Фізика явищ. Її внутрішній світ

Передмова автора

Материал подан очень избирательно для минимизации фактического объема на обязательную проработку учащимися и рассчитан в первую очередь для библиотеки нашего лицея, чтобы те, кто пропустил лекционное занятие или плохо законспектировал, мог поработать допол нительно в самостоятельном режиме. Обучение физики в нашем физико-техническом лицее г. Херсона пока осуществляется на русском языке. Большинство учащихся так хотят. Однако интересно было бы взглянуть на механизмы человеческого мышления. Утверждение, что конкретный человек мыслит на том или ином языке, довольно поверхностно отражает сущность процесса. Более глубоким является видение того, что мысль, вообще-то, возникает вне языковой оболочки и при том вся сразу. Ясная мысль сразу или уже есть, или она еще только формируется. А языковая ее форма появляется у человека с момента, когда он нуждается в том, чтобы ее проговорить молча для самого себя или для потенциального слушателя.

Впервые в такой подаче, как ниже описано, я стал преподносить основы теории электролиза в Алжире, на французском языке, для тамошних лицеистов, в соответствии с их учебниками.

Без проблем можна все це викласти і російською чи українською мовою, якщо є практика їхнього застосування та відповідна аудиторія слухачів. Світова практика утвердила такі цивілізаційні підходи, що тільки Президент країни завжди веде офіційне спілкування виключно державною мовою, а у всіх інших випадках люди взаємно узгоджують і пристосовують свій вибір. Саме тому, сподіваючись, що цей виклад буде цікавим і корисним молодим вчителям фізики.

Струм в електролітах. Закони електролізу. (Скорочений виклад)

Фізичний зміст явища.

Загалом, електричний струм отримують, коли під дією певної різниці потенціалу (U=∆φ =/В/) електричного поля ті чи інші носії електричного заряду приходять у стан напрямленого упорядкованого руху в межах замкненого електричного кола.

Якщо в металах рухомими, у міжатомному просторі, можуть бути лише електрони, то в рідинах може вільно пересуватись будь - яка молекула. І коли в певну рідину занурити два електрода з різницею потенціалів між ними, то можна очікувати упорядкований зустрічний рух позитивних іонів до негативного полюса і, одночасно, негативних іонів до позитивного полюса. Адже між різнойменними зарядами діють сили протягування. До того ж виявляється, що молекули розчинів кислот, лугів та солей, самі по собі, навіть без зовнішнього електричного поля, можуть дисоціювати, тобто перетворюватись на електрично-заряджені іони.

Дисоціація - це процес розщеплення нейтральних молекул на позитивні та негативні іони. Одночасно завжди існує зворотній процес рекомбінації окремих іонів у нейтральні молекули.

H₂SO₄=2H⁺ + SO₄^2-NaCl=Na⁺ + Cl^-

При цьому у формуванні іонів важлива роль належить так званим валентним електронам.

Зі схеми добре видно як проявляється природна тенденція нейтральних атомів автоматично створювати насичений зовнішній електронний шар в ході їхньої взаємодії у деякому середовищі.

В поведінці 11-го периферійного електрону натрію у присутності хлору переважає тенденція до переходу від „свого" атома до незавершеного зовнішнього шару „чужого" атома хлору. Такий процес дозволяє „ вбити двох зайців" - забезпечити насичення зовнішнього електронного шару як і для атома натрію, так і для атома хлору. Адже атом хлору на своєму третьому електронному шарі , а атом натрію на залишеному другому будуть мати по вісім електронів. Зовнішні шари стали завершеними і утворена частинка (іон) стала стабільною.

Цей активний електрон і визначає валентність хімічного елементу.

Зрозуміло, що таких електронів у інших атомів може бути два чи більше, і такою буде відповідна їхньому числу валентність атома.

Тому коли така хімічна субстанція опиняється в електролітичній ванні з електродами, що під напругою, то спостерігається електричний струм з наступними супутніми явищами та характеристиками:

А⁺ - анод К^- - катод*

Потік іонів, що і являє електричний струм в електролітах.

Тобто - електроліти для розведених у просторі цієї рідини анода та катоду електричне коло не розмикають. Електроліт - це провідник електричного струму.

Зрозуміло, що при підвищенні температури опір електролітів зменшується на відміну від температурної залежності опору металевих провідників, бо підвищується рухомість носіїв електричних зарядів.

Іони для електролітичного струму іноді отримують не тільки з середовища самого електроліту, а подеколи і з самих електродів (аноду). Тому, що серед іонів електроліту не всі вони є електро-хімічно активними, коли, наприклад, наявні негативні іони не здатні у даному середовищі віддати свої „надлишкові" електрони. А якщо не буде замкненого потоку електронів на відрізку зовнішнього з'єднання аноду та катоду з джерелом струму, то не буде і електролітичного струму в середині рідини. Наглядно це можна буде побачити трохи нижче в п.3.

