи міжатомну взаємодію складових молекули солі. Якщо помістити таку молекулу у зовнішнє електричне поле, то міжатомні сили ще більше послабляться за рахунок того, що позитивний іон молекули солі буде прагнути рухатись вздовж ліній поля, а негативний – проти. В результаті молекула солі розпадеться на два іони позитивний і негативний – цей процес називається дисоціацією. Якщо прибрати зовнішнє електричне поле, то іони знов з’єднаються в одну молекулу солі – цей процес називається рекомбінацією.

Процес дисоціації молекули мідного купоросу (CuSO4)

   Сам факт розкладу електролітів при проходженні через них електричного струму показує, що у них рух зарядів супроводжується рухом атомів або груп атомів, зв’язаних один з одним (іонів). Ці іони являють собою частини молекул розчиненої речовини. Природно, що саме ці іони і є носіями заряду в речовині. Їх напрямлений рух під дією сил зовнішнього електричного поля і являє собою електричний струм, який іде через електроліт. Ці іони прямують вздовж ліній напруженості зовнішнього електричного поля: позитивні іони прямують в напрямі силових ліній поля, а негативні іони – проти.

   Отже, провідність електролітів є іонною, тобто обумовлена рухом в них позитивних і негативних іонів, які утворюються з нейтральної молекул шляхом її розпаду на дві частини, які заряджені рівними за модулем і протилежними за знаком зарядами. 

Майкл Фарадей

   При створенні в електроліті певної різниці потенціалів на електродах, всередині електроліту виникає електричне поле і на цей хаотичний рух накладається впорядкований рух різнойменних  іонів у взаємо протилежних напрямках: негативні іони рухаються до аноду, а позитивні – до катода.

   При безпосередньому контакті з катодом позитивні іони отримують  електрони, яких не вистачає, і виділяються у вигляді нейтральних атомів. Замість електронів, які нейтралізували позитивний іон, нові електрони переходять від батареї до катода.  

   Отже, струм в електролітах обумовлений рухомими іонами, які на електродах нейтралізуються і перетворюються на атоми (або молекули). 

   Користуючись описом фізичних процесів, які відбуваються при проходженні струму через електроліт, спробуємо сформулювати основні закономірності процесу електролізу, які Фарадей отримав експериментально. Ці закономірності назвали законами електролізу, або законами Фарадея.

   Кожен іон, який осідає і нейтралізується на електроді,  переносить з собою деякий електричний заряд. Це означає, що сумарний заряд, який перенесено всіма іонами, має бути пропорційний кількості іонів, які осіли на електродах, тобто масі речовини, яка виділилась на електроді. Цей висновок і є першим законом Фарадея:

    І-й   ЗАКОН ФАРАДЕЯ

Маса речовини, яка виділяється  на електроді, прямо пропорційна заряду, який пройшов через електроліт.

Математичний запис першого закону Фарадея є таким:  

де, m– маса речовини, яка виділилась на електроді;     

      q – заряд, який пройшов через електроліт;     

      k  – коефіцієнт пропорційності, який залежить від речовини, яка виділяється на електроді;

або   І-й   ЗАКОН ФАРАДЕЯ   має ще й таке формулювання:

Маса речовини, яка виділилась на електроді, прямо пропорційна силі струму, який іде через електроліт, і часу його пропускання.

Математичний запис першого закону Фарадея є таким:

оскільки  I=q/t , тоді    

де, m – маса речовини, яка виділилась на електроді;     

       І – сила струму, який іде через електроліт;     

       t – час електролізу;    

      k – коефіцієнт пропорційності, який залежить від речовини, яка виділяється на електроді.

   Коефіцієнт k називають електрохімічним еквівалентом. З першого закону Фарадея слідує, що , тобто k  чисельно дорівнює m, якщо q =1 Кл.

Електрохімічний еквівалент речовини (k [ ]) – це фізична величина, яка чисельно рівна масі цієї речовини, яка виділяється на електроді при електролізі при проходженні через електроліт одиничного електричного заряду. 

   Є спеціальні таблиці електрохімічних еквівалентів речовин, проте, наприклад мідь у сполуках CuCl та CuCl₂ має різний електрохімічний еквівалент. Від чого ж залежить електрохімічний еквівалент речовини? Відповідь на це питання дає другий закон Фарадея.

  ІІ-й   ЗАКОН ФАРАДЕЯ 

Електрохімічний еквівалент різних речовин пропорційний їх молярним масам і обернено пропорційний числам, які виражають їх хімічну валентність:

де M_A (кг/моль) – молярна маса речовини; 

     n – валентність цієї речовини;    

     F – коефіцієнт пропорційності, який є універсальною сталою, тобто має однакове значення для всіх речовин і називається сталою Фарадея.

Експериментальне значення сталої Фарадея дорівнює F = 96484 Кл/моль

Відношення молярної маси якого-небудь елемента до його валентності     називають хімічним еквівалентом даної речовини. 

Хімічний еквівалент – це величина, яка показує, яка маса даної речовини необхідна для заміщення одного моля водню у хімічній сполуці. 

  У одновалентних речовин хімічний еквівалент чисельно дорівнює молярній масі. Користуючись цим поняттям, другий закон Фарадея можна сформулювати так:

  ІІ-й   ЗАКОН ФАРАДЕЯ 

Електрохімічний еквівалент речовини прямо пропорційний її хімічному еквіваленту. 

   Об’єднуючи обидва закони, іноді виділяють третій закон Фарадея (об’єднаний) ІІІ закон Фарадея (об’єднаний)

  ІІІ-й   ЗАКОН ФАРАДЕЯ (об'єднаний) 

Маса речовини, яка виділяється  на електроді, прямо пропорційна її хімічному еквіваленту цієї речовини та заряду, який пройшов через електроліт. 

 З цього закону досить просто визначити фізичний зміст сталої Фарадея: якщо m =M_A/n, тоді F = q. Тобто:

Стала Фарадея F (Кл/моль) чисельно дорівнює заряду, який необхідно пропустити через будь-який електроліт, щоб виділити на електродах речовину, маса якої дорівнює одному хімічному еквіваленту.

ПЕРЕВІР СЕБЕ 

  Визначте хімічний еквівалент алюмінію у сполуці AI₂(SO₄)₃. Відповідь запишіть у кг/моль.

Задача № 2  

  Визначте електрохімічний еквівалент міді у сполуці CuSO₄. Відповідь подайте у  вигляді "число" * 10^-7 кг/Кл. Дане "число" і запишіть у комірку для відповіді. Відповідь округліть до десятих.

 Визначте, яка маса m  алюмінію виділилася на катоді за t= 10 год під час електролізу  AI₂(SO₄)₃, якщо сила струму в електроліті дорівнює  I= 1 А.  Відповідь запишіть у грамах та округліть до десятих.

   За t= 3,6 хв виріб в електролітичній ванні покрився шаром срібла масою m= 0,21 г. Визначте силу струму I, що пройшов через електроліт. Відповідь запишіть в амперах і округліть до сотих.