Химическое действие электрического тока. Химическое действие тока кратко
Химическое действие электрического тока
Электролиз
Растворы солей и кислот в воде или каком-либо другом растворе проводят электрический ток и называются электролитами, или проводниками второгорода, в отличие от металлических проводников, называемых проводниками первого рода.
Электрический ток может проходить через среды, имеющие электрически заряженные частицы, обладающие способностью перемещаться.
При растворении солей и кислот в воде или каком-либо ином растворителе (этиловый спирт, бензин, бензол и др.) часть молекул распадается на две части, называемые ионами, причем одна часть имеет положительный заряд, другая – отрицательный.
Таким образом, в отличие от металлических проводников, где переносчиками электричества являются электроны, в электролитах ими служат ионы. Ионы могут быть простыми и сложными. Простой ион образован одним атомом вещества. Ионы, состоящие из нескольких атомов, называются сложными.
Распад химических соединений на ионы под действием растворителя называется электролитической диссоциацией и выражается обычными химическими уравнениями, в левой части которых помещаются химические символы распадающихся веществ, а в правой образующиеся от этих веществ ионы. Например, уравнение диссоциации поваренной соли (хлористого натрия) записывается следующим образом: NaCl = Na+ + Cl-.
Для более сложных соединений процесс диссоциации может протекать в несколько стадий.
Если сосуд с электролитом погружены две металлические пластины, называемые электродами, которые с помощью проволочных проводников присоединены к источнику энергии постоянного тока, то вследствие разности потенциалов между электродами через электролит будет протекать ток. Прохождение тока через электролит сопровождается химическим процессом, называемым электролизом. Находящиеся в электролите ионы, притягиваясь к электродам, двигаются в противоположных направлениях: положительные ионы – к катоду, а отрицательные – к аноду. Подойдя к катоду, положительные ионы получают от него недостающие им электроны и образуют электрически нейтральные атомы. На аноде происходит обратный процесс: отрицательные ионы отдают аноду избыточные электроны. Например, при электролизе раствора поваренной соли на катоде отлагаются положительные ионы натрия, на аноде – отрицательные ионы хлора. В результате непрерывного перехода электронов с катода на ионы и поступления их на анод поддерживается движение электронов в проводах, соединяющих источник электрической энергии с электродами.
Законы Фарадея
При прохождении электрического тока через электролит на электродах выделяется определенное количество веществ, содержащихся в виде химического соединения в электролите. Зависимость выделенного вещества от тока устанавливается законами Фарадея.
Первый закон Фарадея сформулирован так: количество вещества, выделившегося на электродах при прохождении тока через электролит, прямо пропорциональноколичеству электричества, прошедшему через электролит.
При прохождении одного кулона электричества из электролита выделяется определенное количество массы вещества, называемое электрохимическим эквивалентом данного вещества.
В практических расчетах для определения количества электричества удобнее пользоваться не кулонами, а ампер-часами (А*ч). Так как один кулон равен ампер-секунде, то между ампер-часом и кулоном имеет место следующее соотношение: 1 А * ч = 60 * 60 = 3600А * с = 3600 Кл.
Электрический эквивалент К выражается в граммах, отнесенных к одному ампер-часу количества электричества (г/ А*ч), т.е. это количество массы вещества, выделившегося из электролита, выраженное в граммах, при прохождении через электролит одного ампер-часа количества электричества.
Обозначив через I неизменный ток, протекающий через электролит в течении t (ч), а электрохимический эквивалент данного вещества – через К, определим количество массы данного вещества q (г), выделившегося за это время: q = KIt .
Например, если прохождении через медно-кислый электролит тока в 1 А в течении 1 ч на катоде выделяется 1,186 г меди, то при токе в 10 А из такого же раствора за 10 ч выделится 1,186 * 10 * 10 = 118,6 (г).
Второй закон Фарадея гласит: при одном и том же количестве электричества, протекающего через различные электролиты, количество массы веществ, выделившихся на электродах, пропорционально их химическим эквивалентам.
Одновалентный элемент имеет атомный вес, равный химическому эквиваленту, а n-валентный элемент обладает химическим эквивалентом в n раз меньше атомного веса, т.е.
а = А/n
где А – атомный вес;
n – валентность;
а – химический эквивалент вещества.
Например, атомный вес алюминия А = 27, валентность n = 3, следовательно, его химический эквивалент а = 27 / 3 = 9.
Из сопоставления первого и второго законов Фарадея вытекает, что электрохимические эквиваленты пропорциональны их химическим эквивалентам, т.е. K1/a1 = K2/a2 = K3/a3 =…
Следовательно, отношение электрохимических эквивалентов к химическим эквивалентам является величиной постоянной, равной K/a = 3,72 * 10-2 = 0,0372 = 1/26,8.
Итак, второй закон Фарадея может быть выражен следующим образом:
K = a/26,8 = A/26,8 n.
Электролиз получил широкое применение в различных отраслях промышленности.
Впервые он был использован для гальванопластики, представляющий собой получение копий с рельефом. С этой целью гипсовый оттиск (негатив) со снимаемого рельефа покрывают слоем графита и погружают в раствор соли металла, который осаждается в оттиске, как на катоде. После удаления гипса получается металлическая копия рельефа.
С помощью электролиза наносят относительно тонкие покрытия одних металлов на другие (гальваностегия). Гальваностегия используется для придания изделиям декоративного вида и защиты от коррозии. Таким способом производят золочение, серебрение, никелирование и т.д.
Электролиз служит также для очистки (рафинирования) металлов, например меди. Пластины литой меди, полученной путем обжига руды, опускают в качестве анодов в ванны, содержащие раствор медного корпуса, подкисленной серной кислотойдляповышения проводимости электролита. Катодами в этих ваннах являются тонкие медные пластины, на которых отлагается электролитическая медь, а примеси осаждаются на дно ванны.
Весьма распространен электролитический способ получения едких щелочей натрия, калия и хлора, а также кислорода и водорода путем разложения воды, подкисленной серной кислотой.
Явление электролиза представляет опасность для ряда подземных сооружений.
Под действием электролиза блуждающими токами может быть разрушена броня кабелей, водопроводных и газовых труб и других металлических сооружений. Главнейшим источником этих токов является электрооборудование транспорта – трамваев и электрифицированных железных дорог. Особенно вредно действуют блуждающие токи на подземные телефонные кабели, которые покрыты незащищенной свинцовой оболочкой.
Приложение 9
Гальванические элементы.
В гальванических элементах во время работы происходит движение ионов и оседание на электродах элемента, выделившегося из электролита вещества. Простейшим гальваническим элементом является медно-цинковый. В стеклянный сосуд, наполненный раствором серной кислоты в воде, погружены медная и цинковая пластины, которые представляют собой положительный и отрицательный полюсы элемента. При замыкании цепи элемента каким-либо проводником внутри этого элемента будет протекать ток от цинковой отрицательной пластины к медной положительной, а во внешней цепи – от медной к цинковой. Под действием тока внутри элемента положительные ионы водорода движутся по направлению тока, отрицательные ионы кислотного остатка - в противоположном направлении. Соприкасаясь с медной пластиной, положительные ионы водорода отдают ей свои заряды, а водород в виде пузырьков газа скапливается на ее поверхности. В то же время отрицательные ионы остатка серной кислоты отдают свои заряды цинковой пластине. Таким образом, происходит непрерывный заряд пластин элемента, поддерживающий разность потенциалов (напряжение) на его зажимах.
Выделение водорода на медной пластине элемента ослабляет его действие – поляризует элемент. Явление поляризации состоит в том, что скапливающийся на положительном электроде водород создает в совокупности с металлом электрода дополнительную разность потенциалов, называемую электродвижущейсилой поляризации, которая направлена противоположно движущей силе элемента. Кроме того, пузырьки водорода, покрывающие часть медной пластины, уменьшают ее действующую поверхность, что увеличивает внутреннее сопротивление элемента.
Поляризация в рассмотренном элементе настолько значительна, что делает его непригодным для практических целей. Для устранения поляризации в состав элемента вводят поглотитель, носящий название деполяризатора,который предназначен для поглощения водорода и препятствия скапливанию его на положительном полюсе элемента. Деполяризаторами могут служить химические препараты, богатые водородом или хлором.
Электродвижущая сила гальванического элемента зависит от химических и физических свойств веществ, его составляющих, и не зависит ни от формы и размеров элемента, ни от его внутреннего устройства.
Но внутреннее устройство и размеры отдельных частей элемента оказывают большое влияние на его внутреннее сопротивление, так как оно зависит от расстояния между полюсами ( при уменьшении этого расстояния внутреннее сопротивление элемента уменьшается), размера погруженной в жидкость поверхности полюсов ( при увеличении этой поверхности внутреннее сопротивление уменьшается), химического состава жидкости элемента.
Внутреннее сопротивление гальванических элементов не является постоянным и по мере работы элемента постепенно возрастает.
В зависимости от способа деполяризации гальванические элементы могут быть подразделены на два типа: элементы, в которых в качестве деполяризатора применяют раствор какой – либо соли, например медно-цинковые, и элементы, в которых анод окружен перекисью марганца, например, угольно-цинковые. Гальванические элементы указанных типов широко применяют в электротехнике.
Электродвижущая сила медно- цинкового элемента равна 1,1 В, а внутренние сопротивление в зависимости от времени работы – 5-10 Ом.
В угольно-цинковом элементе положительным полюсом служит угольная пластина, а отрицательным – цинковый стержень. Деполяризатором в этом элементе является спрессованная под большим давлением смесь, называемая агломератом, которая состоит из перекиси марганца и графита. В качестве электролита в угольно-цинковом элементе применяют водный раствор хлористого аммония. Электродвижущая сила угольно-цинкового элемента – 1,4 – 1,5 B в начале разряда при среднем значении 0,9 – 1,1 B, а внутренние сопротивление в зависимости от конструкции элемента – 0,25- 0,7 Ом в начале разряда и 1,4 – 5 Ом – в конце.
Уголньно-цинковые элементы отечественная промышленность выпускает в виде так называемых сухих элементов стаканчиковогои галетного типов, весьма удобных для переноски и перевозки.
В сухих элементах стаканчикового типа положительный полюс 8 с алгоритмом 2 помещают внутри цинковой коробки 9, которая служит отрицательным полюсом элемента. Пространство между стенками цинковой коробки и алгоритмом заполняется пастой 1, состоящей из раствора хлористого аммония и картофельной муки. Над алгоритмом укладывают картонную прокладку 3, на которую насыпают прослойку 4 из опилок, сверху опилки закрывают прокладкой 5. Затем элемент заливают смолой 7, в которую вставляют трубку 6. Назначение этой трубки – удалять образующиеся внутри элемента газы.
Сухой гальванический элемент
На выходящей из смолы угольный электрод насаживают медный колпачок с винтом и гайкой для присоединения проводника. К верхней части цинковой коробки (отрицательному полюсу) припаивают изолированный гибкий проводник. На дно коробки укладывают изолирующую прокладку 10.
В галетном элементе отрицательным электродом является цинковая пластина, положительным – спрессованный в виде галеты порошок диоксида марганца с углем. Между электродами помещают картонную пластинку, пропитанную раствором нашатырного спирта. Наружная поверхность цинковой пластины покрыта слоем канифоли с частицами графита для электропроводности. В качестве изоляции используют хлорвиниловые пленки. Галетные элементы компактны, а их активные материалы (уголособенно цинк) используются лучше, чем в стаканчиковых элементах.
