Transcript Elektrický proud v kapalinách a plynech

Elektrický proud v
kapalinách a plynech
Elektrolyty
1. elektrolyty – kapalné látky vedoucí elektrický
proud (vodné roztoky, kyseliny, zásady)
2. vodivost elektrolytu způsobují kladné a
záporné ionty (kationty a anionty)
3. ionty K+, OH-, Cl- nesou jeden elementární
náboj,
4. H+ nemůže sám existovat proto tvoří oxoniový
ion
Elektrolytická disociace
chemický děj, při němž polární molekuly
rozpouštědla buď štěpí chemické vazby molekul
či krystalů rozpouštěné látky nebo naopak jsou
štěpeny molekulami elektrolytu, přičemž vzniká
roztok obsahující volně pohyblivé ionty
Př.


CH 3 COOH ( aq )  H 2 O ( l )  H 3 O ( aq )  CH 3 COO aq )


NaCl ( s )  xH 2 O ( l )  Na ( aq )  Cl ( aq )


NH 3 ( aq )  H 2 O ( l )  NH ( aq )  HO ( aq )
Rozdělení elektrolytů
Silné elektrolyty – jsou v roztoku o libovolné
koncentraci úplně disociované na ionty (soli
anorganických kyselin a soli organických
kyselin, hydroxidy a silné kyseliny)
Slabé elektrolyty – jsou v roztoku přítomny
částečně ve formě svých nedisociovaných
molekul a solvatovaných iontů
Vodivost látek
Je podmíněna existencí volně pohyblivých
iontů – iontová vodivost
Elektrický proud v elektrolytu je spojen s
přenosem iontů směrem k elektrodám
Anoda – kladná elektroda
Katoda – záporná elektroda
Definice elektrody
Podle Faradaye:
Elektroda = vodič I.třídy, kterým je do vodiče
II. třídy přiváděn nebo z vodiče II. třídy
odváděn elektrický náboj
Přesnější definice
Elektroda = heterogenní elektrochemický
systém skládající se alespoň ze dvou fází, z
nichž jednu tvoří vodič I. třídy a druhou vodič
II. třídy
Elektrodový děj
= oxidačně – redukční reakce, při níž spolu
reagují složky dvou různých fází
Př.
Ag+(roztok) + e-(kov)
Ag(kov)
Elektrolýza
Děj při kterém dochází vlivem stejnosměrného
elektrického proudu k vylučování látek na
elektrodách
Anoda – oxidace
Katoda - redukce
Elektrolýza
Elektrolýza solanky
Roztok NaCl
Elektrolýza solanky
Katoda
Na katodě přijmou kationty sodíku (Na+) jeden elektron.
Reagují s vodou za vzniku hydroxidu sodného
(NaOH) a vodíku (H 2).
2 Na ++ 2 H2O + 2e- ---› 2 NaOH + H 2
Anoda
Anionty chloru odevzdají anodě jeden elektron. Vzniklé
molekuly chloru (Cl 2) unikají z elektrolytu ve formě
drobných bublinek.
2 Cl - ---› Cl 2 + 2eNa katodě je vylučován vodík (H 2) a na anodě chlór (Cl 2).
1. Faradayův zákon
Hmotnost látky vyloučené na elektrodě závisí
přímo úměrně na elektrickém proudu, procházejícím
elektrolytem, a na čase, po který elektrický proud
procházel.
m = A.I.t
m ……… hmotnost vyloučené látky
A ………. elektrochemický ekvivalent látky
I ………. elektrický proud
t ……….. čas
nebo též
m = A.Q,
Q …… elektrický náboj prošlý elektrolytem
2. Faradayův zákon
Látková množství vyloučená stejným nábojem jsou
pro všechny látky chemicky ekvivalentní, neboli
elektrochemický ekvivalent A závisí přímo úměrně
na molární hmotnosti látky.
A
M
m
F .z
Mm …….Molární hmotnost iontu
F …… Faradayova konstanta F = 9,6481×104 C.mol−1
z …… počet elektronů, které jsou potřeba při vyloučení
jedné molekuly (např. pro Cu2+ → Cu je z = 2, pro
Ag+ → Ag je z = 1).
Využití elektrolýzy
•
•
•
•
•
•
Rozklad různých chemických látek
Elektrometalurgie - výroba čistých kovů (hliník)
Elektrolytické čištění kovů - rafinace (měď, zinek, nikl)
Galvanické pokovování (chromování, niklování, zlacení) - pokrývání
předmětů vrstvou kovu
Galvanoplastika - kovové obtisky předmětů, např. pro výrobu
odlévacích forem
Galvanické leptání - kovová elektroda se v některých místech
M
pokryje nevodivou vrstvou, nepokrytá část se průchodem
proudu
A
F .z
elektrolytem vyleptá
Polarografie - určování chemického složení látky pomocí změn
elektrického proudu procházejícího roztokem zkoumané látky
Akumulátory - nabíjení chemického zdroje elektrického napětí
průchodem elektrického proudu
m
•
•
Chemické zdroje napětí
Galvanický článek je zdroj elektrického napětí tvořený
dvěma elektrodami z různých kovů ve styku s
vhodným elektrolytem. Dochází v něm k přeměně
chemické energie na elektrickou energii.
Příklad:
elektrody:
elektrolyt:
měď a zinek
zředěný roztok kyseliny sírové
Dělení chemických zdrojů napětí
Primární články - ireverzibilní
při odběru v nich probíhají elektrodové děje, které
definitivně znehodnocují výchozí chemické látky
Sekundární články – reverzibilní - akumulátory
Po vybití je lze regenerovat elektrolýzou provedenou
pomocí vnějšího zdroje stejnosměrného napětí
Palivové články
Látky vstupující do elektrodových reakcí jsou do článků
přiváděny kontinuálně, přičemž jedna se redukuje na
katodě a druhá se oxiduje na anodě
Leclancheův článek
Napětí 1,5V – primární článek
Anoda:
zinková amalgámová
Katoda:
grafitová + burel (MnO2)
Elektrolyt: 26%ní NH4Cl + 9%ní ZnCl2, ztužený
škrobem
1
Katodový děj:
NH
 e
 NH