На практиці під час електролізу наявного розчину біля електродів замість іонів, що там з'явилися, утворюються вже електрично-нейтральні молекули газу чи шар чистого металу, що складається з нейтральних атомів. Це прояв так званих реакцій відновлення. Основа їхньої сутності у поведінці вільних електронів, яку визначають іони та електричний заряд електрода.

Наприклад: Анод: Cl^- → ^-e + Cl електрон, що спочатку віддається негативним іоном аноду (А⁺), а потім від аноду переміщується до позитивного полюсу батареї в ході циркуляції електричного струму у даному колі.

Потрібно прийняти до уваги, що в об'ємі розчину біля електродів, весь час повторюються подібні перетворення і тому відбувається неминуче об'єднання окремих атомів хлору у двоатомні молекули. Тобто спостерігач бачить потік пухирців газоподібного хлору, як кінцевий продукт електролізу. Причиною такого об'єднання атомів є ковалентний (парний) хімічний зв'язок. І знову в його основі закладена тенденція поведінки атомів до насичення зовнішнього електронного шару. Загалом - це основа практично усіх реакцій неорганічної хімії. Тому зрозуміло, що в цілому реакція електролізу поблизу аноду матиме вигляд: 2Cl^- → 2 ^-e + Cl₂

От тільки водні розчини солей та кислот з причини широкої універсальності молекули води (H₂O→ H⁺+ OН^-) містять не два протилежно заряджені іони, а більше (Na⁺, Cl^-, H⁺, OH^-). У такому випадку в електролізній реакції приймають участь лише два іона: один позитивний (найбільш активний) і один негативний (також найбільш активний). Інші іони участі у реакції не приймають. Їх називають пасивними.

Є спеціальний розділ фізики, який вивчає ці властивості рідини дуже детально. Такі пізнання широко використовуються у біотехнологіях. Останні поступово займають у житті сучасного суспільства лідируюче положення і є однією з цеглин нового суспільства ЗНАНЬ, що приходить на зміну ще актуального для України індустріального періоду.

Дуже часто саме за рахунок реакцій електролізу отримують цінні хімічні продукти, що вкрай тяжко добути прямим природнім шляхом. Так у „доелектролізні" часи алюміній був настільки дорогий, що прикраси з нього могли собі дозволити жінки лише з дуже багатих сімей. Тому для Дмитра Івановича Менделєєва було приємним отримати пам'ятну медаль Французької академії наук саме з алюмінію.

Як правило, електроліз - це явище проходження електричного струму у рідинах, при якому сама рідина не „переживає" ніяких перетворень своєї сутності. Всі реакції відбуваються виключно біля електродів, а у рідини змінюється лише концентрація компонентів.

Зрозуміло, що маса продуктів електролізу залежить від величини заряду, що пронизує розчин.

Закони електролізу

Маса продукту буде дорівнювати: m=m_iN_i ( де m_i - маса іону, N_i - число іонів). Тобто m=M/N_A x q/e, де М - мольна маса іонів, N_A - число частинок одного моля речовини (число Авогадро), q/e - число електронів, що приймають участь в електролітичній реакції.

Зрозуміло, що один електрон під час електролізу в змозі перетворити іон у нейтральний атом речовини, тільки у тому випадку, якщо цей хімічний елемент одновалентний. А, наприклад, для нейтралізації двохвалентного іона (Cu²⁺, SO₄^2-, O^2-) вже потрібно два електрона, для трьохвалентного - три и т. і. Саме тому для отримання нейтральної речовини необхідно величину q розділити на n x e, враховуючи її валентність.

Тоді маємо: m= M/N_A x q/e x n або, перегрупувавши величини m=1/e N_A x M/n x q, або остаточно: m=1/F x μ/n x I x t.При цьому F=e x N_A=96500 Кл/моль - постійна Фарадея (на честь англійського ученого, що дав цю теорію), а М/n - хімічний еквівалент речовини.

Часто бувають випадки, коли цей закон Фарадея для електролізу записують ще в більш простій формі m=k x I x t, де добуток 1/F x M/n називають електрохімічним еквівалентом речовини (таблична величина). Зрозуміло, що М - мольна маса (так вважають за краще позначати в деяких підручниках).

Якщо забезпечити уважний, зосереджений аналіз явища, то при розв'язанні задач буває корисним врахувати наступні можливості:

1) для нейтралізації іона і його перетворення у нейтральний атом потрібна така елементарна кількість електрики q₀, яка дорівнює валентності даного елемента (n), помноженій на заряд електрона (е), тобто q₀=n x e. Проте є багато речовин, які мають молекулярну будову і кожна молекула „використовує" декілька атомів. Тому зрозуміло, що для отримання однієї молекули кисню, при її валентності 2 (два), нам буде потрібно чотири електрони (4е). Тому, в записі закону Фарадея використовується атомарна маса з відповідною атому валентністю. Але, якщо від неї переходити до мольних досліджень в звичайних лабораторних або природних умовах, то доведеться враховувати, що дана кількість речовини дасть в два рази менше (для кисню) структурних частинок газоподібного стану.