Приложение 10
Аккумуляторы
Аккумулятором называется прибор, обладающий способностью накапливать и сохранять в течение некоторого времени электрическую энергию в результате химических процессов. В аккумуляторе, как и в гальваническом элементе, электрический ток является следствием химических процессов. Но в отличие от аккумулятора в гальваническом элементе получающиеся химические соединения не могут быть вторично разложены и приведены в первоначальное состояние током постороннего источника. Поэтому гальванические элементы называются первичными, а аккумуляторы – вторичными, или обратными. Повторные заряд и разряд не только не вредят аккумулятору, но даже улучшают его свойства, так как в работе учувствуют все более глубокие слои пластин электродов.
В зависимости от состава электролита и материала пластин аккумуляторы могут быть кислотными и щелочными.
Простейший кислотный аккумулятор состоит из двух свинцовых пластин (электродов), погруженных в электролит, которым служит вода с небольшим добавлением серной кислоты. Постоянный ток постороннего источника, проходя через электролит, разлагает его на составные части. Внутри электролита возникает движение положительных ионов водорода к пластине, соединенной с отрицательным зажимом источника тока, и отрицательных ионов кислорода к пластине, соединенной с положительным зажимом источника тока. В результате электролиза окисляется свинец на положительном электроде и образуется губчатый свинец на отрицательном электроде. Таким образом, электрическая энергия преобразовывается в химическую, и аккумулятор становится заряженным. Химическая энергия может сохраняться определенное время и при необходимости легко переходит в электрическую.
Если аккумулятор отключить от источника тока и замкнуть на какой-либо приемник энергии, то он станет источником тока подобно гальваническому элементу, у которого электродами сложат пластины, отличающиеся по химическому составу.
Электролитом в кислотных аккумуляторах служит раствор серной кислоты определенной плотности. Плотностью раствора, называется число, показывающие во сколько раз масса этого раствора больше массы воды того же объема.
Для наполнения стационарных аккумуляторов употребляют раствор серной кислоты плотностью 1,21 при 15 °C , переносных аккумуляторов – раствор плотностью 1,26.
Плотность электролита определяют ареометром, который представляет собой стеклянную трубку, запаянную с обоих концов и имеющую внутри шкалу с делениями.
В нижней расширенной части ареометра находится ртуть или дробь, в результате чего трубка плавает вертикально. Ареометр опускают в сосуд с электролитом. Чем больше плотность электролита, тем выше поднимается ареометр из жидкости. Деление ареометра, совпадающие с уровнем раствора, показывает плотность электролита.
При составлении раствора для аккумуляторов серную кислоту тонкой струей наливают в воду. Нельзя вливать в серную кислоту воду, так как произойдет бурное разбрызгивание кислоты, которая может причинить ожоги. Вода для электролита должна быть дистиллированной.
Внутреннее сопротивление аккумуляторов очень мало по сравнению с внутренним сопротивлением гальванических элементов. Это дает возможность считать напряжение на зажимах аккумуляторной батареи примерно равным ее ЭДС. Однако внутреннее сопротивление не является постоянной величиной. Оно определяется составом пластин, расстоянием между ними, плотностью и температурой электролита, степенью заряженности аккумулятора. Так, сопротивление разряженного аккумулятора примерно в 1,5 – 2 раза больше, чем заряженного.
Электродвижущая сила аккумулятора зависит от плотности электролита, а не от его размеров и номинальной емкости. При плотностях электролита d в пределах 1,1 – 1,35 ЭДС аккумулятора E = 0,85 + d.
В процессе заряда и разряда аккумулятора плотность электролита не остается постоянной, в связи с чем изменяется как его ЭДС, так и напряжение на его зажимах.
График изменения напряжения кислотного
аккумулятора: 1 – при заряде; 2 – при разряде
При заряде аккумулятора увеличивается плотность электролита, вследствие чего напряжение на зажимах аккумулятора повышается (кривая 1). При разряде кислотного аккумулятора напряжение на его зажимах быстро падает до 1,85 – 1,8 В и после этого быстро уменьшается до нуля (кривая2). Понижение напряжения при заряде аккумулятора объясняется тем, что при разряде плотность его электролита уменьшается. Когда напряжение на аккумуляторе достигает значения 1,8 В (при кратковременном разряде 1,75В)
Это значит, что вся запасенная в нем энергия израсходована (на обеих пластинах образуется сульфат свинца, являющийся плохим проводником тока).
При дальнейшим разряде напряжения быстро уменьшается до нуля. Если аккумулятор отключить от нагрузки, то его напряжение вновь увеличится примерно до 2 В, так как электролит проникает вглубь пластин в поры активной массы. Однако при включении такого аккумулятора вновь на нагрузку напряжение на его зажимах снова быстро уменьшается до нуля.
Практически разряд доводят до 1,8 В, так как при разряде ниже 1,8 В аккумулятор приходит в негодность – пластины его частично покрываются белым налетом крупнокристаллического сульфата свинца, который представляет собой настолько плохой проводник, что заряд аккумуляторов до номинальной емкости становится невозможным. Это явление называется сульфитацией пластин аккумулятора.
Количество электричества, которое аккумулятор может отдать при разряде определенным током до низкого допустимого напряжения, называется емкостью. Она равна произведению разрядного тока в амперах на продолжительность времени разряда в часах и выражается а ампер-часах. Емкость аккумулятора зависит от количества активной массы, разрядного тока и температуры. Под номинальной емкостью понимают то количество электричества, которое отдает полностью заряженный аккумулятор при 10-часовом режиме разряда и температуре 25 °C. Таким образом, аккумулятор отдает номинальную емкость, разряжаясь в течении 10 ч током, численно равным 0,1 значение его номинальной емкости. При увеличении разрядного тока емкость аккумулятора уменьшается, так как поверхность пластин покрывается сульфатом свинца и затрудняет доступ электролита к внутренним слоям активной массы. При понижении температуры увеличивается вязкость электролита, что также затрудняет его доступ к внутренним слоям активной массы и уменьшает емкость аккумулятора.
В отключенном состоянии заряженный аккумулятор теряет часть запасенной им емкости. Это явление носит название саморазряда. Саморазряд аккумулятора увеличивается с повышением температуры и плотности электролита.
Для увеличения емкости аккумулятора несколько одноименных пластин соединяют параллельно. Каждая группа положительных и отрицательных пластин работает как одна большая пластина, площадь которой равна сумме их площадей. Так как положительные пластины должны находиться между отрицательными, число отрицательных пластин всегда на одну больше числа положительных. При этом условии обе стороны положительных пластин вступают во взаимодействие с электролитом (при односторонней работе положительные пластины коробятся и при соприкосновении с отрицательными пластинами может произойти короткое замыкание)
Стационарные кислотные аккумуляторы изготовляют в стеклянных или керамических сосудах. Аккумуляторы больших емкостей имеют деревянные сосуды, выложенные внутри свинцом или кислотостойким изоляционным материалом. Кислотные аккумуляторы применяют на электротехнических установках стационарного типа и автотранспорте. В качестве переносных аккумуляторов используют преимущественно щелочные.
Схема соединения пластин кислотного
аккумулятора
Сосуды щелочных аккумуляторов сваривают из тонкой листовой стали и с наружной стороны никелируют. В центре крышки сосуда имеется отверстие для заливки аккумуляторов электролитом.
Электродвижущая сила щелочных аккумуляторов зависит от состояния активной массы пластин. От температуры и плотности электролита ЭДС зависит незначительно, и только при низких температурах, близких к нулю, она резко уменьшается. Напряжение в конце заряда аккумулятора равно
1,8 В, по окончанию заряда – 1,5-1,55В, ЭДС разряженного аккумулятора – 1,3 В.
Внутренние сопротивление щелочного аккумулятора значительно больше внутреннего сопротивления кислотного.
Достоинства щелочных аккумуляторов: не требуют тщательного ухода, не боятся сотрясений, могут длительно оставаться в разряженном состоянии, выносят короткие замыкания, которые для кислотных аккумуляторов представляют большую опасность. Саморазряд у щелочных аккумуляторов меньше, чем у кислотных.
Работу аккумулятора характеризуют отдачи по емкости энергии.
Количество Q, полученное аккумулятором во время заряда, называется емкостью аккумулятора при заряде:
Q = I3T,
где I3 –токпри заряде, А;
T – продолжительность заряда, ч.
Количество электричества q, отданное аккумулятором во время разряда, называется емкостью аккумулятора при разряде. Если обозначить разрядный ток Iр , а продолжительность заряда – t, то емкость аккумулятора при разряде q = Iр t.
Отношение емкости при разряде к емкости при заряде называется отдачей аккумулятора по емкости ή1 или поколичеству электричества
ή1 = q/ Q= Iр t / (I3T)
Среднее значение ή1 для кислотных аккумуляторов – 0,85, для щелочных – 0,65.
Если обозначить среднее значение напряжения аккумулятора при его заряде – U3 и время заряда – T, то при зарядном токе I3 электрическая энергия, или работа, затраченная на заряд аккумулятора, A1 = U3I3T (Вт * ч).
Соответственно электрическая энергия, полученная от разряда аккумулятора при среднем напряжении Uи разрядом тока Iр в теченииt, составит A1 = UрIрt.
Отношение энергии, полученной от аккумулятора при его разряде, к энергии, затраченной на его заряд, называется отдачей аккумулятора по энергии
ή2: ή 2 A2/A1 =UрIрt / (U3I3T).
Среднее значение ή 2для кислотных аккумуляторов –0,65,а для щелочных – 0,45.
В зависимости от материала электродов щелочные аккумуляторы разделяют на кадмиево-никеливые, железоникелевые, серебряно-цинковые, золото-цинковые и газовые.
Применение в массовом масштабе золото-цинковых аккумуляторов ограничивается высокой стоимостью.
Наиболее широко распространение получили кадмиево-никеливые и железоникелевые аккумуляторы, электролитом в которых служит раствор едкого калия в воде; плотность электролита 1,2. По своему устройству и электрическим данным аккумуляторы этих типов незначительно отличаются друг от друга. Активную массу запрессовывают в брикеты (пакеты), а затем собирают в отдельные пластины. У железоникелевых аккумуляторов отрицательных пластин на одну больше, чем положительных, у кадмиево-никелевых положительных пластин на одну больше, чем отрицательных. Один из полюсов аккумулятора соединяется с сосудом (у железоникелевых – отрицательный, кадмиево-никелевых – положительный).
В кадмиево-никелевых аккумуляторах активная масса положительных пластин состоит из гидрата оксида никеля, который для лучшей проводимости смешивают с графитом. Активная масса отрицательных пластин представляет собой гидрат оксида кадмия и железа.
В железоникелевых аккумуляторах активной массой положительных пластин является гидрат закиси никеля, смешанный с графитом, а отрицательных пластин – специально приготовленный железный порошок.
Благодаря высоким эксплуатационным показателям за последние годы нашли широкое применение серебряно-цинковые аккумуляторы.
Серебряно-цинковый аккумулятор представляет собой пластмассовый сосуд, в котором помещены положительные и отрицательные электроды, составленные из отдельных пластин. Отрицательные электроды, изготовленные из пластин оксида цинка, заключены в защитные пакеты из материала, который хорошо пропускает электролит, но задерживает металлические частицы. Положительные пластины изготовлены из серебра.
Электролитом серебряно-цинковых аккумуляторов служит водный раствор едкого калия. Для нормальной работы аккумулятора необходимо небольшое количество электролита, что позволяет использовать аккумулятор полусухим и эксплуатировать его в любом положении (вертикально и горизонтально). Трубка, которой закрывается сосуд, водонепроницаема и открывается только на время заряда. При заряде аккумулятор должен находиться в вертикальном положении, ЭДС полностью заряженного аккумулятора равна 1,82 – 1,86 В, напряжение при разряде - ≈ 1,5 В.
Достоинства серебряно-цинковых аккумуляторов: малое внутреннее сопротивление и масса.
Серебряно-цинковые аккумуляторы работают при температуре до -59 °C, т.е. до замерзания электролита. Верхний предел температуры +80 °C. Они переносят относительно большие перепады давления окружающей среды.
