Ванна для получения чистых металлов путем электролиза физическое явление
Так как протекание тока в жидкостях связано с переносом вещества, при таком токе имеет место процесс электролиза.
Определение.Электролиз – процесс, связанный с окислительно-восстановительными реакциями, при которых на электродах выделяется вещество.
Вещества, которые в результате подобных расщеплений обеспечивают ионную проводимость, называются электролитами. Такое название предложил английский физик Майкл Фарадей (рис. 4).,
Электролиз позволяет получать из растворов вещества в достаточно чистом виде, поэтому его применяют для получения редких материалов, как натрий, кальций… в чистом виде. Этим занимается так называемая электролитическая металлургия.
Законы Фарадея. Практическое применение электролиза
В первой работе по электролизу 1833 года Фарадей представил свои два закона электролиза. В первом речь шла о массе вещества, выделяющегося на электродах:
Первый закон Фарадея гласит, что эта масса, выделяющегося на электродах, пропорциональна заряду, прошедшему через электролит:
Здесь роль коэффициента пропорциональности играет величина – электрохимический эквивалент. Это табличная величина, которая уникальна для каждого электролита и является его главной характеристикой. Размерность электрохимического эквивалента:
Физический смысл электрохимического эквивалента – масса, выделившаяся на электроде при прохождении через электролит количества электричества в 1 Кл.
Если вспомнить формулы из темы о постоянном токе:
То можно представить первый закон Фарадея в виде:
Второй закон Фарадея непосредственно касается измерения электрохимического эквивалента через другие константы для конкретно взятого электролита:
Здесь: – молярная масса электролита; – элементарный заряд; – валентность электролита; – число Авогадро.
Величина называется химическим эквивалентом электролита. То есть, для того чтобы знать электрохимический эквивалент, достаточно знать химический эквивалент, остальные составляющие формулы являются мировыми константами.
Исходя из второго закона Фарадея, первый закон можно представить в виде:
Фарадей предложил терминологию этих ионов по признаку того электрода, к которому они движутся. Положительные ионы называются катионами, потому что они движутся к отрицательно заряженному катоду, отрицательные заряды называются анионами как движущиеся к аноду.
Вышеописанное действие воды по разрыву молекулы на два иона называется электролитической диссоциацией.
Помимо растворов, проводниками второго рода могут быть и расплавы. В этом случае наличие свободных ионов достигается тем, что при высокой температуре начинаются очень активные молекулярные движения и колебания, в результате которых и происходит разрушение молекул на ионы.
Практическое применение электролиза
Первое практическое применение электролиза произошло в 1838 году русским ученым Якоби. С помощью электролиза он получил оттиск фигур для Исаакиевского собора. Такое применение электролиза получило название гальванопластика. Другой сферой применения является гальваностегия – покрытие одного металла другим (хромирование, никелирование, золочение и т.д., рис. 5)
Рис. 5. Примеры гальванопластики и гальваностегии соответственно (Источник), (Источник)
Также электролиз применяется в металлургии для выплавки редких металлов в чистом виде (алюминий, натрий, кальций, магний).
На следующем уроке мы разберем методику решения задач на тему «Электрический ток в жидкостях».
4.3 Применение электролиза
- Гальваностегия - декоративное или антикоррозийное покрытие металлических изделий тонким слоем другого металла (никелирование, хромирование, омеднение, золочение).
- Гальванопластика - электролитическое изготовление металлических копий, рельефных предметов. Этим способом были сделаны фигуры для Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге.
- Электрометаллургия-получение чистых металлов при электролизе расплавленных руд (Al, Na, Mg, Be).
- Рафинирование металлов - очистка металлов от примесей
5. Проверка понимание и осмысления нового материала, и применение нового материала на практике
1. Какие вещества называются электролитами?
2. Дайте определение:электрической диссоциации;степени диссоциации;рекомбинацией.
3. Какой процесс называется электролизом? Кто и когда открыл?
4. Сформулируйте закон Фарадея?
5. Физический смысл электрохимического эквивалента вещества и постоянной Фараде
1) Почему нельзя прикасаться к неизолированным электрическим проводам голыми руками? (Влага на руках всегда содержит раствор различных солей и является электролитом поэтому создает хороший контакт между проводами и кожей)
2) Почему для гальванического покрытия изделия чаще используют никель и хром? (большая химическая стойкость, механическая прочность и после полировки дают красивый блеск)
3) Почему провода осветительной сети обязательно имеют резиновую оболочку, а провода, предназначенные для сырых помещений кроме того, еще просмолены снаружи?
(так как влага на проводах представляет электролит и является проводником, а это может привести к короткому замыканию и пожару)
Примеры и разбор решения заданий:
1. Источник тока присоединили к двум пластинам, опущенным в раствор поваренной соли. Сила тока в цепи равна 0,3 А. Какой заряд проходит между пластинами в ванне за 7 минут?
Решение: Сила тока равна отношению заряда ко времени, в течение которого этот электрический заряд прошёл по цепи:
Подставив числовые значения, переведя время в СИ, получим q = 126 Кл.
Ответ: q = 126 Кл.
2.В процессе электролиза из водного раствора хлорида железа-2 выделилось 840 мг железа. Какой заряд прошёл через электролитическую ванну?
q = 840 · 10 -6 · 1,6 · 10 -19 · 2 · 6,02 · 10 23 / 0,056 = 2880 Кл.
Ответ: q = 2880 Кл.
Задачи
.1Сколько цинка получено при электролизе раствора ZnSO4, если была затрачена энергия 2 кВт*ч? Разность
потенциалов между зажимами ванны 2 В. Постоянная Фарадея 9,65*104 Кл/моль.
А. 0,22 кг Б. 1,22 кг В. 2,22 кг Г. 3,22 кг
ТЕСТЫ
5.Определите толщину слоя меди, выделившейся за 5 ч при электролизе медного купороса, если плотность тока
равна 0,8 А/дм2.
А. 1,3 *105 м Б. 2,3*105 м В. 4,3*105 м Г. 5,3*105 м
6.Амперметр, включённый последовательно с электролитической ванной, показывает ток I0 = 1,5 А. Какую
поправку надо внести в показания амперметра, если за время t = 10 мин на катоде отложилась масса меди m =
0,316 г? Эл/литический эквивалент меди k = 3,3*107 кг/Кл.
А. 0,1 А Б. 0,2 А В. 0,3 А Г. 0,4 А
7.Какими заряженными частицами создаётся эл ток в электролитах?
А. положительными и отрицательными ионами
Б. электронами В. Дырками Г. электронами и дырками
6.При электролизе раствора ZnSO4 была затрачена энергия 20 ГВт*ч. Определите массу выделившегося цинка,
если напряжение на зажимах ванны 4 В.