2) виходячи з розуміння першого легко формувати запис ходу електролізу для газів, що отримуються у нормальних умовах (н.у.).

96500 Кл (дають) > 1 моль H або > 1/2 моля H₂ або 1/2 від 22,4 літра H₂q ( реальний заряд) > ν молів ... або Х літрів

Природно, для кисню (O₂) буде > 1/4 моля O₂, тобто: 1/4 від 22,4 літра.

Якщо умови виходять за рамки нормальних, то природно використати рівняння Менделєєва - Клапейрона: PV=νRT.

При уважному розгляді цього легко побачити фізичний зміст постійної Фарадея.

Постійна Фарадея (F=e x N_A) показує кількість електрики, яка дає один моль взаємодій «електрон - іон».

Або - це така кількість електрики, яка при електролізі нейтралізує 1 моль одновалентних іонів або 1/2 моля двовалентних іонів, 1/3 моля тривалентних і т.і.

3. Застосування електролізу.

Серед застосувань електролізу спочатку в деяких деталях розглянемо процеси, що протікають у ванні з водним розчином мідного купоросу і мідним анодом. Вони ще раз дозволяють нам наочно побачити сутність явища.

При запуску установки спостерігається наступне. З наявних іонів водного розчину мідного купоросу (Cu²⁺, H⁺, OH^-, SO₄^2-) активними, тобто такими, що беруть участь в електролітичній реакції виявляються тільки іони міді, а всі інші залишаються пасивні і ні в яких реакціях не беруть участі. Це внаслідок високої електро-хімічної активності міді. Тому на катоді має місце наступна реакція: Cu ²⁺ + 2е → Cu.

Тобто, на ту поверхню катода, що „дивиться" на анод, осідає рівномірний шар міді. І це при тому, що сам катод передає в розчин з іонами міді електрони, які постійно надходять від негативного полюса джерела струму.

А ось що відбувається з анодом. Оскільки поряд з ним в розчині немає активних негативних іонів, то і немає будь-яких продуктів електролізу, взятих з самого розчину.

Але циркуляція струму в установці забезпечується тим, що нейтральний атом міді, з якої зроблений анод, віддає два електрони у зовнішню частину електричного кола, спрямовуючи їх до позитивного полюса джерела. Тобто анод формує наступну реакцію: Cu → 2е + Cu ²⁺.

Іон міді, що утворився з нейтрального атома не може залишатися у складі матеріалу анода. Тому він переходить у розчин. Виходить, що замість іона, використаного у катода, розчин отримав новий такий самий іон від анода. Адже згідно закону збереження електричного заряду потік кількості електрики в будь-якому перетині послідовного ланцюга - величина постійна. Зі всього цього ясно видно, що анод розчиняється (худне), а катод покривається міддю (товстішає), розчин же ніяк не змінюється (концентрація залишається постійною).

Техніка і електроліз

Розглянемо найголовніші застосування електролізу в техніці, враховуючи, що в курсі хімії ми вже ознайомилися з використанням електролізу для добування вільного фтору, хлору і інших речовин.

Електрометалургія. На сьогоднішній день багато металів отримують за допомогою електролізу руд. Так, наприклад, алюміній отримують виключно електролізом його розплавленого оксиду (глинозему Al₁₂O₃) в кріоліті Na₃AlF₆. Електролітичною ванною і одночасно катодом служить залізний ящик з вугільним черенем, а анодами є вугільні стержні, які опускаються в розплав. Електроліз проводиться при температурі близько 900 ^oС, причому висока температура підтримується самим струмом. Розплавлений алюміній опускається на дно ящика, звідки його через спеціальний отвір випускають у форму для виплавки. За допомогою такого електролізу одержують також натрій, магній, берилій, кальцій, фтор і інші речовини.

Очищення металів. В промисловості під час електролізу здійснюють очищення металів. Метал, що очищається, виливають у вигляді пластин і роблять їх анодами в електролітичній ванні. Електролітом є розчин солі даного металу. Підбираючи напругу між анодом і катодом, можна добитися, щоб метал, що очищається, переходив від аноду в розчин і виділявся на катоді. Домішки ж випадають на дно посуду у вигляді осаду. Цей спосіб найбільш поширений для очищення міді, як ми це описали в деталях трохи вище.

Гальванопластика, або електричне осадження металу на поверхні предмету для відновлення його форми здійснюється так: з предмету спочатку знімають зліпок з воску, гіпсу і т.п., покривають його порошком графіту для формування електропровідності і потім використовують зліпок, як катод в електролітичній ванні, яка вміщає розчин солі відповідного металу. Під час електролізу метал з електроліту виділяється на поверхні зліпка і отримують металеву копію предмету. Цим способом виготовляють друкарські кліше, безшовні труби, а також інші металеві деталі складної форми.

Гальваностегія. Електролітичне осадження металів широко використовують для покриття одних металів шаром інших з метою захисту від корозії. Такими є електролітичні позолота, сріблення і т.п.

Автор: В. Бєлий