Elektroliza (1), Nowy folder

[ Pobierz całość w formacie PDF ]

Dysocjacja elektrolityczna to rozpadu cząsteczek na pod wpływem , np.

NaHCO3 → Na+ + HCO3-

Dysocjacja może następować jako końcowy etap w rozpuszczalnikach (np. ) lub może być inicjowana w inny sposób (np. ). Dysocjacja może też przebiegać w pod wpływem bądź bezpośredniego bombardowania gazu . Do dysocjacji są zdolne związki, w których występują lub bardzo silnie . Zdysocjowany roztwór związku chemicznego nazywa się . W roztworach dysocjacja jest zawsze procesem odwracalnym. Między formą niezdysocjowaną i zdysocjowaną związku występuje w tych warunkach równowaga. W zależności od własności rozpuszczalnika i związku chemicznego, temperatury oraz występowania jonów pochodzących z innych związków równowaga ta może być bardziej przesunięta w stronę formy niezdysocjowanej lub zdysocjowanej związku. Dysocjacji elektrolitycznej w ulegają prawie wszystkie rozpuszczalne , wszystkie i . Ujemny jest miarą ich chemicznej.

Wiele związków chemicznych w stanie i ulega też samorzutnej dysocjacji, choć jej stopień jest zazwyczaj dość niski, np. woda ulega samorzutnej dysocjacji wg schematu:

H2O + H2O → H3O+ + OH-

Iloczyn jonowy tej dysocjacji w wynosi ok. 10-14, co oznacza że na każde 107 (10 000 000) wody tylko jedna ulega samorzutnej dysocjacji. Stała ta jest podstawą .

Stopień dysocjacji to stosunek liczby danego , które uległy rozpadowi na do łącznej liczby cząsteczek tego związku, znajdującego się w roztworze, fazie gazowej lub stopie, w którym zaszło zjawisko .

Stopień dysocjacji zależy od:

· struktury związku, dla którego ten stopień jest ustalany

· rodzaju rozpuszczalnika

· obecności w roztworze innych związków zdolnych do dysocjacji

· roztworu (na ogół wzrasta w miarę rozcieńczania roztworu)

· (na ogół nieco wzrasta wraz ze wzrostem temperatury)

Proces elektrolizy

Elektroliza zachodzi w układach, w których występują substancje zdolne do , czyli rozpadu na jony. Samo zjawisko jonizacji może być wywołane zarówno przyłożonym napięciem elektrycznym, jak i zjawiskami nie generowanymi bezpośrednio przez prąd - , wysoką , czy działaniem silnym promieniowaniem.

Proces elektrolizy jest napędzany wymuszoną wędrówką do , zanurzonych w substancji, po przyłożeniu do nich odpowiedniego napięcia prądu elektrycznego. W elektrolizie elektroda naładowana ujemnie jest nazywana , a elektroda naładowana dodatnio . Każda z elektrod przyciąga do siebie przeciwnie naładowane jony. Do katody dążą więc dodatnio naładowane , a do anody ujemnie naładowane . Po dotarciu do elektrod jony przekazują im swój ładunek, a czasami wchodzą też z nimi w , na skutek czego zamieniają się w obojętne elektrycznie lub . Ponadto, wędrujące przez substancję jony mogą po drodze ulegać rozmaitym z innymi jonami lub substancjami, które nie uległy rozpadowi na jony. Powstające w ten sposób substancje zwykle albo osadzają się na elektrodach albo wydzielają się z układu w postaci . Proces elektrolizy wymaga stałego dostarczania energii elektrycznej.

Zjawisko elektrolizy zostało opisane ilościowo w dwóch .

Przepływ prądu w cieczach Nośnikami prądu w cieczach są jony dodatnie (kationy) i ujemne (aniony), w wyniku przepływu jonów powstała w nich energia chemiczna zamienia się na elektryczną, co znalazło zastosowanie w ogniwach i akumulatorach.
Przewodnictwo elektrolitów wynika z tego, że cząsteczki rozpuszczone w wodzie ulegają rozbiciu na jony swobodne (atomy) lub cząsteczki naładowane (np. Na+, H+, Cl-), czyli na takie które mają nadmiar lub niedobór elektronów.