А. 312 г Б. 412 г В. 512 г Г. 612 г
7.Определите массу серебра, выделившегося на катоде при электролизе азотнокислого серебра за 2 ч, если к ванне
приложено напряжение 1,2 В, а сопротивление ванны равно 5 Ом.
А. 1,9 г Б. 2,9 г В. 3,9 г Г. 4,9
Практическое применение электролиза
При прохождении через раствор или расплав электролита электрического тока, на электродах происходит выделение растворенных веществ или иных веществ, являющихся продуктами вторичных реакций на электродах. Этот физико-химический процесс и называется электролизом.
Суть электролиза
В создаваемом электродами электрическом поле, ионы в проводящей жидкости приходят в упорядоченное движение. Отрицательный электрод — это катод, положительный — анод.
К аноду устремляются отрицательные ионы, называемые анионами (ионы гидроксильной группы и кислотные остатки), а к катоду — положительные ионы, называемые катионами (ионы водорода, металлов, аммония и т. д.)
На электродах протекает окислительно-восстановительный процесс: на катоде происходит электрохимическое восстановление частиц (атомов, молекул, катионов), а на аноде — электрохимическое окисление частиц (атомов, молекул, анионов). Реакции диссоциации в электролите — это первичные реакции, а реакции, которые протекают непосредственно на электродах, называются вторичными.
Законы электролиза Фарадея
Разделение реакций электролиза на первичные и вторичные помогло Майклу Фарадею установить законы электролиза:
Первый закон электролиза Фарадея: масса вещества, осаждённого на электроде при электролизе, прямо пропорциональна количеству электричества, переданного на этот электрод. Под количеством электричества имеется в виду электрический заряд, измеряемый, как правило, в кулонах.
Второй закон электролиза Фарадея: для данного количества электричества (электрического заряда) масса химического элемента, осаждённого на электроде, прямо пропорциональна эквивалентной массе элемента. Эквивалентной массой вещества является его молярная масса, делённая на целое число, зависящее от химической реакции, в которой участвует вещество.
m — масса осаждённого на электроде вещества, Q — полный электрический заряд, прошедший через вещество F = 96 485,33(83) Кл·моль−1 — постоянная Фарадея, M — молярная масса вещества (Например, молярная масса воды H2O = 18 г/моль), z — валентное число ионов вещества (число электронов на один ион).
Заметим, что M/z — это эквивалентная масса осаждённого вещества. Для первого закона Фарадея M, F и z являются константами, так что чем больше величина Q, тем больше будет величина m. Для второго закона Фарадея Q, F и z являются константами, так что чем больше величина M/z (эквивалентная масса), тем больше будет величина m.
Электролиз широко применяется сегодня в промышленности и в технике. Например, именно электролиз служит одним из эффективнейших способов промышленного получения водорода, пероксида водорода, диоксида марганца, алюминия, натрия, магния, кальция и прочих веществ. Применяется электролиз для очистки сточных вод, в гальваностегии, в гальванопластике, наконец — в химических источниках тока. Но обо всем по порядку.
Получение чистых металлов из руд путем электролиза
Благодаря электролизу многие металлы извлекается из руд и подвергается дальнейшей переработке. Так, когда руду или обогащенную руду — концентрат — подвергают обработке реагентами, металл переходит в раствор, затем путем электроэкстракции металл выделяют из раствора. Чистый металл выделяется при этом на катоде. Таким путем получают цинк, медь, кадмий.
Электрорафинированию металлы подвергают для устранения примесей и чтобы перевести содержащиеся примеси в удобную для дальнейшей переработки форму. Металл, подлежащий очистке, отливают в виде пластин, и применяют эти пластины в качестве анодов при электролизе.
Когда ток проходит, металл анода растворяется, переходит в виде катионов в раствор, затем катионы разряжаются на катоде, и образуют осадок чистого металла. Примеси анода не растворяются - выпадают анодным шламом, или переходят в электролит, откуда непрерывно или периодически удаляются.
Рассмотрим в качестве примера электрорафинирование меди. Главный компонент раствора - сульфат меди — наиболее распространенная и дешевая соль этого металла. Раствор обладает низкой электрической проводимостью. Для ее увеличения в электролит добавляют серную кислоту.
Кроме того, в раствор вводят небольшие количества добавок, способствующих получению компактного осадка металла. Вообще, электролитическому рафинированию подвергают медь, никель, свинец, олово, серебро, золото.
Очистка сточных вод путем электролиза
Электролиз находит применение в очистке сточных вод (процессы электрокоагуляции, электроэкстракции и электрофлотации). Электрохимический метод очистки — один из наиболее часто применяемых. Для электролиза используют нерастворимые аноды (магнетит, оксид свинца, графит, марганец, которые наносят на титановую основу), или растворимые (алюминий, железо).
Такой метод применяют для выделения из воды токсичных органических и неорганических веществ. К примеру, медные трубы очищают от окалины раствором серной кислоты, и промышленные сточные воды приходится затем очищать путем электролиза с нерастворимым анодом. На катоде выделяется медь, которая снова может использоваться на том же предприятии.
Щелочные сточные воды очищают электролизом от цианистых соединений. С целью ускорения окисления цианидов, повышения электропроводности и экономии электроэнергии, к водам применяют добавку в виде хлорида натрия.
Электролиз проводят с графитовым анодом и стальным катодом. Цианиды разрушаются в ходе электрохимического окисления и хлором, который выделяется на аноде. Результативность такой очистки близка к 100%.
Кроме непосредственно электохимической очистки можно включить в процесс электролиза коагуляцию. Исключив добавки солей, электролиз проводят с растворимыми алюминиевыми или железными анодами. Тогда не только разрушаются загрязнители на аноде, но и растворяется сам анод. Образуются активные дисперсные соединения, которые коагулируют (сгущают) коллоидно-дисперсные загрязнения.
Этот метод эффективен при очистке сточных вод от жиров, нефтепродуктов, красителей, масел, радиоактивных веществ и т. д. Он называется электрокоагуляцией.
Гальваностегия
Гальваностегия — это электролитическое нанесение определенных металлов с целью защиты изделий от коррозии и для придания им соответствующего эстетического оформления (покрытие производят хромом, никелем, серебром, золотом, платиной и т. п.). Вещь тщательно очищают, обезжиривают, и используют как катод в электролитической ванне, в которую налит раствор соли того металла, которым необходимо покрыть изделие.
В качестве анода применяют пластину из этого же металла. Как правило применяют пару анодных пластин, а подлежащий гальваностегии предмет располагают между ними.
Гальванопластика
Гальванопластика - осаждение металла на поверхности разных тел для воспроизведения их формы: формы для отливки деталей, скульптур, печатных клише и т.д.