H


4
3
2 MnO
Zn
Anodový děj

2
2
Zn ( Hg )


H2
2 NH

Zn
Mn 2 O 3
2

2
H2
Zn ( NH 3 ) 2 2 

3
2

2e

Alkalický článek
Má delší životnost.
Baterie se skládá z ocelového válce, který je na obou
koncích uzavřen destičkou z niklu.
Katoda
směs MnO2 + grafit
Anoda
práškový zinek (eldy jsou oddělené
membránou)
Elektrolyt
roztok KOH v gelu
Elektrodové děje:
Zn(s) + 2 OH-(aq) → Zn(OH)2(s) + 2 e2 MnO2(s) + H2O(l) + 2 e- → Mn2O3(s) + 2 OH-(aq)
Celková rovnice:
Zn(s) + 2 MnO2 + H2O → Zn(OH)2(s) + Mn2O3(s)
Olověný akumulátor
Sekundární článek
Složení:
Pb
H 2 SO 4 ( aq ) PbO 2 ( s ), Pb
Katodový děj:
PbO

2

 2 e  4 H 3 O  SO 4
2
 PbSO
4
 6 H 2O
Anodový děj:
Pb

SO 4
2

PbSO
4

2e

Palivové články
Elektrolýzu využívá i palivový kyslíkovodíkový článek.
Skládá ze dvou elektrod z pórovitého materiálu, mezi nimž je
elektrolyt. K vnějším stěnám elektrod je pod tlakem přiváděn
plynný vodík a kyslík. V pórech kyslíkové elektrody vznikají
reakcí kyslíku a vody aniony OH-, které přecházejí do elektrolytu.
V pórech elektrody se ionizují molekuly vodíku na kationy H+,
které přecházejí do elektrolytu a reagují s OH- za vzniku vody.
Na vodíkové elektrodě přebývá jeden záporný elektron. Jestliže
obě elektrody vodivě spojíme, získáme zdroj elektrické proudu.
Výhodou palivového článku je, že se nevybíjí podobně jako
galvanický článek nebo akumulátor, má až 80 % účinnost.
Kyslíkovodíkový palivový článek
Kyslíkovodíkový palivový článek
Elektrodové děje:
Anoda:
2H2  4 H

4e
Oxidace / odevzdání elektronu
Katoda:

O2  4 e  2 O
2

 2 H 2O
2.krok
Redukce / přijetí elektronu
2O
 4H
2
Souhrnná rovnice
2 H 2  O 2  2 H 2O

Výboje v plynech
Plyny jsou za normálních podmínek izolanty
– jsou tvořeny elektricky neutrálními molekulami.
Aby se plyn stal vodičem musí obsahovat volné
částice s nábojem a nacházet se v elektrickém
poli. Toho lze dosáhnout výbojem v plynech.
Ionizace plynu
= děj, při kterém vznikají kationty, anionty a
volné elektrony
Příčina ionizace:
vysoká teplota, působení UV záření, působení
radioaktivního záření apod.
Energie potřebná k rozštěpení molekuly se
nazývá ionizační energie – udává se obvykle v
elektronvoltech (1 eV = 1,6  10–19 J).
Ionizace plynu
Současně s ionizací probíhá v plynu i
opačný děj, zvaný rekombinace.
Nesouhlasně nabité částice se přitahují a
vytvářejí opět neutrální molekuly.
Druhy výbojů v plynech
Výboj může být:
• nesamostatný – el. proud prochází
pouze za přítomnosti ionizátoru; přestaneli ionizátor působit, převládne rekombinace
nad ionizací a výboj ustává
• samostatný – nezávislý na vnějším
ionizátoru; pokud přestane ionizátor
působit, vznikají ionty samovolně
Využití výbojů v plynech
obloukový výboj: charakteristické je nízké napětí a velmi vysoký proud, uvolňuje se
množství el. energie + ultrafialové světlo;
využití: el. svařování
jiskrový výboj: trvá velmi krátkou dobu, vzniká při nižším napětí, ale při malé
vzdálenosti elektrod,
př. blesk – vzniká mezi opačně nabitými mraky nebo mezi mrakem a zemí,
k ochraně před ničivými účinky blesku slouží bleskosvod (= kovová tyč vodivě
spojená se zemí, Prokop Diviš);
využití: svíčka v motoru
koróna: vzniká v nehomogenním el. poli okolo hran, hrotů, tenkých vodičů s vysokým
potenciálem, dosáhne-li intenzita el. pole hodnoty potřebné k ionizaci molekul v
okolí vodiče – př. koróna způsobuje ztráty na vedeních vysokého napětí za
sníženého tlaku
doutnavý výboj: probíhá ve výbojce (= skleněná baňka při nízkém tlaku naplněná
nějakým plynem), projevuje se svícením, má poměrně nízké napětí a nízký proud,
nespotřebovává velké množství el. Energie
využití: výbojky: nízkotlaké – zářivková trubice, veřejné osvětlení
vysokotlaké – promítací přístroj, osvětlovací technika