Для составления аккумуляторной батареи или батареи гальванических элементов несколько элементов соединяют последовательно, т.е. катод первого аккумулятора соединяют с анодом второго, катод второго – с анодом третьего и т.д. Получившиеся таким образом свободные электроды, а именно, анод первого элемента и катод последнего, являются соответственно положительным и отрицательным полюсами аккумуляторной батареи. При определении ЭДС аккумуляторной батареи из n аккумуляторов или гальванических элементов с ЭДС одного элемента E0 и внутренним сопротивлением R0 ЭДС батареи будет E = nE0 и внутреннее сопротивление
R = nR0.
Последовательное соединение элементов используется для увеличения напряжения. Чтобы получить при малом напряжении ток, применяют несколько параллельно соединенных аккумуляторов или элементов.
Для этого положительные и отрицательные полюсы всех элементов соединяют между собой отдельно и полученные общие положительные и отрицательные полюсы являются полюсами батареи. Если батарея состоит из m параллельно соединенных элементов, то ее ЭДС E = E0 , а внутреннее сопротивление R = R0/m. Если n – число групп или элементов в группе, соединенных последовательно, m – число групп или элементов в группе, соединенных параллельно, то ЭДС батареи E = nE0, а ее внутреннее сопротивление
R = R0/m.
Приложение 11
infopedia.su
Химическое действие электрического тока
Электролиз
Растворы солей и кислот в воде или каком-либо другом растворе проводят электрический ток и называются электролитами, или проводниками второгорода, в отличие от металлических проводников, называемых проводниками первого рода.
Электрический ток может проходить через среды, имеющие электрически заряженные частицы, обладающие способностью перемещаться.
При растворении солей и кислот в воде или каком-либо ином растворителе (этиловый спирт, бензин, бензол и др.) часть молекул распадается на две части, называемые ионами, причем одна часть имеет положительный заряд, другая – отрицательный.
Таким образом, в отличие от металлических проводников, где переносчиками электричества являются электроны, в электролитах ими служат ионы. Ионы могут быть простыми и сложными. Простой ион образован одним атомом вещества. Ионы, состоящие из нескольких атомов, называются сложными.
Распад химических соединений на ионы под действием растворителя называется электролитической диссоциацией и выражается обычными химическими уравнениями, в левой части которых помещаются химические символы распадающихся веществ, а в правой образующиеся от этих веществ ионы. Например, уравнение диссоциации поваренной соли (хлористого натрия) записывается следующим образом: NaCl = Na++ Cl- .
Для более сложных соединений процесс диссоциации может протекать в несколько стадий.
Если сосуд с электролитом погружены две металлические пластины, называемые электродами, которые с помощью проволочных проводников присоединены к источнику энергии постоянного тока, то вследствие разности потенциалов между электродами через электролит будет протекать ток. Прохождение тока через электролит сопровождается химическим процессом, называемым электролизом.Находящиеся в электролите ионы, притягиваясь к электродам, двигаются в противоположных направлениях: положительные ионы – к катоду, а отрицательные – к аноду. Подойдя к катоду, положительные ионы получают от него недостающие им электроны и образуют электрически нейтральные атомы. На аноде происходит обратный процесс: отрицательные ионы отдают аноду избыточные электроны. Например, при электролизе раствора поваренной соли на катоде отлагаются положительные ионы натрия, на аноде – отрицательные ионы хлора. В результате непрерывного перехода электронов с катода на ионы и поступления их на анод поддерживается движение электронов в проводах, соединяющих источник электрической энергии с электродами.
Законы Фарадея
При прохождении электрического тока через электролит на электродах выделяется определенное количество веществ, содержащихся в виде химического соединения в электролите. Зависимость выделенного вещества от тока устанавливается законами Фарадея.
Первый закон Фарадея сформулирован так: количество вещества, выделившегося на электродах при прохождении тока через электролит, прямо пропорциональноколичеству электричества, прошедшему через электролит .
При прохождении одного кулона электричества из электролита выделяется определенное количество массы вещества, называемое электрохимическим эквивалентом данного вещества.
В практических расчетах для определения количества электричества удобнее пользоваться не кулонами, а ампер-часами (А*ч). Так как один кулон равен ампер-секунде, то между ампер-часом и кулоном имеет место следующее соотношение: 1 А * ч = 60 * 60 = 3600А * с = 3600 Кл.
Электрический эквивалент К выражается в граммах, отнесенных к одному ампер-часу количества электричества (г/ А*ч), т.е. это количество массы вещества, выделившегося из электролита, выраженное в граммах, при прохождении через электролит одного ампер-часа количества электричества.
Обозначив через I неизменный ток, протекающий через электролит в течении t (ч), а электрохимический эквивалент данного вещества – через К, определим количество массы данного вещества q (г), выделившегося за это время: q = KIt .
Например, если прохождении через медно-кислый электролит тока в 1 А в течении 1 ч на катоде выделяется 1,186 г меди, то при токе в 10 А из такого же раствора за 10 ч выделится 1,186 * 10 * 10 = 118,6 (г).
Второй закон Фарадея гласит: при одном и том же количестве электричества, протекающего через различные электролиты, количество массы веществ, выделившихся на электродах, пропорционально их химическим эквивалентам.
Одновалентный элемент имеет атомный вес, равный химическому эквиваленту, а n-валентный элемент обладает химическим эквивалентом в n раз меньше атомного веса, т.е.
а = А/n
где А– атомный вес;
n– валентность;
а– химический эквивалент вещества.
Например, атомный вес алюминия А = 27, валентность n = 3, следовательно, его химический эквивалент а = 27 / 3 = 9.
Из сопоставления первого и второго законов Фарадея вытекает, что электрохимические эквиваленты пропорциональны их химическим эквивалентам, т.е. K1 /a1= K2 /a2= K3 /a3=…
Следовательно, отношение электрохимических эквивалентов к химическим эквивалентам является величиной постоянной, равной K/a = 3,72 * 10-2 = 0,0372 = 1/26,8.
Итак, второй закон Фарадея может быть выражен следующим образом:
K = a/26,8 = A/26,8 n.
Электролиз получил широкое применение в различных отраслях промышленности.
Впервые он был использован для гальванопластики, представляющий собой получение копий с рельефом. С этой целью гипсовый оттиск (негатив) со снимаемого рельефа покрывают слоем графита и погружают в раствор соли металла, который осаждается в оттиске, как на катоде. После удаления гипса получается металлическая копия рельефа.
С помощью электролиза наносят относительно тонкие покрытия одних металлов на другие (гальваностегия). Гальваностегия используется для придания изделиям декоративного вида и защиты от коррозии. Таким способом производят золочение, серебрение, никелирование и т.д.
Электролиз служит также для очистки (рафинирования) металлов, например меди. Пластины литой меди, полученной путем обжига руды, опускают в качестве анодов в ванны, содержащие раствор медного корпуса, подкисленной серной кислотойдляповышения проводимости электролита. Катодами в этих ваннах являются тонкие медные пластины, на которых отлагается электролитическая медь, а примеси осаждаются на дно ванны.
Весьма распространен электролитический способ получения едких щелочей натрия, калия и хлора, а также кислорода и водорода путем разложения воды, подкисленной серной кислотой.
Явление электролиза представляет опасность для ряда подземных сооружений.
Под действием электролиза блуждающими токами может быть разрушена броня кабелей, водопроводных и газовых труб и других металлических сооружений. Главнейшим источником этих токов является электрооборудование транспорта – трамваев и электрифицированных железных дорог. Особенно вредно действуют блуждающие токи на подземные телефонные кабели, которые покрыты незащищенной свинцовой оболочкой.
Приложение 9
Гальванические элементы.
В гальванических элементах во время работы происходит движение ионов и оседание на электродах элемента, выделившегося из электролита вещества. Простейшим гальваническим элементом является медно-цинковый. В стеклянный сосуд, наполненный раствором серной кислоты в воде, погружены медная и цинковая пластины, которые представляют собой положительный и отрицательный полюсы элемента. При замыкании цепи элемента каким-либо проводником внутри этого элемента будет протекать ток от цинковой отрицательной пластины к медной положительной, а во внешней цепи – от медной к цинковой. Под действием тока внутри элемента положительные ионы водорода движутся по направлению тока, отрицательные ионы кислотного остатка - в противоположном направлении. Соприкасаясь с медной пластиной, положительные ионы водорода отдают ей свои заряды, а водород в виде пузырьков газа скапливается на ее поверхности. В то же время отрицательные ионы остатка серной кислоты отдают свои заряды цинковой пластине. Таким образом, происходит непрерывный заряд пластин элемента, поддерживающий разность потенциалов (напряжение) на его зажимах.
Выделение водорода на медной пластине элемента ослабляет его действие – поляризует элемент. Явление поляризации состоит в том, что скапливающийся на положительном электроде водород создает в совокупности с металлом электрода дополнительную разность потенциалов, называемую электродвижущейсилой поляризации , которая направлена противоположно движущей силе элемента. Кроме того, пузырьки водорода, покрывающие часть медной пластины, уменьшают ее действующую поверхность, что увеличивает внутреннее сопротивление элемента.
Поляризация в рассмотренном элементе настолько значительна, что делает его непригодным для практических целей. Для устранения поляризации в состав элемента вводят поглотитель, носящий название деполяризатора, который предназначен для поглощения водорода и препятствия скапливанию его на положительном полюсе элемента. Деполяризаторами могут служить химические препараты, богатые водородом или хлором.
Электродвижущая сила гальванического элемента зависит от химических и физических свойств веществ, его составляющих, и не зависит ни от формы и размеров элемента, ни от его внутреннего устройства.
Но внутреннее устройство и размеры отдельных частей элемента оказывают большое влияние на его внутреннее сопротивление, так как оно зависит от расстояния между полюсами ( при уменьшении этого расстояния внутреннее сопротивление элемента уменьшается), размера погруженной в жидкость поверхности полюсов ( при увеличении этой поверхности внутреннее сопротивление уменьшается), химического состава жидкости элемента.
Внутреннее сопротивление гальванических элементов не является постоянным и по мере работы элемента постепенно возрастает.
В зависимости от способа деполяризации гальванические элементы могут быть подразделены на два типа: элементы, в которых в качестве деполяризатора применяют раствор какой – либо соли, например медно-цинковые, и элементы, в которых анод окружен перекисью марганца, например, угольно-цинковые. Гальванические элементы указанных типов широко применяют в электротехнике.
Электродвижущая сила медно- цинкового элемента равна 1,1 В, а внутренние сопротивление в зависимости от времени работы – 5-10 Ом.
В угольно-цинковом элементе положительным полюсом служит угольная пластина, а отрицательным – цинковый стержень. Деполяризатором в этом элементе является спрессованная под большим давлением смесь, называемая агломератом, которая состоит из перекиси марганца и графита. В качестве электролита в угольно-цинковом элементе применяют водный раствор хлористого аммония. Электродвижущая сила угольно-цинкового элемента – 1,4 – 1,5 B в начале разряда при среднем значении 0,9 – 1,1 B, а внутренние сопротивление в зависимости от конструкции элемента – 0,25- 0,7 Ом в начале разряда и 1,4 – 5 Ом – в конце.
Уголньно-цинковые элементы отечественная промышленность выпускает в виде так называемых сухих элементов стаканчиковогои галетного типов , весьма удобных для переноски и перевозки.
В сухих элементах стаканчикового типа положительный полюс 8 с алгоритмом 2 помещают внутри цинковой коробки 9, которая служит отрицательным полюсом элемента. Пространство между стенками цинковой коробки и алгоритмом заполняется пастой 1, состоящей из раствора хлористого аммония и картофельной муки. Над алгоритмом укладывают картонную прокладку 3, на которую насыпают прослойку 4 из опилок, сверху опилки закрывают прокладкой 5. Затем элемент заливают смолой 7, в которую вставляют трубку 6. Назначение этой трубки – удалять образующиеся внутри элемента газы.