Гальваническое осаждение металла на поверхности предмета возможно лишь тогда, когда поверхность эта или весь предмет являются проводниками электрического тока, поэтому для изготовления моделей или форм желательно использовать металлы. Наиболее подходят для этой цели легкоплавкие металлы: свинец, олово, припои, сплав Вуда.
Эти металлы мягки, легко обрабатываются слесарным инструментом, хорошо гравируются и отливаются. После наращивания гальванического слоя и отделки металл формы выплавляют из готового изделия.
Однако наибольшие возможности для изготовления моделей все же представляют диэлектрические материалы. Чтобы металлизировать такие модели, нужно придать их поверхности электропроводность. Успех или неудача в конечном итоге зависят в основном от качества токопроводящего слоя. Слой этот может быть нанесен одним из трех способов.
Самый распространенный способ — графитирование, он пригоден для моделей из пластилина и других материалов, допускающих растирание графита по поверхности.
Следующий прием — бронзирование, способ хорош для моделей относительно сложной формы, для разных материалов, однако за счет толщины бронзового слоя несколько искажается передача мелких деталей.
И, наконец, серебрение, пригодное во всех случаях, но особенно незаменимое для хрупких моделей с очень сложной формой — растений, насекомых и т. п.
Химические источники тока
Также электролиз является основным процессом, благодаря которому функционируют самые современные химические источники тока, например батарейки и аккумуляторы. Здесь присутствуют два электрода, контактирующие с электролитом.
Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Подробнее смотрите здесь: Химические источники электрического тока
Лимонная батарейка (для увеличения нажмите нажмите на картинку)
Подробнее о том, как работает такая батарейка смотрите здесь: Как сделать батарейку из лимона в домашних условиях
Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно-разделённых процессов: на отрицательном аноде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят по внешней цепи к положительному катоду, создавая разрядный ток, где они участвуют в реакции восстановления окислителя. Таким образом, поток отрицательно заряженных электронов по внешней цепи идет от анода к катоду, то есть от отрицательного электрода к положительному.
Определение некоторых физических величин при электролизе
Наиболее интересной считаю практическую часть раздела: “Ток в жидкостях”, мы ее выполняем и она вызывает интерес у детей.
Электролиз – физическое и химическое явление. (Содержание лекции)
1. Историческая справка
Ещё в 1877 году шведский ученый Сванте Аррениус, изучая электропроводность растворов различных веществ, пришел к выводу, что её причиной являются ионы, которые образуются при растворении соли в воде. При растворении в воде молекула CuSO4 распадается (диссоциирует) на два разнозаряженных иона – Cu2+ и SO42- .
С. Аррениус, который придерживался физической теории растворов, не учитывал взаимодействия электролита с водой и считал, что в растворах находятся свободные ионы. В отличие от него русские химики И. А. Каблуков и В. А. Кистяковский применили к объяснению электролитической диссоциации химическую теорию Д. И. Менделеева и доказали, что при растворении электролита происходит химическое взаимодействие растворённого вещества с водой, которое приводит к образованию гидратов, а затем они диссоциируют на ионы. Они считали, что в растворах находятся не свободные, не “голые” ионы, а гидратированные, то есть “одетые в шубку” из молекул воды.
2. Суть явления
“Электролиз – под таким названием объединяются физико-химические процессы, происходящие на электродах, когда через растворы или расплавы электролитов проходит электрический ток. Механизмы процессов, протекающих на положительном и отрицательном электродах, различны. На аноде идёт реакция электрохимического окисления, поскольку там ионы, атомы или молекулы отдают электроны. Напротив, на катоде к различным частицам присоединяются электроны, и те реакции, которые здесь происходят, – это реакции электрохимического восстановления.
Электролиз подчиняется законам, которые были открыты английским учёным М. Фарадеем в 1833–1834 гг.”
“Первый закон Фарадея гласит: количество вещества M, выделяющегося на электроде, прямо пропорционально электрическому заряду q, прошедшему через электролит: M = kq.
Коэффициент пропорциональности k, численно равный массе вещества, выделившегося при прохождении через электролит единицы электрического заряда, называется электрохимическим эквивалентом вещества. При пропускании через электролит постоянного тока I в течение времени t с q = It и m = .
Согласно второму закону, электрохимические эквиваленты прямо пропорциональны их химическим эквивалентам: , где отношение атомного веса A элемента к его валентности Z называется химическим эквивалентом. Количество вещества, масса которого, выраженная в граммах, равна его химическому эквиваленту, называется грамм-эквивалентом. Величина F = 1/с называется числом Фарадея. F равно электрическому заряду, который нужно пропустить через электролит для выделения на электроде 1 грамма-эквивалента любого вещества:
“Величина F равна произведению заряда электрона на число Авогадро.
Электролиз – физико-химический процесс, отражающий тесную связь физических и химических явлений. Он находит весьма широкое практическое применение. С его помощью получают многие химические соединения, которые иным путём приготовить не удаётся, чистые металлы в виде порошков и т. д. Процесс электролиза используются для коррозионной защиты различных металлов.
На практике электролиз проводят в специальных аппаратах – электролизерах. Их изготовляют из стали, керамических материалов, стекла, пластических масс. Электроды делают из различных металлов и сплавов. Иногда в ходе электролиза на аноде и катоде образуются такие вещества, взаимодействия которых надо избежать. С этой целью в электролизер вставляют пористую перегородку – диафрагму”.
3. Применение электролиза
Электролиз широко применяют в технике для различных целей. Электролитическим путём покрывают поверхность одного металла тонким слоем другого (никелирование, хромирование, омеднение и т. п.). Это прочное покрытие защищает поверхность от коррозии.
Если обеспечить хорошее отслаивание электролитического покрытия от поверхности, от которую осаждается металл (этого достигают, например, нанося на поверхность графит), то можно получить копию с рельефной поверхности.
В полиграфической промышленности такие копии (стереотипы) получают с матриц (оттиск набора на пластичном материале), для чего осаждают на матрицах толстый слой железа или другого материала. Это позволяет воспроизвести набор в нужном количестве экземпляров. Если раньше тираж книги ограничивался числом оттисков, которые можно получить с одного набора (при печатании набор стирается), то сейчас использование стереотипов позволяет значительно увеличить тираж.
Правда, в настоящее время с помощью электролиза получают стереотипы только для книг высококачественной печати.
Процесс получения отслаиваемых покрытий – гальванопластика был разработан русским учённым Б. С. Якоби (1801–1874), который в 1836 г. применил этот способ для изготовления полых фигур для Исаакиевского собора в Ленинграде. (Фото 1,2,3,4)
При помощи электролиза осуществляют очистку металлов от примесей. Так, полученную из руды неочищенную медь отливают в форме толстых листов, которые затем помещают в ванну в качестве анодов (рис. 5). При электролизе медь анода растворяется, примеси, содержащие ценные и редкие металлы выпадают на дно, а на катоде оседает чистая медь.