Mechanizm przepływu prądu elektrycznego w przewodnikach ciekłych
Ładunek elektryczny jest własnością materii. Mówiąc o przepływie prądu elektrycznego w przewodnikach ciekłych musimy pamiętać, że ładunek elektryczny przemieszczany jest razem z materią. W przewodnikach ciekłych prąd elektryczny tworzą jony dodatnie i jony ujemne. Jony mają masę znacznie większą niż elektrony. Z przepływem jonów w przewodnikach ciekłych związany może być przepływ znacznej ilości materii.
W sytuacji, gdy nie ma zewnętrznego pola elektrycznego jony są równomiernie rozmieszczone w całej objętości przewodnika ciekłego. We wstępnej analizie pomijamy stały, chaotyczny ruch jonów.
Po przyłożeniu zewnętrznego pola elektrycznego następuje przesunięcie jonów ujemnych w stronę przeciwną do zwrotu wektora natężenia pola elektrycznego czyli w stronę potencjału dodatniego, a jonów dodatnich w stronę zgodną wektorem natężenia pola elektrycznego czyli w stronę potencjału ujemnego.
W przewodniku ciekłym znajdującym się w zewnętrznym polu elektrycznym nastąpi rozdzielenie ładunku - na powierzchniach bliższych potencjałowi dodatniemu wystąpi zwiększenie ładunku ujemnego (zwiększenie ilości jonów ujemnych), na powierzchniach bliższych potencjałowi ujemnemu - zwiększenie ładunku dodatniego (zwiększenie ilości jonów dodatnich). Całkowity ładunek znajdujący się w umieszczonym w zewnętrznym polu elektrycznym przewodniku ciekłym nie zmieni się.
Sytuacja się zmienia, gdy z jednej strony przewodnika ,umieszczonego w zewnętrznym polu elektrycznym, znajdzie się "magazyn dostawcy" dostarczający nowych ładunków elektrycznych, a drugiej strony "magazyn odbiorcy" zbierający ładunek. Funkcję takiego podwójnego magazynu pełnią ogniwa elektryczne, baterie, prądnice, akumulatory. Nazywane są one źródłami prądu (lub źródłami napięcia elektrycznego).
Każde źródło prądu elektrycznego pełni równocześnie funkcję polegającą na przynoszeniu elektronów między oboma "magazynami" już wewnątrz źródła. Mówimy, że każde źródło prądu ma dwa bieguny - dodatni i ujemny.
Biegun ujemny źródła prądu dostarcza ładunków ujemnych niezbędnych do przepływu prądu elektrycznego (inaczej mówimy do obwodu elektrycznego). Biegun dodatni dostarcza ładunku dodatniego czyli zbiera elektrony, a wewnątrz baterii, kosztem innej energii, elektrony przenoszone są z bieguna dodatniego do ujemnego.
Przepływ prądu elektrycznego uzyskujemy przez zbudowanie obwodu elektrycznego składającego się z przewodników; źródła prądu (źródła napięcia) i odbiorników prądu elektrycznego. Źródło prądu (źródło napięcia) zapewnia wytworzenie pola elektrycznego i swobodne nośniki ładunku elektrycznego. Gdy znamy natężenie prądu płynącego przez elektrolit możemy obliczyć całkowity ładunek, który przepłynął przez ten elektrolit (i przez każdy inny punkt omawianego obwodu).

I Prawo Faraday’a mówi, że masa wydzielającej się substancji m jest proporcjonalna do przepływającego przez elektrolit ładunku Q.

Stała k jest równoważnikiem elektrochemicznym, równym liczbowo masie wydzielonej przy przepływie przez elektrolit ładunku 1 kulomba w czasie 1 sek. Stała ta ma wymiar [kg/As].

II Prawo Faraday’a mówi, że równoważniki elektrochemiczne k pierwiastków są proporcjonalne do ich równoważników chemicznych(obecnie jest to wielkość nielegalna).

W poprzednim wzorze M jest masą jonu, Wi jest wartościowością jonu, a F jest stałą Faraday’a (F=96485 C/mol), czyli ładunkiem mola elektronów.

Łącząc I i II prawo Faraday’a otrzymujemy:

Równoważnik elektrochemiczny (oznaczany symbolem: k), masa danej substancji wydzielona na elektrodzie podczas przepływu przez jednego . W układzie jednostką równoważnika elektrochemicznego jest [kg/C].

Równoważnik chemiczny (R, eq) - jest to taka masa substancji, która łączy się z 1,008 jednostki wagowej wodoru lub z 8 jednostkami wagowymi tlenu, bądź też wypiera te ilości wodoru/tlenu ze związku.