Сухой гальванический элемент
На выходящей из смолы угольный электрод насаживают медный колпачок с винтом и гайкой для присоединения проводника. К верхней части цинковой коробки (отрицательному полюсу) припаивают изолированный гибкий проводник. На дно коробки укладывают изолирующую прокладку 10.
В галетном элементе отрицательным электродом является цинковая пластина, положительным – спрессованный в виде галеты порошок диоксида марганца с углем. Между электродами помещают картонную пластинку, пропитанную раствором нашатырного спирта. Наружная поверхность цинковой пластины покрыта слоем канифоли с частицами графита для электропроводности. В качестве изоляции используют хлорвиниловые пленки. Галетные элементы компактны, а их активные материалы (уголособенно цинк) используются лучше, чем в стаканчиковых элементах.
Приложение 10
Аккумуляторы
Аккумулятором называется прибор, обладающий способностью накапливать и сохранять в течение некоторого времени электрическую энергию в результате химических процессов. В аккумуляторе, как и в гальваническом элементе, электрический ток является следствием химических процессов. Но в отличие от аккумулятора в гальваническом элементе получающиеся химические соединения не могут быть вторично разложены и приведены в первоначальное состояние током постороннего источника. Поэтому гальванические элементы называются первичными, а аккумуляторы – вторичными, или обратными. Повторные заряд и разряд не только не вредят аккумулятору, но даже улучшают его свойства, так как в работе учувствуют все более глубокие слои пластин электродов.
В зависимости от состава электролита и материала пластин аккумуляторы могут быть кислотными и щелочными.
Простейший кислотный аккумулятор состоит из двух свинцовых пластин (электродов), погруженных в электролит, которым служит вода с небольшим добавлением серной кислоты. Постоянный ток постороннего источника, проходя через электролит, разлагает его на составные части. Внутри электролита возникает движение положительных ионов водорода к пластине, соединенной с отрицательным зажимом источника тока, и отрицательных ионов кислорода к пластине, соединенной с положительным зажимом источника тока. В результате электролиза окисляется свинец на положительном электроде и образуется губчатый свинец на отрицательном электроде. Таким образом, электрическая энергия преобразовывается в химическую, и аккумулятор становится заряженным. Химическая энергия может сохраняться определенное время и при необходимости легко переходит в электрическую.
Если аккумулятор отключить от источника тока и замкнуть на какой-либо приемник энергии, то он станет источником тока подобно гальваническому элементу, у которого электродами сложат пластины, отличающиеся по химическому составу.
Электролитом в кислотных аккумуляторах служит раствор серной кислоты определенной плотности. Плотностью раствора , называется число, показывающие во сколько раз масса этого раствора больше массы воды того же объема.
Для наполнения стационарных аккумуляторов употребляют раствор серной кислоты плотностью 1,21 при 15 °C , переносных аккумуляторов – раствор плотностью 1,26.
Плотность электролита определяют ареометром, который представляет собой стеклянную трубку, запаянную с обоих концов и имеющую внутри шкалу с делениями.
В нижней расширенной части ареометра находится ртуть или дробь, в результате чего трубка плавает вертикально. Ареометр опускают в сосуд с электролитом. Чем больше плотность электролита, тем выше поднимается ареометр из жидкости. Деление ареометра, совпадающие с уровнем раствора, показывает плотность электролита.
При составлении раствора для аккумуляторов серную кислоту тонкой струей наливают в воду. Нельзя вливать в серную кислоту воду, так как произойдет бурное разбрызгивание кислоты, которая может причинить ожоги. Вода для электролита должна быть дистиллированной.
Внутреннее сопротивление аккумуляторов очень мало по сравнению с внутренним сопротивлением гальванических элементов. Это дает возможность считать напряжение на зажимах аккумуляторной батареи примерно равным ее ЭДС. Однако внутреннее сопротивление не является постоянной величиной. Оно определяется составом пластин, расстоянием между ними, плотностью и температурой электролита, степенью заряженности аккумулятора. Так, сопротивление разряженного аккумулятора примерно в 1,5 – 2 раза больше, чем заряженного.
Электродвижущая сила аккумулятора зависит от плотности электролита, а не от его размеров и номинальной емкости. При плотностях электролита d в пределах 1,1 – 1,35 ЭДС аккумулятора E = 0,85 + d.
В процессе заряда и разряда аккумулятора плотность электролита не остается постоянной, в связи с чем изменяется как его ЭДС, так и напряжение на его зажимах.
График изменения напряжения кислотного
аккумулятора: 1 – при заряде; 2 – при разряде
При заряде аккумулятора увеличивается плотность электролита, вследствие чего напряжение на зажимах аккумулятора повышается (кривая 1). При разряде кислотного аккумулятора напряжение на его зажимах быстро падает до 1,85 – 1,8 В и после этого быстро уменьшается до нуля (кривая2). Понижение напряжения при заряде аккумулятора объясняется тем, что при разряде плотность его электролита уменьшается. Когда напряжение на аккумуляторе достигает значения 1,8 В (при кратковременном разряде 1,75В)
Это значит, что вся запасенная в нем энергия израсходована (на обеих пластинах образуется сульфат свинца, являющийся плохим проводником тока).
При дальнейшим разряде напряжения быстро уменьшается до нуля. Если аккумулятор отключить от нагрузки, то его напряжение вновь увеличится примерно до 2 В, так как электролит проникает вглубь пластин в поры активной массы. Однако при включении такого аккумулятора вновь на нагрузку напряжение на его зажимах снова быстро уменьшается до нуля.
Практически разряд доводят до 1,8 В, так как при разряде ниже 1,8 В аккумулятор приходит в негодность – пластины его частично покрываются белым налетом крупнокристаллического сульфата свинца, который представляет собой настолько плохой проводник, что заряд аккумуляторов до номинальной емкости становится невозможным. Это явление называется сульфитацией пластин аккумулятора.
Количество электричества, которое аккумулятор может отдать при разряде определенным током до низкого допустимого напряжения, называется емкостью. Она равна произведению разрядного тока в амперах на продолжительность времени разряда в часах и выражается а ампер-часах. Емкость аккумулятора зависит от количества активной массы, разрядного тока и температуры. Под номинальной емкостью понимают то количество электричества, которое отдает полностью заряженный аккумулятор при 10-часовом режиме разряда и температуре 25 °C. Таким образом, аккумулятор отдает номинальную емкость, разряжаясь в течении 10 ч током, численно равным 0,1 значение его номинальной емкости. При увеличении разрядного тока емкость аккумулятора уменьшается, так как поверхность пластин покрывается сульфатом свинца и затрудняет доступ электролита к внутренним слоям активной массы. При понижении температуры увеличивается вязкость электролита, что также затрудняет его доступ к внутренним слоям активной массы и уменьшает емкость аккумулятора.
В отключенном состоянии заряженный аккумулятор теряет часть запасенной им емкости. Это явление носит название саморазряда. Саморазряд аккумулятора увеличивается с повышением температуры и плотности электролита.
Для увеличения емкости аккумулятора несколько одноименных пластин соединяют параллельно. Каждая группа положительных и отрицательных пластин работает как одна большая пластина, площадь которой равна сумме их площадей. Так как положительные пластины должны находиться между отрицательными, число отрицательных пластин всегда на одну больше числа положительных. При этом условии обе стороны положительных пластин вступают во взаимодействие с электролитом (при односторонней работе положительные пластины коробятся и при соприкосновении с отрицательными пластинами может произойти короткое замыкание)
Стационарные кислотные аккумуляторы изготовляют в стеклянных или керамических сосудах. Аккумуляторы больших емкостей имеют деревянные сосуды, выложенные внутри свинцом или кислотостойким изоляционным материалом. Кислотные аккумуляторы применяют на электротехнических установках стационарного типа и автотранспорте. В качестве переносных аккумуляторов используют преимущественно щелочные.
Схема соединения пластин кислотного
аккумулятора
Сосуды щелочных аккумуляторов сваривают из тонкой листовой стали и с наружной стороны никелируют. В центре крышки сосуда имеется отверстие для заливки аккумуляторов электролитом.
Электродвижущая сила щелочных аккумуляторов зависит от состояния активной массы пластин. От температуры и плотности электролита ЭДС зависит незначительно, и только при низких температурах, близких к нулю, она резко уменьшается. Напряжение в конце заряда аккумулятора равно
1,8 В, по окончанию заряда – 1,5-1,55В, ЭДС разряженного аккумулятора – 1,3 В.
Внутренние сопротивление щелочного аккумулятора значительно больше внутреннего сопротивления кислотного.
Достоинства щелочных аккумуляторов: не требуют тщательного ухода, не боятся сотрясений, могут длительно оставаться в разряженном состоянии, выносят короткие замыкания, которые для кислотных аккумуляторов представляют большую опасность. Саморазряд у щелочных аккумуляторов меньше, чем у кислотных.
Работу аккумулятора характеризуют отдачи по емкости энергии.
Количество Q, полученное аккумулятором во время заряда, называется емкостью аккумулятора при заряде:
Q = I3T,
где I3 – токпри заряде, А;
T – продолжительность заряда, ч.
Количество электричества q, отданное аккумулятором во время разряда, называется емкостью аккумулятора при разряде. Если обозначить разрядный ток Iр , а продолжительность заряда – t, то емкость аккумулятора при разряде q = Iр t.
Отношение емкости при разряде к емкости при заряде называется отдачей аккумулятора по емкости ή1 или поколичеству электричества
ή1 = q/ Q= Iр t / (I3T)
Среднее значение ή1 для кислотных аккумуляторов – 0,85, для щелочных – 0,65.
Если обозначить среднее значение напряжения аккумулятора при его заряде – U3и время заряда – T, то при зарядном токе I3электрическая энергия, или работа, затраченная на заряд аккумулятора, A1= U3 I3 T (Вт * ч).
Соответственно электрическая энергия, полученная от разряда аккумулятора при среднем напряжении Uи разрядом тока Iр в теченииt, составит A1= Uр Iр t.
Отношение энергии, полученной от аккумулятора при его разряде, к энергии, затраченной на его заряд, называется отдачей аккумулятора по энергии
ή2: ή 2 A2/A1 =UрIрt / (U3I3T).
Среднее значение ή 2 для кислотных аккумуляторов –0,65,а для щелочных – 0,45.
В зависимости от материала электродов щелочные аккумуляторы разделяют на кадмиево-никеливые, железоникелевые, серебряно-цинковые, золото-цинковые и газовые.
Применение в массовом масштабе золото-цинковых аккумуляторов ограничивается высокой стоимостью.
Наиболее широко распространение получили кадмиево-никеливые и железоникелевые аккумуляторы, электролитом в которых служит раствор едкого калия в воде; плотность электролита 1,2. По своему устройству и электрическим данным аккумуляторы этих типов незначительно отличаются друг от друга. Активную массу запрессовывают в брикеты (пакеты), а затем собирают в отдельные пластины. У железоникелевых аккумуляторов отрицательных пластин на одну больше, чем положительных, у кадмиево-никелевых положительных пластин на одну больше, чем отрицательных. Один из полюсов аккумулятора соединяется с сосудом (у железоникелевых – отрицательный, кадмиево-никелевых – положительный).
В кадмиево-никелевых аккумуляторах активная масса положительных пластин состоит из гидрата оксида никеля, который для лучшей проводимости смешивают с графитом. Активная масса отрицательных пластин представляет собой гидрат оксида кадмия и железа.
В железоникелевых аккумуляторах активной массой положительных пластин является гидрат закиси никеля, смешанный с графитом, а отрицательных пластин – специально приготовленный железный порошок.