При помощи электролиза получают алюминий из расплавов бокситов. Именно этот способ получения алюминия сделал его дешёвым и наряду с железом самым распространённым в технике и быту металлом.
Исследования.
Исследование № 1. Определение заряда электрона. (Приложение 1)
Оборудование: Источник питания ИПД-1, амперметр лабораторный с пределом измерения 2 А., ключ, реостат, электролитическая ванна, угольные электроды, раствор сульфата меди (CuSO4), весы, разновесы.
Цель: Определить заряд электрона, используя законы электролиза.
Гипотеза: Заряд электрона должен получиться 1,6 х 10 -19 Кл.
Условия: В опыте взята масса сульфата меди 50 г., воды 600 г., сила тока 1 А., время 30 мин. Электроды после проведения опыта просушивались над электроплиткой.
Исследование № 2. Определение заряда электрона при электролизе других солей . (Приложение 2)
Оборудование: Источник питания ИПД-1, амперметр лабораторный с пределом измерения 2 А., ключ, реостат, электролитическая ванна, угольные электроды, раствор железа сернокислого закисного и алюминия сернокислого, весы, разновесы.
Гипотеза: Заряд электрона должен получиться 1,6 х 10 -19 Кл, при использовании других солей.
Условия: В опыте взята масса каждой соли 50 г., воды 600 г., сила тока 1 А., время 30 мин.
Исследование № 3. Определение заряда электрона при изменении силы тока (Приложение 3)
Условия: В опыте взята масса сульфата меди 50 г., воды 600 г., сила тока 0,5 А., время 30 мин.
Исследование № 4. Определение заряда электрона при изменении концентрации раствора медного купороса. (Приложение 4)
Оборудование: Источник питания ИПД-1, амперметр лабораторный с пределом измерения 2 А., ключ, электролитическая ванна, угольные электроды, раствор сульфата меди (CuSO4), весы, разновесы.
Условия: В опыте взята масса сульфата меди 100 г., воды 600 г., сила тока 1 А., время 30 мин.
Исследование № 5. Определение скорости движения отрицательных ионов при электролизе. (Приложение 5)
Оборудование: Источник питания ИПД-1, амперметр лабораторный с пределом измерения 2 А., ключ, пластины с проводящими контактами, полоска материала 10х2 см.
Цель: Определить скорость ионов.
Исследование № 6. Определение скорости движения ионов при электролизе от концентрации солевого раствора. (Приложение 6)
Цель: Определить скорость ионов, при увеличении концентрации солевого раствора в 2раза.
Исследование № 7. Определение скорости движения положительных ионов при электролизе. (Приложение 7)
Цель: Определить скорость положительных ионов при электролизе.
Исследование № 8. Определение сопротивления раствора электролита при электролизе сульфата меди. (Приложение 8)
Рекомендации.
Ученики выполняют лабораторные работы в форме мини-проектов исследовательского характера. На итоговом занятии по данному разделу темы мы подводим общий итог.
Мы собрали и систематизировали материал по данной теме, сделали исследования и делаем вывод:
Используя законы электролиза можно определить
- Заряд электрона.
- Сопротивление раствора электролита.
- Также изучая электролиз можно определить скорость ионов при электролизе.
Определяя заряд электрона, мы убедились, что заряд электрона не изменяется:
- при увеличении концентрации солевого раствора,
- при изменении силы тока,
- при использовании другой соли .
Полученная нами величина примерно равна е = 1,6 х 10 -19 Кл, что совпадает с табличным значением.
Также мы определили скорость ионов при электролизе и убедились, что она может меняться при изменении концентрации солевого раствора, у нас она равна от 0,5 до 0,75 мм/мин в зависимости от концентрации раствора.
В дальнейшем мы планируем установить зависимости скорости ионов от температуры и от напряжения.
Сопротивление электролита определили двумя способами и сравнили, получили приближённо одинаковый результат.
Результаты данных исследований могут быть представлены в виде задач. Данный материал выходит за рамки школьного курса, его мы представляли на научно-практической конференции.
Применение электролиза
Цели урока. Показать практическое применение электролиза для получения щелочных металлов, алюминия, очистки меди от примесей, а также для получения золота и серебра из анодного ила; решить расчетные задачи на нахождение одной из величин: времени, силы тока и количества вещества, образующегося или израсходованного в электролизной реакции.
Получение щелочных металлов
А.В.Вольта считал, что причиной возникновения электрического тока в гальваническом элементе является контакт двух разнородных металлов, а в них самих никаких изменений не происходит. Ясно, что в этом случае элемент должен работать вечно. На практике вечного элемента никогда не получалось, любой из них рано или поздно прекращал работу.
Другие исследователи заметили, что в работающем гальваническом элементе протекают химические процессы. В частности, поверхность цинка в соляном растворе при работе вольтова столба подвергается коррозии. Впоследствии было доказано, что химические реакции на границе проводников первого и второго рода, т.е. электродов и растворов, являются источником возникновения электрической энергии.
Таким образом, гальванический элемент – это устройство, в котором химическая энергия превращается в электрическую. Закон сохранения энергии выполняется и в этом случае: после завершения химических реакций ток прекращается.
Сразу же после создания химического источника электрической энергии стала бурно развиваться новая наука – электрохимия. В лабораториях разных стран ученые собирали гальванические батареи, пропускали ток через растворы различных веществ и с интересом наблюдали, что происходит в каждом случае. На этом пути было сделано множество важных экспериментальных открытий: установлено, например, что на электродах, опущенных в обычную речную воду, выделяются водород и кислород, а водные растворы солей щелочных металлов разлагаются с выделением водорода и образованием щелочей на одном полюсе и выделением кислорода и образованием кислот – на другом.
Г.Дэви
(1778–1829)
Пожалуй, самым замечательным результатом электрохимических работ того времени было проведенное английским химиком Гемфри Дэви разложение расплавов щелочей и получение новых элементов – калия и натрия. До этого никому никаким способом не удавалось разложить на элементы гидроксиды калия и натрия. Позже Дэви получил электролизом барий, кальций, стронций, магний, бор.
Кстати, открытие натрия стоило ему очень дорого: образовавшийся при электролизе металлический натрий в виде мелких шариков поднялся на поверхность расплава и воспламенился. Произошел взрыв. Осколки стекла попали ученому в глаза. Несмотря на то, что на один глаз Дэви ослеп, его энтузиазм и преданность науке не уменьшились. Он сделал еще много открытий.
Сейчас натрий получают электролизом расплава хлорида натрия в специальных электролитических устройствах – электролизерах. На рис. 1 представлен электролизер Даунса. Он сконструирован таким образом, чтобы натрий и хлор не могли вступать в контакт друг с другом и снова образовывать хлорид натрия. Предусмотрено также, чтобы натрий не вступал в контакт с воздухом и не образовывал оксид. К хлориду натрия добавляют хлорид кальция, что позволяет понизить его температуру плавления приблизительно до 600 °С (для чистого хлорида натрия она равна ~800 °С).