Stała – fizyczna, która oznacza ładunek elektryczny przypadający na jeden elektronów (bez znaku):

gdzie:

NA – ,

e - .

Ponieważ e = 1,6021917(70)×10-19 C, więc wielkość stałej Faradaya wyrażona w

Stała Faradaya jest wykorzystywana m.in. w wielu równaniach i prawach.

Przepływ prądu w obwodzie elektrycznym związany jest z wykonywaniem pracy przez pole elektryczne.
Praca prądu zamieniana jest w obwodzie elektrycznym na odpowiedni rodzaj energii (ciepło, promieniowanie itp.).
• Praca



Jednostką pracy prądu jest dżul [J]. Korzystając z podanego wzoru, możemy wyrazić jednostkę pracy za pomocą jednostek wielkości elektrycznych:
                                                            [J = VּAּs].
W praktyce używa się także jednostki pracy zwanej kilowatogodziną [kWh].
                                    1 kWh = 3 600 000 J

• Moc urządzeń elektrycznych jest równa stosunkowi pracy wykonanej przez dane urządzenie do czasu, w którym ta praca została wykonana.

P =
Moc prądu możemy obliczać z następujących wzorów:
                             P = U ּ I
P = I2ּ R
                      P =
Jednostką mocy urządzeń elektrycznych jest wat [W= VּA].

Praca prądu elektrycznego jest sumą prac sił opisujących oddziaływanie poruszających się ładunków elektrycznych z siecią krystaliczną przewodnika (grzałki, żarówki, itp.) lub z innymi poruszającymi się ładunkami wytwarzającymi pole magnetyczne (silniki prądu stałego).

Praca w obwodzie prądu stałego jest równa iloczynowi źródła energii elektrycznej, przepływającego przez odbiornik oraz przepływu prądu. W przypadku zmian natężenia prądu lub napięcia praca jest sumą prac elementarnych podobnie jak w przypadku zmian siły.

Jednostką pracy w tym przypadku jest ·· równy dżulowi (J)

W skali makroskopowej, przy przepływie prądu elektrycznego przez rezystor, praca prądu zamieniana jest na ciepło. Przy przepływie prądu przez silnik elektryczny praca prądu zamieniana jest na pracę mechaniczną.

Moc prądu przemiennego
Jest równa iloczynowi napięcia skutecznego, natężenia skutecznego i cosinusa kąta alfa przesunięcia fazowego

Skuteczne natężenie lub napięcie prądu elektrycznego, wartość lub , równa pierwiastkowi ze średniej z kwadratu danej wielkości (tj. natężenia lub napięcia). W ogólnym przypadku dowolnie zmiennego (ale periodycznego)

Przesunięcie fazowe jest to różnica pomiędzy wartościami dwóch okresowych ruchów drgających (np. lub dowolnego innego ). Ponieważ faza fali zazwyczaj podawana jest w lub w również i przesunięcie fazowe wyrażone jest w tych samych jednostkach. W niektórych przypadkach przesunięcie fazowe może być wyrażone również w lub częściach okresu.

Przesunięcie fazowe jest istotnym parametrem w wielu dziedzinach fizyki i techniki. Na przykład

· wpływ wielkości przesunięcia fazowego na obraz pozwala na

· znajomość przesunięcia fazowego między a umożliwia obliczenie wartości pobieranej przez dany .

Wat (W) jest to moc, przy której praca 1 J wykonana jest w czasie 1 s.

Wolt (V) jest to napięcie elektryczne występujące między dwiema powierzchniami ekwipotencjalnymi jednorodnego przewodu prostoliniowego, w którym płynie nie zmieniający się prąd 1 A, a moc wydzielana przez przewód między tymi powierzchniami jest równa 1 W.

Amper (A)jest to prąd elektryczny nie zmieniający się, który płynąc w dwóch przewodach równoległych, prostoliniowych, nieskończenie długich, o przekroju znikomo małym, umieszczonych w próżni w odległości 1 m od siebie, wywołałby między tymi przewodami siłę 2 · 10-7 N na każdy metr długości.

Dżul (J) jest to energia równa pracy wykonanej przez siłę 1 N w kierunku jej działania, na drodze długości 1 m.

[ Pobierz całość w formacie PDF ]

Elektroliza (1)

Elektroliza (1), Nowy folder

Tematy