Благодаря высоким эксплуатационным показателям за последние годы нашли широкое применение серебряно-цинковые аккумуляторы.
Серебряно-цинковый аккумулятор представляет собой пластмассовый сосуд, в котором помещены положительные и отрицательные электроды, составленные из отдельных пластин. Отрицательные электроды, изготовленные из пластин оксида цинка, заключены в защитные пакеты из материала, который хорошо пропускает электролит, но задерживает металлические частицы. Положительные пластины изготовлены из серебра.
Электролитом серебряно-цинковых аккумуляторов служит водный раствор едкого калия. Для нормальной работы аккумулятора необходимо небольшое количество электролита, что позволяет использовать аккумулятор полусухим и эксплуатировать его в любом положении (вертикально и горизонтально). Трубка, которой закрывается сосуд, водонепроницаема и открывается только на время заряда. При заряде аккумулятор должен находиться в вертикальном положении, ЭДС полностью заряженного аккумулятора равна 1,82 – 1,86 В, напряжение при разряде - ≈ 1,5 В.
Достоинства серебряно-цинковых аккумуляторов: малое внутреннее сопротивление и масса.
Серебряно-цинковые аккумуляторы работают при температуре до -59 °C, т.е. до замерзания электролита. Верхний предел температуры +80 °C. Они переносят относительно большие перепады давления окружающей среды.
Для составления аккумуляторной батареи или батареи гальванических элементов несколько элементов соединяют последовательно, т.е. катод первого аккумулятора соединяют с анодом второго, катод второго – с анодом третьего и т.д. Получившиеся таким образом свободные электроды, а именно, анод первого элемента и катод последнего, являются соответственно положительным и отрицательным полюсами аккумуляторной батареи. При определении ЭДС аккумуляторной батареи из n аккумуляторов или гальванических элементов с ЭДС одного элемента E0и внутренним сопротивлением R0ЭДС батареи будет E = nE0и внутреннее сопротивление
R = nR0.
Последовательное соединение элементов используется для увеличения напряжения. Чтобы получить при малом напряжении ток, применяют несколько параллельно соединенных аккумуляторов или элементов.
Для этого положительные и отрицательные полюсы всех элементов соединяют между собой отдельно и полученные общие положительные и отрицательные полюсы являются полюсами батареи. Если батарея состоит из m параллельно соединенных элементов, то ее ЭДС E = E0, а внутреннее сопротивление R = R0/m.Если n – число групп или элементов в группе, соединенных последовательно, m – число групп или элементов в группе, соединенных параллельно, то ЭДС батареи E = nE0, а ее внутреннее сопротивление
R = R0/m.
Приложение 11
studlib.info
Химическое действие - электрический ток
Химическое действие - электрический ток
Cтраница 1
Химическое действие электрического тока заключается в том, что, проходя через растворы солей, кислот и щелочей, он разлагает их на составные части. Это действие электрического тока называется электролизом. [2]
Как проявляется химическое действие электрического тока. [4]
Приводятся краткие сведения об использовании теплового и химического действия электрического тока, применение проводниковых и изоляционных материалов, расчете магкитных цепей и основных процессах, наблюдаемых в - магнитных полях, применительно к работе электрических машин, аппаратов, и приборов. [5]
Волластон ( 1766 - 1828) открыл химическое действие электрического тока, названное впоследствии электролизом. [6]
Следуя своей идее взаимопревращаемости сил, Фа-радей тщательно исследовал химическое действие электрического тока и установил, что одно и то же количество электричества освобождает количество простого вещества, пропорциональное его химическому эквиваленту. Наконец, он провел эксперименты для доказательства идентичности токов, получаемых от разных источников, и установил еще один закон: химическая сила, подобно магнитной силе, прямо пропорциональна абсолютному количеству проходящего электричества. [7]
При электрических способах регистрации используются механическое, тепловое или химическое действия электрического тока. [8]
Метод интегрирования тока по времени может быть основан на химическом действии электрического тока. На этом принципе работают различного рода кулонометры и химотроны. Подробнее этот метод рассмотрен в гл. [9]
Соответственно этому электрические методы подразделяются на: электрохимические - преимущественно использующие химическое действие электрического тока; электротермические - преимущественно использующие тепловое действие электрического тока; электромеханические - преимущественно использующие механическое действие электрического поля или разряда. [10]
Электрические методы обработки металлов разделяются на электротермические, основанные на тепловом воздействии электрического тока, и электрохимические, основанные на химическом действии электрического тока. [11]
Однако отсутствие достаточно мощных и надежных источников тока задерживало дальнейшее развитие электрохимии, и до изобретения вольтова столба были проведены только отдельные наблюдения над химическим действием электрического тока. Так, например, Пристлей и, особенно, Кэвендиш в семидесятых годах XVIII века обнаружили, что при пропускании через воздух электрических искр содержащиеся в нем азот и кислород образуют окислы азота, которые с водой дают азотную и азотистую кислоты. [12]
Но как же реагировал Берцелиус на эти замечания Авогадро. Он, по-видимому, не знает моей совместно с Гизин-гером работы о химическом действии электрического тока. Его замечания об употреблении выражений электроположительный и электроотрицательный... [13]
Курс физико-химии Н. Н. Бекетова состоит из двух частей. Первая часть посвящена изучению свойств газов, жидкостей и твердых тел, связи между физическими свойствами и химическим составом соединений, изучению спектров простых тел и соединений, а также химическому действию электрического тока. Вторая часть посвящена термохимии, изучению диссоциации и сродства. Здесь же рассматривается соотношение между работой элементов и тепловыми эффектами химических реакций. [14]
Они основаны на использовании электрической энергии, вводимой непосредственно в зону обработки. Можно использовать и химическое действие электрического тока, если обработка материалов осуществляется действием на них электрического тока в электролите. [15]
Страницы: 1 2
www.ngpedia.ru
Химическое действие электрического тока - fiziku5.ru
· Такие специальные стали, как инструментальная, нержавеющая, жаростойкая и жаропрочная, выплавляют в настоящее время только в электрических печах.
· § 27. ХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
·
· Растворы солей и кислот в воде или в каком-либо другом растворителе проводят электрический ток и называются электролитами или проводниками второго рода в отличие от металлических проводников, называемых проводниками первого рода.
· Электрический ток может проходить через среды, имеющие электрически заряженные частицы, обладающие способностью перемещаться.
· При растворении солей и кислот в воде или в каком-либо ином растворителе (этиловый спирт, бензин, бензол и др.) часть молекул распадается на две части, называемые ионами, причем одна часть имеет положительный заряд, другая — отрицательный заряд.
· Таким образом, в отличие от металлических проводников, где переносчиками электричества являются электроны, в электролитам ими служат ионы. Ионы могут быть простыми и сложными. Простой ион образован одним атомом вещества. Ионы, состоящие из нескольких атомов, называются сложными.
· Распад химических соединений на ионы под действием растворителя называется электролитической диссоциацией и выражается обычными химическими уравнениями, в левой части которых помещаются химические символы распадающихся веществ, а в правой — образующиеся из этих веществ ионы. Например, уравнение диссоциации поваренной соли (хлористого натрия) записывается следующим образом:
·
· Для более сложных соединений процесс диссоциации может протекать в несколько стадий.
· Если в сосуд с электролитом погружены две металлические пластины, называемые электродами, которые при помощи проволочных проводников присоединены к источнику энергии постоянного тока, то вследствие разности потенциалов между электродами, через электролит будет протекать ток. Прохождение тока через электролит сопровождается химическим процессом, называемым электролизом. Находящиеся в электролите ионы, притягиваясь к электродам, двигаются в противоположных направлениях: положительные ионы — к катоду, а отрицательные ионы — к аноду. Подойдя к катоду, положительные ионы получают от него недостающие им электроны и образуют электрически нейтральные атомы. На аноде происходит обратный процесс: отрицательные ионы отдают аноду свои избыточные электроны. Например, при электролизе раствора поваренной соли на катоде отлагаются положительные ионы натрия, а на аноде — отрицательные ионы хлора.
· В результате непрерывного перехода электронов с катода на ионы и поступления их на анод поддерживается движение электронов в проводах, соединяющих источник электрической энергии с электродами.
· При прохождении электрического тока через электролит на электродах выделяются определенные количества веществ, содержащихся в виде химического соединения в электролите. Зависимость выделенного вещества от силы тока устанавливается двумя законами Фарадея.
· Первый закон Фарадея сформулирован так: количество вещества, выделившегося на электродах при прохождении тока через электролит, прямо пропорционально количеству электричества, прошедшему через электролит. При прохождении одного кулона электричества из электролита выделяется определенное весовое количество вещества, которое называется электрохимическим эквивалентом данного вещества.
· В практических расчетах для определения количества электричества удобнее пользоваться не кулонами, а ампер-часами (ач). Так как один кулон равен ампер-секунде, то между ампер-часом и рулоном имеет место следующее соотношение:
· 1 ач = 60х60 = 3600 асек = 3600 к.
· Электрохимический эквивалент выражается в граммах, отнесенных к одному ампер-часу количества электричества (г/а-ч), т. е. это весовое количество вещества, выделившегося из электролита и выраженное в граммах, при прохождении через электролит одного ампер-часа количества электричества.
· Обозначив через I неизменную силу тока, протекающего через электролит в течение t (ч), а электрохимический эквивалент данного вещества через К, определим весовое количество данного вещества q (r), выделившегося за это время:
·
· Например, если при прохождении через меднокислый электролит тока в 1 а в течение одного часа на катоде выделяется 1,186 г меди, то при силе тока в 10 а из такого же раствора за 10 ч выделится
· 1,1861010= 118,6 г.
· Второй закон Фарадея гласит: при одном и том же количестве электричества, протекающего через различные электролиты, весовые количества веществ, выделившихся на электродах, пропорциональны их химическим эквивалентам.
· Из курса химии известно, что одновалентный элемент имеет атомный вес, равный химическому эквиваленту, а n-валентный элемент обладает химическим эквивалентом, в n раз меньшим атомного веса, т. е.
·
· где A-атомный вес, n — валентность, а-химический эквивалент
· Например, атомный вес алюминия А=27, валентность n = 3, следовательно, его химический эквивалент
·
· Из сопоставления 1-го и 2-го законов Фарадея вытекает, что электрохимические эквиваленты пропорциональны их химическим эквивалентам, т. е.
·
· Следовательно, отношение электрохимических эквивалентов к их химическим эквивалентам является величиной постоянной и равно
·
· Итак, второй закон Фарадея может быть выражен следующим образом:
·
· Пример. Из электролита в течение 10 ч выделилось 50 г цинка. Определить ток, протекающий через электролит. Электрохимический эквивалент цинка К= 1,22 г/а ч.
· Решение, Согласно первому закону Фарадея имеем:
·
· откуда
·
· Электролиз получил широкое применение в различных отраслях промышленности. Впервые он был использован для гальванопластики, представляющей собой получение копий с рельефов. С этой целью гипсовый оттиск (негатив) со снимаемого рельефа покрывают слоем графита и погружают в раствор соли металла, который осаждается на оттиске, как на катоде. После удаления гипса получается металлическая копия рельефа.
· С помощью электролиза наносят относительно тонкие покрытия одних металлов на другие (гальваностегия). Гальваностегия используется для придания изделиям декоративного вида и для защиты от коррозии. Таким способом производят золочение, серебрение, никелирование и т. д.
· Электролиз служит также для очистки (рафинирования) металлов, например меди. Пластины литой меди, полученной путем обжига руды, опускают в качестве анодов в ванны, содержащие раствор медного купороса, подкисленный серной кислотой для повышения проводимости электролита. Катодами в этих ваннах являются тонкие медные кисти, на которых отлагается электролитическая медь, а примеси осаждаются на дно ванны.
· Весьма распространен электролитический способ получения едких щелочей натрия, калия и хлора, а также кислорода и водорода путем разложения воды, подкисленной серной кислотой.
· Явление электролиза представляет опасность для ряда подземных сооружений. Под действием электролиза блуждающими токами могут быть разрушены броня кабелей, водопроводных и газовых труб и других металлических сооружений. Главнейшим источником этих токов является электрооборудование транспорта — трамваев и электрифицированных железных дорог. Особенно вредно действуют блуждающие, токи на подземные телефонные кабели, покровом которых является голая свинцовая оболочка.
fiziku5.ru
Химическое действие электрического тока
Электролиз
Растворы солей и кислот в воде или каком-либо другом растворе проводят электрический ток и называются электролитами, или проводниками второгорода, в отличие от металлических проводников, называемых проводниками первого рода.
Электрический ток может проходить через среды, имеющие электрически заряженные частицы, обладающие способностью перемещаться.
При растворении солей и кислот в воде или каком-либо ином растворителе (этиловый спирт, бензин, бензол и др.) часть молекул распадается на две части, называемые ионами, причем одна часть имеет положительный заряд, другая – отрицательный.
Таким образом, в отличие от металлических проводников, где переносчиками электричества являются электроны, в электролитах ими служат ионы. Ионы могут быть простыми и сложными. Простой ион образован одним атомом вещества. Ионы, состоящие из нескольких атомов, называются сложными.
Распад химических соединений на ионы под действием растворителя называется электролитической диссоциацией и выражается обычными химическими уравнениями, в левой части которых помещаются химические символы распадающихся веществ, а в правой образующиеся от этих веществ ионы. Например, уравнение диссоциации поваренной соли (хлористого натрия) записывается следующим образом: NaCl = Na++ Cl- .
Для более сложных соединений процесс диссоциации может протекать в несколько стадий.
Если сосуд с электролитом погружены две металлические пластины, называемые электродами, которые с помощью проволочных проводников присоединены к источнику энергии постоянного тока, то вследствие разности потенциалов между электродами через электролит будет протекать ток. Прохождение тока через электролит сопровождается химическим процессом, называемым электролизом.Находящиеся в электролите ионы, притягиваясь к электродам, двигаются в противоположных направлениях: положительные ионы – к катоду, а отрицательные – к аноду. Подойдя к катоду, положительные ионы получают от него недостающие им электроны и образуют электрически нейтральные атомы. На аноде происходит обратный процесс: отрицательные ионы отдают аноду избыточные электроны. Например, при электролизе раствора поваренной соли на катоде отлагаются положительные ионы натрия, на аноде – отрицательные ионы хлора. В результате непрерывного перехода электронов с катода на ионы и поступления их на анод поддерживается движение электронов в проводах, соединяющих источник электрической энергии с электродами.
Законы Фарадея
При прохождении электрического тока через электролит на электродах выделяется определенное количество веществ, содержащихся в виде химического соединения в электролите. Зависимость выделенного вещества от тока устанавливается законами Фарадея.
Первый закон Фарадея сформулирован так: количество вещества, выделившегося на электродах при прохождении тока через электролит, прямо пропорциональноколичеству электричества, прошедшему через электролит .
При прохождении одного кулона электричества из электролита выделяется определенное количество массы вещества, называемое электрохимическим эквивалентом данного вещества.
В практических расчетах для определения количества электричества удобнее пользоваться не кулонами, а ампер-часами (А*ч). Так как один кулон равен ампер-секунде, то между ампер-часом и кулоном имеет место следующее соотношение: 1 А * ч = 60 * 60 = 3600А * с = 3600 Кл.
Электрический эквивалент К выражается в граммах, отнесенных к одному ампер-часу количества электричества (г/ А*ч), т.е. это количество массы вещества, выделившегося из электролита, выраженное в граммах, при прохождении через электролит одного ампер-часа количества электричества.
Обозначив через I неизменный ток, протекающий через электролит в течении t (ч), а электрохимический эквивалент данного вещества – через К, определим количество массы данного вещества q (г), выделившегося за это время: q = KIt .
Например, если прохождении через медно-кислый электролит тока в 1 А в течении 1 ч на катоде выделяется 1,186 г меди, то при токе в 10 А из такого же раствора за 10 ч выделится 1,186 * 10 * 10 = 118,6 (г).
Второй закон Фарадея гласит: при одном и том же количестве электричества, протекающего через различные электролиты, количество массы веществ, выделившихся на электродах, пропорционально их химическим эквивалентам.
Одновалентный элемент имеет атомный вес, равный химическому эквиваленту, а n-валентный элемент обладает химическим эквивалентом в n раз меньше атомного веса, т.е.
а = А/n
где А– атомный вес;
n– валентность;
а– химический эквивалент вещества.
Например, атомный вес алюминия А = 27, валентность n = 3, следовательно, его химический эквивалент а = 27 / 3 = 9.
Из сопоставления первого и второго законов Фарадея вытекает, что электрохимические эквиваленты пропорциональны их химическим эквивалентам, т.е. K1 /a1= K2 /a2= K3 /a3=…
Следовательно, отношение электрохимических эквивалентов к химическим эквивалентам является величиной постоянной, равной K/a = 3,72 * 10-2 = 0,0372 = 1/26,8.
Итак, второй закон Фарадея может быть выражен следующим образом:
K = a/26,8 = A/26,8 n.
Электролиз получил широкое применение в различных отраслях промышленности.
Впервые он был использован для гальванопластики, представляющий собой получение копий с рельефом. С этой целью гипсовый оттиск (негатив) со снимаемого рельефа покрывают слоем графита и погружают в раствор соли металла, который осаждается в оттиске, как на катоде. После удаления гипса получается металлическая копия рельефа.
С помощью электролиза наносят относительно тонкие покрытия одних металлов на другие (гальваностегия). Гальваностегия используется для придания изделиям декоративного вида и защиты от коррозии. Таким способом производят золочение, серебрение, никелирование и т.д.
Электролиз служит также для очистки (рафинирования) металлов, например меди. Пластины литой меди, полученной путем обжига руды, опускают в качестве анодов в ванны, содержащие раствор медного корпуса, подкисленной серной кислотойдляповышения проводимости электролита. Катодами в этих ваннах являются тонкие медные пластины, на которых отлагается электролитическая медь, а примеси осаждаются на дно ванны.
Весьма распространен электролитический способ получения едких щелочей натрия, калия и хлора, а также кислорода и водорода путем разложения воды, подкисленной серной кислотой.
Явление электролиза представляет опасность для ряда подземных сооружений.
Под действием электролиза блуждающими токами может быть разрушена броня кабелей, водопроводных и газовых труб и других металлических сооружений. Главнейшим источником этих токов является электрооборудование транспорта – трамваев и электрифицированных железных дорог. Особенно вредно действуют блуждающие токи на подземные телефонные кабели, которые покрыты незащищенной свинцовой оболочкой.
Приложение 9
Гальванические элементы.
В гальванических элементах во время работы происходит движение ионов и оседание на электродах элемента, выделившегося из электролита вещества. Простейшим гальваническим элементом является медно-цинковый. В стеклянный сосуд, наполненный раствором серной кислоты в воде, погружены медная и цинковая пластины, которые представляют собой положительный и отрицательный полюсы элемента. При замыкании цепи элемента каким-либо проводником внутри этого элемента будет протекать ток от цинковой отрицательной пластины к медной положительной, а во внешней цепи – от медной к цинковой. Под действием тока внутри элемента положительные ионы водорода движутся по направлению тока, отрицательные ионы кислотного остатка - в противоположном направлении. Соприкасаясь с медной пластиной, положительные ионы водорода отдают ей свои заряды, а водород в виде пузырьков газа скапливается на ее поверхности. В то же время отрицательные ионы остатка серной кислоты отдают свои заряды цинковой пластине. Таким образом, происходит непрерывный заряд пластин элемента, поддерживающий разность потенциалов (напряжение) на его зажимах.
Выделение водорода на медной пластине элемента ослабляет его действие – поляризует элемент. Явление поляризации состоит в том, что скапливающийся на положительном электроде водород создает в совокупности с металлом электрода дополнительную разность потенциалов, называемую электродвижущейсилой поляризации , которая направлена противоположно движущей силе элемента. Кроме того, пузырьки водорода, покрывающие часть медной пластины, уменьшают ее действующую поверхность, что увеличивает внутреннее сопротивление элемента.
Поляризация в рассмотренном элементе настолько значительна, что делает его непригодным для практических целей. Для устранения поляризации в состав элемента вводят поглотитель, носящий название деполяризатора, который предназначен для поглощения водорода и препятствия скапливанию его на положительном полюсе элемента. Деполяризаторами могут служить химические препараты, богатые водородом или хлором.
Электродвижущая сила гальванического элемента зависит от химических и физических свойств веществ, его составляющих, и не зависит ни от формы и размеров элемента, ни от его внутреннего устройства.
Но внутреннее устройство и размеры отдельных частей элемента оказывают большое влияние на его внутреннее сопротивление, так как оно зависит от расстояния между полюсами ( при уменьшении этого расстояния внутреннее сопротивление элемента уменьшается), размера погруженной в жидкость поверхности полюсов ( при увеличении этой поверхности внутреннее сопротивление уменьшается), химического состава жидкости элемента.
Внутреннее сопротивление гальванических элементов не является постоянным и по мере работы элемента постепенно возрастает.
В зависимости от способа деполяризации гальванические элементы могут быть подразделены на два типа: элементы, в которых в качестве деполяризатора применяют раствор какой – либо соли, например медно-цинковые, и элементы, в которых анод окружен перекисью марганца, например, угольно-цинковые. Гальванические элементы указанных типов широко применяют в электротехнике.
Электродвижущая сила медно- цинкового элемента равна 1,1 В, а внутренние сопротивление в зависимости от времени работы – 5-10 Ом.
В угольно-цинковом элементе положительным полюсом служит угольная пластина, а отрицательным – цинковый стержень. Деполяризатором в этом элементе является спрессованная под большим давлением смесь, называемая агломератом, которая состоит из перекиси марганца и графита. В качестве электролита в угольно-цинковом элементе применяют водный раствор хлористого аммония. Электродвижущая сила угольно-цинкового элемента – 1,4 – 1,5 B в начале разряда при среднем значении 0,9 – 1,1 B, а внутренние сопротивление в зависимости от конструкции элемента – 0,25- 0,7 Ом в начале разряда и 1,4 – 5 Ом – в конце.
Уголньно-цинковые элементы отечественная промышленность выпускает в виде так называемых сухих элементов стаканчиковогои галетного типов , весьма удобных для переноски и перевозки.
В сухих элементах стаканчикового типа положительный полюс 8 с алгоритмом 2 помещают внутри цинковой коробки 9, которая служит отрицательным полюсом элемента. Пространство между стенками цинковой коробки и алгоритмом заполняется пастой 1, состоящей из раствора хлористого аммония и картофельной муки. Над алгоритмом укладывают картонную прокладку 3, на которую насыпают прослойку 4 из опилок, сверху опилки закрывают прокладкой 5. Затем элемент заливают смолой 7, в которую вставляют трубку 6. Назначение этой трубки – удалять образующиеся внутри элемента газы.
Сухой гальванический элемент
На выходящей из смолы угольный электрод насаживают медный колпачок с винтом и гайкой для присоединения проводника. К верхней части цинковой коробки (отрицательному полюсу) припаивают изолированный гибкий проводник. На дно коробки укладывают изолирующую прокладку 10.
В галетном элементе отрицательным электродом является цинковая пластина, положительным – спрессованный в виде галеты порошок диоксида марганца с углем. Между электродами помещают картонную пластинку, пропитанную раствором нашатырного спирта. Наружная поверхность цинковой пластины покрыта слоем канифоли с частицами графита для электропроводности. В качестве изоляции используют хлорвиниловые пленки. Галетные элементы компактны, а их активные материалы (уголособенно цинк) используются лучше, чем в стаканчиковых элементах.
Приложение 10
Аккумуляторы
Аккумулятором называется прибор, обладающий способностью накапливать и сохранять в течение некоторого времени электрическую энергию в результате химических процессов. В аккумуляторе, как и в гальваническом элементе, электрический ток является следствием химических процессов. Но в отличие от аккумулятора в гальваническом элементе получающиеся химические соединения не могут быть вторично разложены и приведены в первоначальное состояние током постороннего источника. Поэтому гальванические элементы называются первичными, а аккумуляторы – вторичными, или обратными. Повторные заряд и разряд не только не вредят аккумулятору, но даже улучшают его свойства, так как в работе учувствуют все более глубокие слои пластин электродов.
В зависимости от состава электролита и материала пластин аккумуляторы могут быть кислотными и щелочными.
Простейший кислотный аккумулятор состоит из двух свинцовых пластин (электродов), погруженных в электролит, которым служит вода с небольшим добавлением серной кислоты. Постоянный ток постороннего источника, проходя через электролит, разлагает его на составные части. Внутри электролита возникает движение положительных ионов водорода к пластине, соединенной с отрицательным зажимом источника тока, и отрицательных ионов кислорода к пластине, соединенной с положительным зажимом источника тока. В результате электролиза окисляется свинец на положительном электроде и образуется губчатый свинец на отрицательном электроде. Таким образом, электрическая энергия преобразовывается в химическую, и аккумулятор становится заряженным. Химическая энергия может сохраняться определенное время и при необходимости легко переходит в электрическую.
Если аккумулятор отключить от источника тока и замкнуть на какой-либо приемник энергии, то он станет источником тока подобно гальваническому элементу, у которого электродами сложат пластины, отличающиеся по химическому составу.
Электролитом в кислотных аккумуляторах служит раствор серной кислоты определенной плотности. Плотностью раствора , называется число, показывающие во сколько раз масса этого раствора больше массы воды того же объема.
Для наполнения стационарных аккумуляторов употребляют раствор серной кислоты плотностью 1,21 при 15 °C , переносных аккумуляторов – раствор плотностью 1,26.
Плотность электролита определяют ареометром, который представляет собой стеклянную трубку, запаянную с обоих концов и имеющую внутри шкалу с делениями.
В нижней расширенной части ареометра находится ртуть или дробь, в результате чего трубка плавает вертикально. Ареометр опускают в сосуд с электролитом. Чем больше плотность электролита, тем выше поднимается ареометр из жидкости. Деление ареометра, совпадающие с уровнем раствора, показывает плотность электролита.
При составлении раствора для аккумуляторов серную кислоту тонкой струей наливают в воду. Нельзя вливать в серную кислоту воду, так как произойдет бурное разбрызгивание кислоты, которая может причинить ожоги. Вода для электролита должна быть дистиллированной.
Внутреннее сопротивление аккумуляторов очень мало по сравнению с внутренним сопротивлением гальванических элементов. Это дает возможность считать напряжение на зажимах аккумуляторной батареи примерно равным ее ЭДС. Однако внутреннее сопротивление не является постоянной величиной. Оно определяется составом пластин, расстоянием между ними, плотностью и температурой электролита, степенью заряженности аккумулятора. Так, сопротивление разряженного аккумулятора примерно в 1,5 – 2 раза больше, чем заряженного.
Электродвижущая сила аккумулятора зависит от плотности электролита, а не от его размеров и номинальной емкости. При плотностях электролита d в пределах 1,1 – 1,35 ЭДС аккумулятора E = 0,85 + d.
В процессе заряда и разряда аккумулятора плотность электролита не остается постоянной, в связи с чем изменяется как его ЭДС, так и напряжение на его зажимах.
График изменения напряжения кислотного
аккумулятора: 1 – при заряде; 2 – при разряде
При заряде аккумулятора увеличивается плотность электролита, вследствие чего напряжение на зажимах аккумулятора повышается (кривая 1). При разряде кислотного аккумулятора напряжение на его зажимах быстро падает до 1,85 – 1,8 В и после этого быстро уменьшается до нуля (кривая2). Понижение напряжения при заряде аккумулятора объясняется тем, что при разряде плотность его электролита уменьшается. Когда напряжение на аккумуляторе достигает значения 1,8 В (при кратковременном разряде 1,75В)
Это значит, что вся запасенная в нем энергия израсходована (на обеих пластинах образуется сульфат свинца, являющийся плохим проводником тока).
При дальнейшим разряде напряжения быстро уменьшается до нуля. Если аккумулятор отключить от нагрузки, то его напряжение вновь увеличится примерно до 2 В, так как электролит проникает вглубь пластин в поры активной массы. Однако при включении такого аккумулятора вновь на нагрузку напряжение на его зажимах снова быстро уменьшается до нуля.
Практически разряд доводят до 1,8 В, так как при разряде ниже 1,8 В аккумулятор приходит в негодность – пластины его частично покрываются белым налетом крупнокристаллического сульфата свинца, который представляет собой настолько плохой проводник, что заряд аккумуляторов до номинальной емкости становится невозможным. Это явление называется сульфитацией пластин аккумулятора.
Количество электричества, которое аккумулятор может отдать при разряде определенным током до низкого допустимого напряжения, называется емкостью. Она равна произведению разрядного тока в амперах на продолжительность времени разряда в часах и выражается а ампер-часах. Емкость аккумулятора зависит от количества активной массы, разрядного тока и температуры. Под номинальной емкостью понимают то количество электричества, которое отдает полностью заряженный аккумулятор при 10-часовом режиме разряда и температуре 25 °C. Таким образом, аккумулятор отдает номинальную емкость, разряжаясь в течении 10 ч током, численно равным 0,1 значение его номинальной емкости. При увеличении разрядного тока емкость аккумулятора уменьшается, так как поверхность пластин покрывается сульфатом свинца и затрудняет доступ электролита к внутренним слоям активной массы. При понижении температуры увеличивается вязкость электролита, что также затрудняет его доступ к внутренним слоям активной массы и уменьшает емкость аккумулятора.
В отключенном состоянии заряженный аккумулятор теряет часть запасенной им емкости. Это явление носит название саморазряда. Саморазряд аккумулятора увеличивается с повышением температуры и плотности электролита.
Для увеличения емкости аккумулятора несколько одноименных пластин соединяют параллельно. Каждая группа положительных и отрицательных пластин работает как одна большая пластина, площадь которой равна сумме их площадей. Так как положительные пластины должны находиться между отрицательными, число отрицательных пластин всегда на одну больше числа положительных. При этом условии обе стороны положительных пластин вступают во взаимодействие с электролитом (при односторонней работе положительные пластины коробятся и при соприкосновении с отрицательными пластинами может произойти короткое замыкание)
Стационарные кислотные аккумуляторы изготовляют в стеклянных или керамических сосудах. Аккумуляторы больших емкостей имеют деревянные сосуды, выложенные внутри свинцом или кислотостойким изоляционным материалом. Кислотные аккумуляторы применяют на электротехнических установках стационарного типа и автотранспорте. В качестве переносных аккумуляторов используют преимущественно щелочные.
Схема соединения пластин кислотного
аккумулятора
Сосуды щелочных аккумуляторов сваривают из тонкой листовой стали и с наружной стороны никелируют. В центре крышки сосуда имеется отверстие для заливки аккумуляторов электролитом.
Электродвижущая сила щелочных аккумуляторов зависит от состояния активной массы пластин. От температуры и плотности электролита ЭДС зависит незначительно, и только при низких температурах, близких к нулю, она резко уменьшается. Напряжение в конце заряда аккумулятора равно
1,8 В, по окончанию заряда – 1,5-1,55В, ЭДС разряженного аккумулятора – 1,3 В.
Внутренние сопротивление щелочного аккумулятора значительно больше внутреннего сопротивления кислотного.
Достоинства щелочных аккумуляторов: не требуют тщательного ухода, не боятся сотрясений, могут длительно оставаться в разряженном состоянии, выносят короткие замыкания, которые для кислотных аккумуляторов представляют большую опасность. Саморазряд у щелочных аккумуляторов меньше, чем у кислотных.
Работу аккумулятора характеризуют отдачи по емкости энергии.
Количество Q, полученное аккумулятором во время заряда, называется емкостью аккумулятора при заряде:
Q = I3T,
где I3 – токпри заряде, А;
T – продолжительность заряда, ч.
Количество электричества q, отданное аккумулятором во время разряда, называется емкостью аккумулятора при разряде. Если обозначить разрядный ток Iр , а продолжительность заряда – t, то емкость аккумулятора при разряде q = Iр t.
Отношение емкости при разряде к емкости при заряде называется отдачей аккумулятора по емкости ή1 или поколичеству электричества
ή1 = q/ Q= Iр t / (I3T)
Среднее значение ή1 для кислотных аккумуляторов – 0,85, для щелочных – 0,65.
Если обозначить среднее значение напряжения аккумулятора при его заряде – U3и время заряда – T, то при зарядном токе I3электрическая энергия, или работа, затраченная на заряд аккумулятора, A1= U3 I3 T (Вт * ч).
Соответственно электрическая энергия, полученная от разряда аккумулятора при среднем напряжении Uи разрядом тока Iр в теченииt, составит A1= Uр Iр t.
Отношение энергии, полученной от аккумулятора при его разряде, к энергии, затраченной на его заряд, называется отдачей аккумулятора по энергии
ή2: ή 2 A2/A1 =UрIрt / (U3I3T).
Среднее значение ή 2 для кислотных аккумуляторов –0,65,а для щелочных – 0,45.
В зависимости от материала электродов щелочные аккумуляторы разделяют на кадмиево-никеливые, железоникелевые, серебряно-цинковые, золото-цинковые и газовые.
Применение в массовом масштабе золото-цинковых аккумуляторов ограничивается высокой стоимостью.
Наиболее широко распространение получили кадмиево-никеливые и железоникелевые аккумуляторы, электролитом в которых служит раствор едкого калия в воде; плотность электролита 1,2. По своему устройству и электрическим данным аккумуляторы этих типов незначительно отличаются друг от друга. Активную массу запрессовывают в брикеты (пакеты), а затем собирают в отдельные пластины. У железоникелевых аккумуляторов отрицательных пластин на одну больше, чем положительных, у кадмиево-никелевых положительных пластин на одну больше, чем отрицательных. Один из полюсов аккумулятора соединяется с сосудом (у железоникелевых – отрицательный, кадмиево-никелевых – положительный).
В кадмиево-никелевых аккумуляторах активная масса положительных пластин состоит из гидрата оксида никеля, который для лучшей проводимости смешивают с графитом. Активная масса отрицательных пластин представляет собой гидрат оксида кадмия и железа.
В железоникелевых аккумуляторах активной массой положительных пластин является гидрат закиси никеля, смешанный с графитом, а отрицательных пластин – специально приготовленный железный порошок.
Благодаря высоким эксплуатационным показателям за последние годы нашли широкое применение серебряно-цинковые аккумуляторы.
Серебряно-цинковый аккумулятор представляет собой пластмассовый сосуд, в котором помещены положительные и отрицательные электроды, составленные из отдельных пластин. Отрицательные электроды, изготовленные из пластин оксида цинка, заключены в защитные пакеты из материала, который хорошо пропускает электролит, но задерживает металлические частицы. Положительные пластины изготовлены из серебра.
Электролитом серебряно-цинковых аккумуляторов служит водный раствор едкого калия. Для нормальной работы аккумулятора необходимо небольшое количество электролита, что позволяет использовать аккумулятор полусухим и эксплуатировать его в любом положении (вертикально и горизонтально). Трубка, которой закрывается сосуд, водонепроницаема и открывается только на время заряда. При заряде аккумулятор должен находиться в вертикальном положении, ЭДС полностью заряженного аккумулятора равна 1,82 – 1,86 В, напряжение при разряде - ≈ 1,5 В.
Достоинства серебряно-цинковых аккумуляторов: малое внутреннее сопротивление и масса.
Серебряно-цинковые аккумуляторы работают при температуре до -59 °C, т.е. до замерзания электролита. Верхний предел температуры +80 °C. Они переносят относительно большие перепады давления окружающей среды.
Для составления аккумуляторной батареи или батареи гальванических элементов несколько элементов соединяют последовательно, т.е. катод первого аккумулятора соединяют с анодом второго, катод второго – с анодом третьего и т.д. Получившиеся таким образом свободные электроды, а именно, анод первого элемента и катод последнего, являются соответственно положительным и отрицательным полюсами аккумуляторной батареи. При определении ЭДС аккумуляторной батареи из n аккумуляторов или гальванических элементов с ЭДС одного элемента E0и внутренним сопротивлением R0ЭДС батареи будет E = nE0и внутреннее сопротивление
R = nR0.
Последовательное соединение элементов используется для увеличения напряжения. Чтобы получить при малом напряжении ток, применяют несколько параллельно соединенных аккумуляторов или элементов.
Для этого положительные и отрицательные полюсы всех элементов соединяют между собой отдельно и полученные общие положительные и отрицательные полюсы являются полюсами батареи. Если батарея состоит из m параллельно соединенных элементов, то ее ЭДС E = E0, а внутреннее сопротивление R = R0/m.Если n – число групп или элементов в группе, соединенных последовательно, m – число групп или элементов в группе, соединенных параллельно, то ЭДС батареи E = nE0, а ее внутреннее сопротивление
R = R0/m.
Приложение 11
studlib.info
Химическое действие - ток - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Химическое действие - ток
Cтраница 1
Химическое действие тока ведет к электролизу кроаи II других содержащихся в организме растворов, что приводит к изменению их химического состава и, следовательно, к нарушению их функций. [1]
Химическое действие тока состоит в том, что в некоторых растворах кислот ( солей, щелочей) при прохождении через них электрического тока наблюдается выделение веществ, содержащихся в растворе, которые откладываются на электродах, опущенных в этот раствор. [2]
Химическим действием тока очень широко пользуются на практике. Например, при помощи электролиза из бокситов добывают алюминий, получают металлы в чистом виде, без примесей. [3]
Химическим действием тока очень широко пользуются на практике. Например, при помощи электролиза из бокситов добывают алюминий, получают металлы в чистом виде. [4]
Начало изучению химических действий тока было положено в 1800 г. электролизом воды. [5]
Наиболее глубокие исследования тепловых, световых и химических действий тока были произведены академиком В. В. Петровым, построившим крупнейший для своего времени источник тока, открывшим явление электрической дуги ( 1802 г.) и показавшим возможность практического применения дуги для целей освещения, плавки металлов и др. В. В. Петровым впервые была установлена зависимость тока от площади поперечного сечения проводника, разработан принцип изоляции проволочных проводников и др. Трудами В. В. Петрова были заложены основы новой области знаний - электротехники. [6]
Опыт показывает, что химическое действие тока наблюдается не во всех проводниках. Электрический ток в металлах не вызывает никаких химических изменений. Наоборот, в растворах серной кислоты, поваренной соли, селитры и во многих других веществах ток вызывает выделение составных частей. [8]
Приемник 3 служит для наблюдения химического действия тока. Это электролитическая ванна - стеклянный сосуд, в котором на некотором расстоянии друг от друга установлены две медные пластины и налит электролит - раствор медного купороса. [10]
Приборы электрохимические, основанные на химическом действии тока. [11]
Проводники, в которых не проявляется химическое действие тока, называются проводниками первого рода. [12]
Гальванические элементы и электрические аккумуляторы также основаны на химическом действии тока. [13]
Гальванические элементы а электрические аккумуляторы также основаны на химическом действии тока. [14]
В связи с этим вопросом внимание Фарадея было особенно-привлечено к химическим действиям тока. Изучению химических действий тока посвящено большое число его работ. В этой области Фарадей установил ту терминологию, которая в науке стала общепринятой и применяется до сих пор. Самую жидкость, подвергающуюся действию электрического тока, Фарадей назвал электролитом, процесс разложения - электролизом, а места входа и выхода тока, которые ранее назывались полюсами, Фарадей назвал электродами, что обозначает путь электричества. [15]
Страницы: 1 2 3
www.ngpedia.ru
Химическое действие электрического тока | Уроки по Физике
Химическое действие электрического тока
05.04.2017 628 94 Ким Алевтина Львовна Нам известно, что атомы вещества состоят из ядер и вращающихся вокруг них электронов. Электроны притягиваются ядрами, и чтобы их «оторвать», требуется приложить некоторое усилие. В таком случае мы будем иметь положительно заряженное ядро и отрицательно заряженные электроны. Получается, что чтобы в проводнике появился электрический ток, надо вырвать множество электронов из оков атомов и сопровождать их на всем пути действия тока, чтобы их не захватили новые атомы. Очевидно, что для этого потребуется довольно приличная сила. Однако, при возникновении электрического поля, ток начинает бежать в металлических проводниках без всякого усилия. Как же это получается? Какова природа электрического тока в металлах, что они могут беспрепятственно проводить ток практически без потерь? Природа тока в металлах. Дело в том, что в металлах структура строения вещества такова, что частицы расположены в кристаллических решетках, образованных положительными ионами, то есть ядрами атомов. А отрицательные ионы, то есть электроны, свободно перемещаются между ядрами, не будучи связанными с ними. Заряд всех электронов в спокойном состоянии компенсирует положительный заряд ядер. Когда возникает действующее на электроны электрическое поле, они начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника. Так образуется электрический ток в металлах. Скорость движения каждого конкретного электрона невелика – около нескольких миллиметров в секунду. Но скорость распространения электрического поля равна скорости света, около 300 000 км/с. Электрическое поле приводит в движение все электроны на своем пути, и ток распространяется в металлических проводах со скоростью света. Действие электрического тока. С какой бы скоростью ни двигались электроны в металле, мы не можем увидеть это воочию – они слишком малы. Судить о наличии в проводнике тока, мы можем лишь по производимому им действию. Действие электрического тока может быть очень разнообразным. Тепловое действие тока проявляется в нагревании проводника. Это действие широко используется в электронагревательных приборах: чайниках, обогревателях, фенах. Еще ток обладает химическим действием. В некоторых растворах при воздействии электрическим током выделяются различные вещества. Так добывают чистые вещества из солей и щелочей. Ток обладает также и магнитным действием. Причем магнитное действие тока проявляется всегда и в любых проводниках. Заключается магнитное действие тока в том, что вокруг проводника с током образуется магнитное поле. Это поле можно уловить и измерить. Для использования магнитного действия тока сооружают спиральные обмотки из изолированных проводов и пропускают по ним ток. Таким образом, концентрируют и усиливают магнитное действие тока и создают электромагниты. Электричество и магнетизм вообще неразрывно связаны друг с другом. Самый простой пример: притягивание наэлектризованной расческой волос – есть не что иное, как магнитное действие электрического заряда. Человек очень активно использует магнитные свойства тока. От выработки электроэнергии, в которой преобразуют механическую энергию в электрическую с помощью магнитов, до конкретных электроприборов, производящих обратное преобразование электричества в механическую работу – везде используется магнитное действие тока. Направление тока. За направление электрического тока в цепи принято направление движения положительных зарядов. А так как мы знаем, что двигается не положительный, а отрицательный заряд – электроны, то соответственно направление тока – это направление, в котором двигались бы положительные заряды, если бы они перемещались. Это направление, противоположное движению электронов. Почему приняли такое направление? Дело в том, что когда-то не знали, за счет чего в реальности передается электрический заряд, но электричество использовали, и надо было создавать правила и законы для расчетов. И условно приняли за направление тока направление движения положительных зарядов. А когда разобрались, уже никто не стал переписывать заново законы и правила. Поэтому так и осталось. А куда конкретно двигаются электроны, учитывают в случае необходимости. ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА - это те явления, которые вызывает электрический ток. По этим явлениям можно судить "есть" или "нет" в электрической цепи ток. Тепловое действие тока - электрический ток вызывает разогревание металлических проводников (вплоть до свечения). Химическое действие тока - при прохождении электрического тока через электролит возможно выделение веществ, содержащихся в растворе, на электродах. - наблюдается в жидких проводниках. Магнитное действие тока. - проводник с током приобретает магнитные свойства. - наблюдается при наличии электрического тока в любых проводниках (твердых, жидких, газообразных). ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА. Физиологическое действие тока на ранней стадии развития науки об электричестве было единственным, о котором было известно ученым, и было основано на собственных ощущениях экспериментаторов. Одним из первых, кто ощутил на себе действие тока, был голландский физик П.Мушенбрук, живший в 18 веке. Получив удар током он заявил, что "не согласился бы подвергнуться ещё раз такому испытанию даже за королевский трон Франции." отрицательное действие : Электрический ток вызывает изменения в нервной системе, выражающиеся в ее раздражении или параличе. При воздействии электрического тока возникают судорожные спазмы мышц. Принято говорить, что электрический ток человека "держит": пострадавший не в состоянии выпустить из рук предмет - источник электричества. При поражении достаточно сильным электрическим током происходит судорожный спазм диафрагмы - главной дыхательной мышцы в организме - и сердца. Это вызывает моментальную остановку дыхания и сердечной деятельности. Действие электрического тока на мозг вызывает потерю сознания. Соприкасаясь с телом человека, электрический ток оказывает также тепловое действие, причем в месте контакта возникают ожоги III степени. Постоянный ток менее опасен, чем переменный в электросети, который даже под напряжением 220В может вызвать очень тяжелое поражение организма. Действие электрического тока на человека усиливается при наличии промокшей обуви, мокрых рук, которым свойственна повышенная электропроводность. При поражении молнией на теле пострадавшего возникает древовидный рисунок синюшного цвета. Принято говорить, что молния оставила свое изображение. В действительности при поражении молнией происходит паралич подкожных сосудов. положительное действие : Электрошок - электрическое раздражение мозга , с помощью которого лечат некоторые психические заболевания. Дефибрилляторы - электрические медицинские приборы, используемые при восстановлении нарушений ритма сердечной деятельности посредством воздействия на организм кратковременными высоковольтными электрическими разрядами. Гальванизация - пропускание через организм слабого постоянного тока, оказывающего болеутоляющий эффект и улучшающий кровообращение. Полный текст материала смотрите в скачиваемом файле.На странице приведен только фрагмент материала.tak-to-ent.net
Видеоматериалы
Опыт пилотных регионов, где соцнормы на электроэнергию уже введены, показывает: граждане платить стали меньше
Подробнее...С начала года из ветхого и аварийного жилья в республике были переселены десятки семей
Подробнее...Более 10-ти миллионов рублей направлено на капитальный ремонт многоквартирных домов в Лескенском районе
Подробнее...Актуальные темы
ОТЧЕТ о деятельности министерства энергетики, ЖКХ и тарифной политики Кабардино-Балкарской Республики в сфере государственного регулирования и контроля цен и тарифов в 2012 году и об основных задачах на 2013 год
Подробнее...Предложения организаций, осуществляющих регулируемую деятельность о размере подлежащих государственному регулированию цен (тарифов) на 2013 год
Подробнее...
КОНТАКТЫ
360051, КБР, г. Нальчик
ул. Горького, 4
тел: 8 (8662) 40-93-82
факс: 8 (8662) 47-31-81
e-mail:
Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