Рис. 1. Электролизер Даунса
для промышленного получения натрия
История получения алюминия
Приоритет открытия и получения металлического алюминия, который одно время называли «серебром из глины», принадлежит датскому физику Хансу Кристиану Эрстеду (1777–1851), известному больше своими работами по электромагнетизму. Чтобы получить алюминий, Эрстед нагревал безводный хлорид алюминия с амальгамой натрия (раствором натрия в ртути):
AlCl3 + 3Na(Hg) = Al(Hg) + 3NaCl.
Продукты реакции он обработал водой для растворения хлорида натрия, а из остатка, содержащего амальгаму алюминия, удалил нагреванием ртуть. Так в 1825 г. впервые был получен алюминий. Название «Aluminium» дал новому металлу английский химик и физик Дэви. «Alumen» на латинском языке означает квасцы (сульфат калия-алюминия), известные с давних пор и имеющие состав
KAl(SO4)2•12Н2О.
В 1827 г. немецкому химику Ф.Велеру (1800–1882) также удалось выделить алюминий, используя реакцию восстановления гексафтороалюмината натрия металлическим калием:
Алюминий в этом случае легко отделяется от фторидов калия и натрия, легко растворимых в воде.
Все это были лабораторные способы получения очень небольших количеств алюминия.
В 1845 г. два химика независимо друг от друга – немец Р.В.Бунзен (1811–1899) и француз А.Э.Сент-Клер Девилль (1818–1881) – разработали первый промышленный метод получения алюминия, основанный на восстановлении расплава тетрахлороалюмината натрия:
Nа[АlCl4] + 3Na = Аl + 4NaCl.
На Парижской всемирной выставке в 1855 г. демонстрировалось «серебро Девилля» – слиток алюминия ценой 2400 марок за 1 кг (90 долларов за фунт – по другим источникам). Алюминий стоил дороже, чем золото и серебро. Известно, что богатые люди того времени щеголяли алюминиевой столовой посудой.
Наполеон III (племянник Наполеона I), узнав об алюминии, задумал снабдить своих солдат нагрудниками и касками, сделанными из этого металла. По его приказу Сент-Клер Девиллю были выделены большие средства для получения нужного количества алюминия. Однако Наполеону III пришлось ограничить свое желание изготовлением алюминиевых кирас только для небольшой группы его личной охраны.
Способ Сент-Клер Девилля все же имел лабораторные масштабы. Современный промышленный метод получения алюминия, основанный на электролизе расплава Nа3[АlF6], был разработан американцем Ч.М.Холлом.
Ч.М.Холл (1863–1914)
Холл приступил к исследованию проблемы восстановления алюминия примерно в 1885 г., после того как узнал от одного профессора о трудностях, связанных с восстановлением руд. Когда Холл начал свои исследования, ему шел всего 21-й год. В дровяном сарае неподалеку от своего дома он оснастил лабораторию самодельным и взятым напрокат оборудованием. Приблизительно через год ему удалось решить проблему. «Профессор, я получил его!» – с таким криком вбежал к американскому химику Иветту в 1886 г. молодой инженер Холл, держа на протянутой ладони 12 маленьких шариков алюминия – первого алюминия, полученного электрохимическим методом.
Почти одновременно аналогичное открытие сделал во Франции Поль Эру, которому в то время было столько же лет, сколько и Холлу. Суть открытия заключалась в том, что Al2O3 растворяется в криолите (редком минерале, который добывали из небольших залежей в Гренландии), образуя проводящий раствор.
Схема из патента Ч.М.Холла
на получение алюминия
Открытия Холла и Эру сделали возможным промышленное получение алюминия в больших масштабах. Алюминий стал широко распространенным и всем известным металлом. Цена на него в конце концов упала до 15 центов за фунт. Даже сейчас алюминий стоит не дороже 80 центов за фунт.
Суть метода Холла
Сырьем служит оксид алюминия, добываемый в виде минерала боксита. После предварительной очистки Al2O3 растворяют в расплавленном криолите Nа3[АlF6], в результате чего образуется раствор, проводящий электрический ток. Расплавленную смесь электролизуют при помощи угольных электродов, как показано на рис. 2.
Рис. 2.
Обычный электролизер для получения алюминия по методу Холла.
Поскольку расплав алюминия имеет бо'льшую плотность,
чем расплав смеси Nа3[АlF6] и Al2O3, металл скапливается
в нижней части электролизера
На электродах происходят реакции:
на аноде: С (тв.) + 2О 2– = СO2 (г.) + 4e,
на катоде: 3е + Al 3+ Al (ж.).
Электролиз с активными электродами
В электролитическом процессе получения алюминия по методу Холла анод вступает в реакцию:
С (тв.) + 2O 2– = CO2 (г.) + 4e.
Следовательно, электродные реакции включают окисление и восстановление не только растворителя и растворенных веществ, но и самих электродов.
При электролизе водных растворов на металлических электродах происходит окисление электрода, если его окислительный потенциал выше потенциала воды. Например, медь окисляется легче, чем вода:
Cu (тв.) = Cu 2+ (водн.) + 2е,
К одному из многих интересных применений таких электролизных процессов относится рафинирование, или очистка, металлической меди. В промышленности соединения меди восстанавливают с помощью химических восстановителей. Например, для восстановления сульфида меди Сu2S через расплавленную руду продувают воздух:
Полученная таким способом медь называется губчатой; она имеет чистоту приблизительно 99% и содержит примеси железа, цинка, золота, серебра и других веществ. Некоторые примеси значительно снижают электропроводность металлической меди. Поэтому медь, идущую на изготовление электрических проводов, подвергают дальнейшей очистке.
Такую очистку проводят путем электролиза. Губчатую медь помещают в электролизер и делают анодом (рис. 3).
Рис. 3. Рафинирование металлической меди
Тонкие листы чистой меди играют роль катода. Электролитом служит водная смесь серной кислоты и сульфата меди. При пропускании электрического тока медь растворяется на аноде и осаждается на катоде:
на аноде: Cu (тв.) = Cu 2+ (водн.) + 2е,
на катоде: Cu 2+ (водн.) + 2е = Cu (тв.).
Такие металлы, как цинк и железо, которые окисляются легче, чем медь, вместе с ней растворяются на аноде. Поскольку они восстанавливаются труднее, чем медь, тщательно регулируя напряжение электролитической ячейки, можно предотвратить их осаждение на катоде.
Такие металлы, как серебро и золото, которые окисляются труднее, чем медь, не растворяются на аноде. По мере растворения меди они падают с анода и скапливаются под ним на дне ванны в виде ила. Анодный ил периодически извлекают из электролитической ванны в процессе ее чистки. Он служит важным источником получения золота и серебра. Таким способом в США получают бо'льшую часть золота.
Другим интересным применением электролиза является покрытие металлов. Если, например, в только что описанной ванне вместо меди сделать катодом какой-либо другой металл, то в процессе электролиза на нем будет образовываться медное покрытие. Металл, который наносят на другие поверхности, делают анодом (рис. 4) (см. с. 44). Электропокрытие защищает различные предметы от коррозии и улучшает их внешний вид. Многие наружные части автомобилей, например бамперы и дверные ручки, электролитически покрывают хромом.
Рис. 4.
Электролитическое
покрытие изделия серебром.
Покрываемое изделие – катод, а металл,
наносимый в качестве покрытия, – анод
Решение расчетных задач по теме «Электролиз»
Задача 1. Вычислите массу алюминия, полученного за 1 ч при электролизе расплавленного AlCl3 током силой 10А.
По закону Фарадея:
где m – масса образовавшегося вещества (г),
M – молярная масса вещества (г/моль),
n – количество принимаемых или отдаваемых электронов,
I – сила тока (А),
t – продолжительность процесса (с),
F – постоянная Фарадея (F = 96 500 Kл/моль = 26,8 А ч/моль).
Al 3+ + 3e Al 0 (n = 3).
Ответ. m(Al) = 3,36 г.
Задача 2. Через раствор, содержащий Cu 2+ , в течение 5 мин пропускают ток постоянной силы. За это время масса катода увеличивается на 1,24 г.
Какова сила пропускаемого тока?
В данном случае нас интересует полуреакция:
Cu 2+ + 2e = Cu (n = 2).
Ответ. I = 12,6 А.
Домашнее задание. Решить задачи.
1. Сколько минут потребуется для осаждения 10 г металлического никеля из раствора сульфата никеля(II) при силе тока 1,5 А?
2. Сколько литров газообразного Cl2 (н.у.) выделится при электролизе водного раствора NaCl током силой 2 А за время 1 ч?
Л и т е р а т у р а
Фримантл М. Химия в действии. М.: Мир, 1991; Браун Т., Лемей Г.Ю. Химия в центре наук. М.: Мир, 1983; Степин Б.Д., Аликберова Л.Ю. Книга по химии для домашнего чтения. М.: Химия, 1995; Энциклопедия для детей. Т. 17. Химия. М.: Аванта +, 2003.
Конспект урока по физике
Образовательная - формирование единых взглядов на природу электрического тока на примере электролиза, изучение законов электролиза при его практическом применении в аккумуляторах.
Развивающая - формирование умения объяснять новые, ранее неизвестные явления и применение их на практике путём составления логических цепочек и проведения аналогий.
Воспитательная - формирование и развитие речевого аппарата.
Оборудование и материалы: источник тока, набор для электролиза, амперметр, вольтметр, ключ, соединительные провода, раствор медного купороса, дистиллированная вода, автомобильный аккумулятор.
ТСО и учебно-наглядные пособия: кодоскоп, плакат “Устройство аккумулятора”, кроссворд “Физические понятия, применяемые при изучении электролиза”, кодопленки с рисунками и уравнениями электролиза, таблицы с новой терминологией и формулами.
На занятии, предшествующем данному уроку, учащиеся получили задание повторить тему “Законы постоянного тока”. Тема “Окислительно-восстановительные реакции при электролизе” по предмету химия изучена накануне данного урока.
Ход урокаВступление. Каждый современный человек должен знать устройство и принцип действия такого сложного транспортного средства как автомобиль.
Создание практической проблемной ситуации.
В жизни автомобилиста часто возникают нестандартные затруднительные ситуации, достойно выйти из которых помогает знание законов физики. Вот одно из доказательств этого.
Два водителя, имеющие автомобили одинаковой марки, одного года выпуска, одинакового технического состояния и параметрами при низкой температуре воздуха производят запуск двигателя. Первый водитель после пяти попыток окончательно посадил аккумулятор. Второй водитель перед запуском включил на 3-4 минуты свет фар, и двигатель запустился стартером с первой попытки. В чем причина?
Вариант (б). В холодное время года необходимо разогреть аккумулятор током небольшой силы и возобновить (оживить) реакцию электролиза внутри аккумулятора. Эта задача успешно решается при включении приборов освещения.
Учитель: Чтобы не допустить подобные ситуации, необходимо определить, какое физическое явление лежит в основе данного процесса и на основе законов физики устранить проблему. Сегодня мы проведем урок, на котором будем изучать вопросы физики, рассматривать химические процессы, знакомиться с техническим применением электрических явлений, и очень важно, чтобы вы убедились в единстве законов природы и ее проявлений. Тема урока: “Электрический ток в жидкостях. Законы электролиза. Применение электролиза”.
I. Опрос. Учитель. В начале мы проверим, что вы знаете уже из ранее изученных понятий на уроках химии, физики: проведём начальный срез знаний. Вы должны письменно ответить на предложенные вам вопросы в индивидуальных карточках (Приложение 1) в течение 5 минут.
Учитель раздает карточки. Учащиеся сдают свои ответы по истечении времени.
Учитель проверяет ответы, внося результаты начального среза в бланк рейтинга знаний по данной теме. Во время всего занятия учитель в бланке рейтинга выставляет баллы за правильные ответы и активную работу учащихся.
II. Актуализация опорных знаний
Учитель: В рабочих тетрадях запишите тему урока (на доске). Вспомним основные физические понятия электрического тока, условий его создания. (На экране с помощью кодоскопа проецируется конспект “Условия существования электрического тока. Законы Ома для полной цепи и для участка цепи”. Приложение 2).
III. Изложение нового материала
Процесс создания электрического тока в жидкостях
Учитель. Рассмотрим процесс возникновения тока в жидкостях. Соберем цепь по схеме (Рис. 1). Она содержит: источник тока, ключ, амперметр, вольтметр, стеклянный сосуд с жидкостью, два угольных электрода с темного цвета поверхностями (демонстрируем состояние поверхностей угольных стержней), соединительные провода.
Проведем два опыта. Вы должны будете проанализировать результаты наблюдений и сделать вывод.
Опыт 1. Замкнем ключ. (Сила тока равна нулю). Объясните, почему?
Опыт 2. Добавляем в воду раствор медного купороса. Замыкаем ключ. (Амперметр показывает значение силы тока). (Рис. 2). Итак, каковы результаты наблюдений и ваш вывод?
Эталон ответа: В первом опыте в сосуде между электродами была дистиллированная вода с диэлектрической проницаемостью e =81. Отсутствие свободных носителей заряда является причиной отсутствия тока в цепи, несмотря на наличие электрического поля между электродами. Во втором опыте в воду добавили раствор медного купороса и в растворе появились свободные заряженные частицы, которые под действием электрического поля начинают двигаться упорядоченно. Жидкость стала проводником. Начертите схему цепи в тетрадях и запишите вывод.
Вывод 1: Чистые жидкости, как правило, заметной электропроводностью не обладают.
Рассмотрим процесс в растворе медного купороса подробнее.
При растворении в воде солей, кислот, щелочей под воздействием полярных молекул воды образуются положительные ионы (катионы) и отрицательные ионы (анионы). Этот процесс называется электролитической диссоциацией:
Одновременно происходит и обратный процесс - образование из ионов нейтральных молекул - в этот процесс называется рекомбинацией:
Раствор, состоящий из молекул, катионов и ионов, называется электролитом.
Подумайте и ответьте: Что еще может вызвать распад молекул на ионы помимо растворителя?
Подсказка: Вспомните, как связаны температура и внутренняя энергия вещества?
Эталон ответа: При повышении температуры электролита растет кинетическая энергия всех его молекул и частицы, из которых молекулы состоят, способны преодолеть молекулярное притяжение и произойдет процесс диссоциации. Сделаем вывод и запишем его.
Вывод 2: Электрический ток в растворах солей, кислот, щелочей и в расплавах солей обусловлен упорядоченным движением положительных, отрицательных ионов и свободных электронов.
Зависимости силы тока от напряжения на участке цепи, содержащей электролит, и от температуры электролита.
Учитель. Существование электрического тока в цепях подчиняется законам Ома.
Обратимся к опыту и проверим выполнение закона Ома на участке цепи, содержащей электролит. В цепи, изображенной на схеме 1, будем изменять напряжение, и определять соответствующие ему значение силы тока в цепи. Результаты занесем в таблицу.
| Uв |
| IА |
Построим график вольт - амперной зависимости:
Из полученного графика, какой вывод мы можем сделать?
Вывод3. На участке цепи, содержащей, электролит, выполняется закон Ома.
Исследуем зависимость силы тока в цепи от температуры электролита.
Как вы считаете, должно измениться или нет значение силы тока? И если да, то как?
Эталон ответа. При повышении температуры процесс электрической диссоциации протекает более интенсивно, так как увеличивается число положительных и отрицательных ионов и растет их подвижность, (вязкость электролита уменьшается), а все это ведет и к увеличению силы тока в электрической цепи (I = q/t).
Учитель. Проверим наш вывод на опыте. Нагреем раствор медного купороса с помощью кипятильника, не меняя всех остальных параметров (демонстрирует процесс нагревания электролита).
При нагревании электролита сила тока увеличилась , т.к. I1=……А, I2=……А, следовательно, сопротивление уменьшается и его обратно пропорциональная зависимость от температуры имеет следующий вид: R
Вывод 4. При нагревании электролитов уменьшается их вязкость и сопротивление, а проводимость растет.
Перейдем к рассмотрению главного назначения существования электрического тока в электролитах. Электрический ток протекал через электролит некоторое время. Разомкнем цепь и посмотрим на состояние поверхностей электродов.
Поверхность анода не изменилась. Какие ионы двигались в его направлении?
Правильно, анионы. Катод - к нему двигались катионы, т.е. ионы меди, - приобрел красноватый оттенок. Этот факт указывает на присутствие меди на поверхности катода.
Какое заключение вы можете сделать на основании этого результата?
Эталон ответа. На катоде выделилась медь.
Вывод 5. Процесс выделения на электродах вещества, связанный с окислительно-восстановительной реакцией, называется электролизом.
Выясним, от чего зависит масса вещества, выделившегося на катоде. Прошу выдвинуть ваши гипотезы. Ответы учащихся записываются на доске.
Учитель. Ваши предположения верны и полностью совпадают с выводами, сделанными 170 лет назад в 1834 году великим английским ученым Майклом Фарадеем. На основании многочисленных опытов он сформулировал законы электролиза.
1 закон электролиза: масса, выделившего на электроде вещества прямо пропорциональна величине заряда, протекшего через электролит.
где k - это электрохимический эквивалент, который измеряется массой выделяющегося на катоде вещества при прохождении через электролит единицы заряда.
А так как q=I * t, получаем: m =k * I * t (6)
Физический смысл первого закона электролиза
Положительные ионы (катионы) при соприкосновении с катодом получают недостающие электроны и осаждаются на катоде в виде нейтральных атомов. Отрицательные ионы (анионы) при соприкосновении с анодом отдают лишние электроны и осаждаются на аноде. Поскольку массы ионов mi определенного вида точно одинаковы, то общая масса всех ионов пропорциональна их числу Ni. А это означает, что масса выделенного при электролизе вещества должна быть прямо пропорциональна заряду, прошедшему через электролит.
Чем больше заряд, прошедший через электролит, тем больше число ионов его переносящих, а, следовательно, и больше масса выделившегося на электродах вещества.
Выясним теперь, от чего зависит величина электрического эквивалента k.
Введем обозначение i - ион, n - валентность, e -заряд электрона, qi = е * n - заряд иона, М - молекулярная масса, mi = М / NA -масса иона, М / n - химический эквивалент вещества.
Подставим в (5) k = m / q формулы (7) и (8);
Поясним данный вывод: в результате своих опытов Фарадей нашел, что для выделения на электроде одного химического эквивалента ионов любого вида (M / n) нужно пропустить через электролит одинаковый электрический заряд q = NА е = F (10)
F - “постоянная Фарадея”. F = 965000 Кл/моль.
Вывод 6. 2-ой закон электролиза: Электрохимические эквиваленты различных веществ прямо пропорциональны их химическим эквивалентам.
А из (7) и (10) получим окончательный результат.
Вывод 7. Если через электролит проходит заряд q, вещества с химическим эквивалентом M/n, то масса выделившего вещества будет равна:
Уравнение (11) называется обобщенный закон электролиза
Прокомментируем вывод, обобщенного закона электролиза по нижеприведенной схеме
(Преподаватель дает комментарии по данной записи на кодопленке или на доске):
Те учащиеся, которые будет испытывать затруднения в выводе обобщенного закона электролиза, смогут воспользоваться данным выводом и прокомментировать его.
Используя закон Фарадея, е = F / NA, рассчитали заряд электрона: е = 1,6* 10 -19 Кл, что хорошо совпадает с результатами опытов Иоффе и Милликена.
Применение электролиза в технике
Выделим некоторые примеры использования электролиза в технике.
Очистка таких технических металлов, полученных при выплавке из руды, как алюминий, натрий и литий.
Из растворов при электролизе извлекают цинк и никель. Получают атомарный кислород.
В электрометаллургии: С помощью электролиза производят покрытие металлических предметов слоем другого металла, не окисляющегося на воздухе, что предохраняет предметы от коррозии. Это процесс называется гальваностегией (на таблице выписан этот новый термин).
Получение рельефных металлических копий изображений с помощью электролиза называют гальванопластикой (на таблице выписан новый термин). Она была изобретена в 1837 году русским ученым Якоби.
Изготавливают таким способами клише для печатания денежных знаков, матриц для печатания книг.
Как вы думаете, что произойдет, если в электролит опустить пластины, выполненные из двух различных металлов?
Эталон ответа. Опыты показали, что если в электролит опустить пластины из двух различных металлов, то между ними возникнет разность потенциалов. А это и будет источник тока.
Какова природа ЭДС источника в этом случае?
Эталон ответа. ЭДС источника в этом случае определяется работой сторонних сил химической природы по перемещению единичного заряда . (12)
Источники, в которых электрическая энергия получается за счет химической, называются гальваническими элементами в честь итальянского ученого Луиджи Гальвани, первым исследовавшим роль электрического поля в живом организме еще в 1775 году. В настоящее время ученые продолжают изучать процесс, как назвал его М.Фарадей, “превращения электрической силы в нервную”, происходящий в организме человека. Мы с вами упоминали при изучении темы “Электростатика” о падении напряжения на клеточной мембране живого организма. Очевидно, что мембрана, окруженная с обеих сторон растворами электролитов, может служить источником э.д.с. А так как толщина мембраны составляет всего 0,01-0,02 мкм, то биологический источник э.д.с. может иметь очень малые размеры. Создание источников э.д.с., аналогичных биологической мембране, найдет применение в миникомпьютерах.
Есть много других важных применений электролиза.
Далее, в ходе беседы учителя с учащимися решается предложенный кроссворд (один на весь класс), выполненный на плакате или доске.
Повторим понятия, связанные с электролизом и, ответив на вопросы, предложенные в кроссворде, откроем слово, связанное с применением электролиза..
1. Распад молекул электролита на ионы.
2. Образование молекул из положительных и отрицательных ионов электролита.
3. Процесс выделения на катоде вещества, входящего в состав электролита.
4. Единица измерения величины заряда в CИ.
5. Величина, характеризующая электролиз.
6. Величина, которая никогда не может быть равна абсолютному нулю.
7. Процесс воспроизведения форм предметов в матрицах.
8. Явление изменения качества электрода или концентрации ионов около него при прохождении тока через электролит.
9. Раствор, из которого может состоять электролит.
10. Пластина, находящаяся в электролите и подключенная к одному из полюсов источника тока.
11. Процесс пропускания тока от внешнего источника через электролит.
Итак, прочитаем слово по вертикали. “АККУМУЛЯТОР”. (Если слова поляризация, зарядка учащиеся не смогли вставить в кроссворд, а слово назвали, то вписать эти термины надо после изучения назначения аккумулятора).
V. Еще одно применение электролиза. Аккумуляторы - это приборы, которые становятся источниками электрической энергии после пропускания через них тока. При этом используется явление поляризации электродов, т.е. изменение качества их поверхности при прохождении тока через электролит. Поляризация может сохраняться в течение длительного времени после прекращения тока в электролите.
Рассмотрим окислительно-восстановительные реакции, протекающие в электролите. Познакомимся с принципом действия кислотного аккумулятора. (Схемы изображены на кодопленке).
Свинцовые электроды, помещенные в ванну с раствором серной кислоты, покрываются сернокислым свинцом PbSO4. Разность потенциалов между ними равна нулю (j 1- j 2 = 0).
Пропускание тока через аккумулятор называют его зарядкой. При подключении источника ток в электролите пойдет от положительного электрода к отрицательному (Рис.7).
Наблюдается явление поляризации электродов, т.е. изменение качества поверхности электродов: на аноде образуется двуокись свинца PbO2, а на катоде - чистый свинец Pb. Поскольку пластины становятся разнородными, между ними создается разность потенциалов и прибор накапливает энергию. Если теперь вместо источника тока присоединить лампу накаливания, то при замыкании цепи лампа загорается. Использование аккумулятора в качестве источника называют разрядкой (Рис. 8).
При разряде аккумулятора ток в электролите протекает от отрицательного электрода к положительному электроду. На отрицательной пластине происходит образование сернокислого свинца (PbSO4) в результате соединения свинца пластины с кислотным остатком (SO4) из электролита. На положительной пластине под действием разрядного тока - двуокись свинца (Pb O2) превращается также в сернокислый свинец (PbSO4), поглощая из электролита остаток (SO4) и отдавая в электролит кислород. Кислород с положительной пластины, соединяясь с водородом, оставшимся в электролите в результате распада серной кислоты, образует воду (H2O).
Реакции, происходящие при разрядке и зарядке аккумулятора, можно изобразить следующей химической формулой (на кодопленке).
При разрядке аккумулятора количество серной кислоты в электролите уменьшается и плотность электролита снижается. При зарядке аккумулятора реакции проходят в обратном порядке: количество серной кислоты в электролите увеличивается, а плотность электролита повышается. Свойство электролита изменять свою плотность при разряде и заряде аккумулятора используется в эксплуатации для определения степени заряженности аккумуляторной батареи.
Аккумуляторы характеризуются к.п.д. (), емкостью (С) и э.д.с. (e ).
Коэффициентом полезного действия аккумулятора называют число, показывающее, какую часть энергии, затраченной на его зарядку, он отдает при разрядке:
Емкостью аккумулятора называют максимальное количество электричества, которое может пройти по цепи за все время разрядки аккумулятора. За единицу емкости обычно принимают ампер-час: 1 А*ч = 3600 Кл. Мы рассмотрели кислотный (или свинцовый) аккумулятор. Его э.д.с. составляет около 2В, а к.п.д. - около 80%. С устройством аккумулятора и принципом его действия вы можете познакомиться самостоятельно с помощью таблицы “Устройство аккумулятора” и пояснительного текста.
VI. Подведение итогов
Учитель. Подведем итоги. Думаю, сегодняшний урок не оставил сомнений в многообразии и единстве проявлений природы. Вы не только познакомились с новыми понятиями из курса “Физики”: электролиз, электрохимический эквивалент, гальваностегия, гальванопластика, аккумулятор, зарядка и разрядка аккумулятора, но и убедились в выполнении законов электролиза и разнообразии их применения во многих отраслях промышленности и в быту. Вспомним проблему запуска двигателя в морозный день двумя автомобилистами. (См. выше).
Учитель отмечает фамилии учащихся, активно работающих на уроке, называются или предлагаются для прочтения баллы, полученные каждым учащимся за урок и их эквивалент - оценка в журнале.
VII. Запишите задание на дом. Проработать конспект урока и подготовить ответы по всем разобранным вопросам. § 122 - 123 “Физика 10”, упр. 20 (6); подобрать примеры использования электролиза в быту, технике и природе.
Читайте также: