на каком действии электрического тока основано получение химически чистых металлов
Химический источник тока (аббр. ХИТ) — источник ЭДС, в котором энергия протекающих в нём химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию. Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году.
На странице -> решение задач по химии собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам химии.
Химия и электрический ток
Химические источники тока — это устройства и приборы которые в процессе химической окислительно-восстановительной реакции выделяют напряжение. Также они называются электрохимическими, гальваническими элементами. Основной принцип действия их основан на взаимодействии химических реагентов которые вступая, в реакцию друг с другом вырабатывают электроэнергию, в виде постоянного тока. Этот процесс происходит без механического или теплового воздействия, что является основными факторами играющими превосходящую роль среди других генераторов постоянного напряжения. Химические источники тока, сокращённо ХИТ, уже давно нашли применение не только в быту, но и на производстве.
Ряд напряжений (активности) металлов
Если расположить металлы по их способности вытеснять из растворов солей другие металлы, то можно составить ряд относительной тельной активности металлов:
Этот ряд характеризует восстановительную способность металлов только при следующих условиях; металл опускается в раствор соли другого металла. Например,
Иными словами, процесс перехода электронов возможен при наличии соответствующего восстановителя и окислителя. Окислительная способность ионов может быть отражена рядом, аналогичным! ряду напряжений
Это два взаимосвязанных ряда. При составлении ряда окислителей учтен также и другой фактор, который мы принимали во внимание, изучая окислительно-восстановительные процессы, — роль концентрации. Растворы электролитов должны быть равной концентрации (например, однонормальные растворы). Приведем пример, поясняющий сказанное. В воде концентрация ионов водорода незначительна 
, тогда как в однонормальном растворе кислоты (при а= 100%) она равна 1 г-ион/л. Водород из воды вытесняют только самые активные металлы (по алюминий включительно), а из кислоты — почти все металлы, кроме Си, Ag, Au, Pt и Hg.
Если бы мы стали изучать способность различных металлов вытеснять другие из расплавов солей, то мы получили бы другой ряд активности металлов и т. д.
Еще раз подчеркнем, что ряд напряжений металлов характеризует относительную активность металлов. Тем не менее, рассматриваемый нами ряд выделяется из всех других благодаря широкой практической применимости. Многие процессы идут именно при таких условиях: металл погружен в раствор электролита.
В частности, непосредственное отношение к рассматриваемому имеет вопрос о гальванических элементах (химических источниках тока). Разве в цинково-медном гальваническом элементе химическое изменение происходит не в результате процесса, аналогичного описанному выше?
Правда, для получения электрического тока пришлось отделить окислитель от восстановителя. Прямой контакт для этих целей не годился. Так, цинково-медный гальванический элемент состоит из двух электродов: цинковой пластины, погруженной в раствор ZnSO4, и медной пластины, погруженной в раствор CuSO4.
Если соединить металлические пластины и растворы солей (электролитическим ключом), начнется движение электронов от цинковой пластины на медную: окислитель и восстановитель начали «работать».
Надо заметить, что измерение электродвижущих сил гальванических элеменгов позволило оценить с количественной стороны ряд напряжений или активности металлов. Если измерить э. д. с. различных гальванических элементов, приняв один из электродов за стандартный (им выбран водородный электрод), то можно вычислить относительные величины потенциалов других электродов.
Таким образом, при работе гальванических элементов осуществляется переход химической энергии в электрическую. С другой стороны, при действии электрического тока на химические соединения, например, при электролизе, осуществляется химическое превращение.
Электролиз
Процесс окисления — восстановления протекает особенно легко при взаимодействии наиболее энергичных окислителей и восстановителей:
Не случайно в природных соединениях натрий и хлор находятся и состоянии ионов 
. Алюминий образует устойчивое соединение АI2О3. Между тем, промышленность нуждается в свободном хлоре, в металлических натрии и алюминии, т. е. в простых веществах. Вытеснить их из указанных соединений затруднительно, так как 
не являются хорошими окислителями. Мы не можем для них подобрать соответствующих партнеров—восстановителей, которые отдали бы свои электроны ионам натрия и алюминия. Единственным надежным путем оказывается путь «принудительного» присоединения электронов, что достигается с помощью электролиза.
Электролизом называются окислительно-восстановительные процессы, протекающие в растворах или расплавах электролитов под действием электрического тока. Принято различать электролиз расплавов и растворов электролитов. В последнем случае приходится, учитывать, что помимо ионов, на которые диссоциирует электролит, в растворе содержится еще незначительное количество ионов 
, получающихся при диссоциации воды. Под действием постоянного электрического тока начинается направленное движение ионов к соответствующим электродам. Ионы разряжаются на электродах в последовательности, определяемой теми же двумя факторами: 1) силой окислителя и восстановителя, 2) их концентрацией.
Сила окислителей (катионы металлов) может быть оценена с помощью составленного ранее ряда (2), однако с поправкой на то, что в данном случае (водные растворы) концентрация иона водорода незначительная.
Все же при электролизе раствора хлористого натрия на катоде разряжается не ион натрия, а ион водорода. Хотя концентрация последнего мала, но как окислитель он значительно превосходит ион натрия. Но если мы возьмем раствор SnCl2, то при электролизе на катоде выделяется не водород, а олово, так как концентрация 
в растворе соли значительно выше, чем концентрация иона водорода, тогда как различия по способности принимать электроны невелики.
Если, рассматривая ряд активности металлов, мы отмечали, что, щелочные, щелочноземельные металлы и алюминий способны вытеснять водород даже из воды, то теперь мы можем сделать такой вывод: при электролизе растворов солей указанных металлов на катоде выделяется водород. При электролизе водных растворов солей остальных металлов на катоде выделяется металл.
В какой же последовательности происходит отдача электронов, анионами на аноде при электролизе водных растворов? Оказалось, что самыми энергичными восстановителями являются ионы галогеноводородных кислот: 
Им уступают по силе кислородсодержащие анионы. Схематически этот ряд можно выразить так:
Для понимания процессов, происходящих на аноде при электролизе водных растворов различных солей, существенно то, что гидроксильная группа 
занимает в этом ряду положение между ионами бескислородных кислот и ионами кислородных кислот. Следовательно, при электролизе раствора хлорида натрия на аноде разряжаются ионы хлора
и при электролизе раствора сульфата натрия — ионы гидроксила анод:
Количество вещества, выделившегося при электролизе, можно Подсчитать, пользуясь законом Фарадея:
где А — атомный вес в у. е.; n — число электронов, соответственно отданных или присоединенных; Q—количество электричества в кулонах, F — 96 493 к — постоянная Фарадея). Вычисление можно провести также, исходя из уравнения реакции, однако нельзя забывать, что коэффициенты в уравнениях катодного и анодного процесса определяются с учетом равного числа отданных и присоединенных электронов.
Пример. Одинаковые ли количества железа и хлора выделяются на уголь-I них электродах при электролизе растворов 
находящихся в последовательно соединенных ячейках?
Решение. Хлора выделится одинаковое количество, а железа — разное, так как при пропускании одного и того же количества электричества (равное количество электронов!) масса выделившегося вещества будет находиться в зависимости от изменения степени окисления:
Как видно, в первой ячейке железа выделится в 1,5 раза больше, чем во второй.
Коррозия металлов
Коррозией называется процесс разрушения материалов под действием окружающей среды. Такому разрушению в той или иной степени подвержены многие материалы. Мы ограничимся рассмотрением коррозии металлов.
Трудно оценить тот ущерб, который наносит народному хозяйству этот разрушительный процесс. Примерно 10% ежегодно добываемого в мире металла расходуется на возмещение потерь из-за коррозии.
Причина коррозии заключается в том, что металлы, являясь типичными восстановителями, способны самопроизвольно переходить и ионное состояние. Этот переход сопровождается образованием соединений на поверхности металла, что нередко приводит к механическому разрушению изделия, выполненного из этого металла. Этот процесс совершается под действием окислителей, находящихся во внешней среде.
Различают два вида коррозии: химическая и электрохимическая коррозия. Химические и электрохимические реакции, протекающие на границе металл—среда, и приводят к разрушению поверхности металла.
Химическая коррозия — это непосредственное взаимодействие металла с токонепроводящей внешней средой. Например, окисление металла кислородом воздуха при высокой температуре (газовая коррозия) или разрушение, происходящее при низких температурах в органических растворителях, нефти, и т. п. Наиболее распространенной является газовая коррозия, при которой поверхность металла покрывается различными по составу, толщине и свойствам пленками. Некоторые окисные пленки защищают в той или иной степени металлы от дальнейшего разрушения 
другие — напротив, способствуют развитию процесса коррозии (окислы железа, щелочных и щелочноземельных металлов).
Широко распространена электрохимическая коррозия — процесс разрушения металла в растворе электролита. Взаимодействие металла с растворами, способными проводить электрический ток, происходит не только при непосредственном погружении металлического изделия в раствор электролита, но даже при хранении в атмосферных условиях, так как на его поверхности образуется (адсорбируется) тонкая пленка влаги. В этом тонком слое воды растворяются газы, содержащиеся в атмосфере, и, таким образом, создаются условия взаимодействия металла с раствором электролита. В этом случае коррозия принципиально отличается — как по характеру протекания, так и по продуктам реакции — от химической коррозии, Механизм электрохимической коррозии по существу напоминает механизм работы гальванического элемента, ибо практически любой металл содержит те или иные примеси. Вследствие этого коррозионное разрушение металлов в растворах электролитов чаще всего протекает в результате работы огромного количества короткозамкнутых микроскопических гальванических элементов. Разрушение металла вызывается не только наличием включений и примесей, создающих электрохимическую неоднородность поверхности, но также неодинаковым строением материала, неоднородностью поверхности и т. д.
Механизм химической и электрохимической коррозии металлов показан на рис. 9. Роль образования гальванических пар в процессе взаимодействия с электролитом может быть выяснена на таком примере. Известно, что ни медь, ни серебро не вытесняют водород из кислот, но если в раствор соляной кислоты опустить соединенные вместе пластины из меди и серебра (короткозамкнутый гальванический элемент), то происходит выделение водорода. Медь растворяется
а на серебряной пластинке идет восстановление водорода:
Таким образом, «чистота» металла, его восстановительные свойства, характер и концентрация окислителя во внешней среде — вот основные факторы, определяющие процесс коррозии и образование продуктов коррозии.
В некоторых случаях на коррозию металлов оказывают влияние и другие факторы, являющиеся специфическими для данной географической среды. При рассмотрении коррозии в морской воде приходится учитывать не только ее солевой баланс, но также флору и фауну морей. Так, некоторые морские организмы прикрепляются К днищу корабля, увеличивая его коррозию, и т. д.
Какие же существуют методы борьбы с коррозией?
Прежде всего обратим внимание на тот факт, что многие металлы, являющиеся хорошими проводниками электрического тока (серебро,
медь, золото, хром, алюминий, марганец, вольфрам), вместе с тем обладают и достаточной коррозионной устойчивостью. Последняя определяется их кристаллической структурой, либо возникающими на поверхности металла прочными окисными пленками, препятствующими коррозии. При борьбе с коррозией получили применение как металлические, так и окисные пленки.
К числу неметаллических покрытий, помимо окисных (оксидирование), относятся фосфатные и некоторые другие. Поверхность металла может быть также защищена от контакта с внешней средой лаками, красками, смолами, эмалями и т. п.
Все указанные методы борьбы с коррозией предусматривают защиту металлического изделия, но не устраняют окислительного действия внешней среды. Имеются также методы, предусматривающие воздействие на агрессивную внешнюю среду, например, введение ингибиторов (в том числе атмосферных), т. е. веществ, способных замедлять течение реакций, проходящих при коррозии.
Взаимодействие металлов с кислотами
Разрушение металлов осуществляется при действии растворов кислот, в частности таких, как концентрированная азотная и серная. Продукты реакции зависят от активности металла и концентрации кислоты. Если взаимодействие цинка с разбавленной серной кислотой сопровождается выделением водорода
то при действии концентрированной серной кислоты на цинк реакция протекает по-иному:
т. е. в этом случае окислителем являются уже не ионы водорода, а молекулы серной кислоты. Кроме того, нередко наблюдаются различия и в зарядах катионов (и формулах солей) металлов, имеющих переменные окислительные числа. Так, при действии соляной или разбавленной серной кислоты на железо происходит образование соли двухвалентного железа:
Ясно, что в атмосфере выделяющегося водорода (особенно сильный восстановитель в момент выделения) не может образоваться соединения трехвалентного железа. Если на холоде действовать на железо концентрированной 
на поверхности железа образуется окисная 
пленка, не растворимая в кислотах-окислителях.
При взаимодействии металлов с азотной кислотой никогда не выделяется водород: и в концентрированной, и в разбавленной азотной кислоте окислителем выступает азот с окислительным числом +5.
Можно установить связь между составом продуктов взаимодействия металлов с кислотой и положением металлов в ряду активности (напряжений), что отражено в табл. 2. В качестве примера приведены реакции взаимодействия кислот с цинком (один из активных металлов) и медью.
Приведенные в таблице реакции взаимодействия меди с концентрированной 
и разбавленной и концентрированной 
Имеются в школьном учебнике. Их используют для лабораторного получения 
Обратите внимание на то обстоятельство, что при взаимодействии металла с концентрированной кислотой, помимо продуктов окисления и восстановления, образуется также Вола. Если ее не удалять (нагревание выше 100°), то кислота становится более разбавленной и тогда при взаимодействии меди, например с концентрированной 
получается смесь двух газов: 
Табл. 2 указывает основные направления процессов; изменившиеся условия меняют их характер.
Услуги по химии:
Лекции по химии:
Лекции по неорганической химии:
Лекции по органической химии:
Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔
Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.
Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.
Действия электрического тока: тепловое, химическое, магнитное, световое и механическое
Электрический ток в цепи всегда проявляется каким-нибудь своим действием. Это может быть как работа в определенной нагрузке, так и сопутствующее действие тока. Таким образом, по действию тока можно судить о его наличии или отсутствии в данной цепи: если нагрузка работает — ток есть. Если типичное сопутствующее току явление наблюдается — ток в цепи есть, и т. д.
Вообще, электрический ток способен вызывать различные действия: тепловое, химическое, магнитное (электромагнитное), световое или механическое, причем разного рода действия тока зачастую проявляются одновременно. Об этих явлениях и действиях тока и пойдет речь в данной статье.
Тепловое действие электрического тока
При прохождении постоянного или переменного электрического тока по проводнику, проводник нагревается. Такими нагревающимися проводниками в разных условиях и приложениях могут выступать: металлы, электролиты, плазма, расплавы металлов, полупроводники, полуметаллы.
Выделяемое на участке цепи количество теплоты зависит от приложенного к этому участку напряжения, значения протекающего тока и от времени его протекания (Закон Джоуля — Ленца).
Преобразовав закон Ома для участка цепи, можно для вычисления количества теплоты использовать либо напряжение, либо силу тока, но тогда обязательно необходимо знать и сопротивление цепи, ведь именно оно ограничивает ток, и вызывает, по сути, нагрев. Или, зная ток и напряжение в цепи, можно так же легко найти количество выделяемой теплоты.
Химическое действие электрического тока
Электролиты, содержащие ионы, под действием постоянного электрического тока подвергаются электролизу — это и есть химическое действие тока. К положительному электроду (аноду) в процессе электролиза притягиваются отрицательные ионы (анионы), а к отрицательному электроду (катоду) — положительные ионы (катионы). То есть вещества, содержащиеся в электролите, в процессе электролиза выделяются на электродах источника тока.
Например, в раствор определенной кислоты, щелочи или соли погружают пару электродов, и при пропускании электрического тока по цепи на одном электроде создается положительный заряд, на другом — отрицательный. Ионы содержащиеся в растворе начинают откладываться на электроде с противоположным зарядом.
Химическое действие электрического тока используется в промышленности, например, для разложения воды на составляющие ее части (водород и кислород). Также электролиз позволяет получать некоторые металлы в чистом виде. С помощью электролиза покрывают тонким слоем определенного металла (никеля, хрома) поверхности — это нанесение гальванических покрытий и т.д.
В 1832 году Майкл Фарадей установил, что масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду q, прошедшему через электролит. Если через электролит пропускается в течение времени t постоянный ток I, то справедлив первый закон электролиза Фарадея:
Здесь коэффициент пропорциональности k называется электрохимическим эквивалентом вещества. Он численно равен массе вещества, выделившегося при прохождении через электролит единичного электрического заряда, и зависит от химической природы вещества.
Магнитное действие электрического тока
При наличии электрического тока в любом проводнике (в твердом, жидком или газообразном) наблюдается магнитное поле вокруг проводника, то есть проводник с током приобретает магнитные свойства.
Так, если к проводнику, по которому течет ток, поднести магнит, например в виде магнитной стрелки компаса, то стрелка повернется перпендикулярно проводнику, а если намотать проводник на железный сердечник, и пропустить по проводнику постоянный ток, то сердечник станет электромагнитом.
В 1820 году Эрстед открыл магнитное действие тока на магнитную стрелку, а Ампер установил количественные закономерности магнитного взаимодействия проводников с током.
В 1831 году, Фарадей установил, что изменяющееся магнитное поле от одного контура порождает ток в другом контуре: генерируемая ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Логично, что именно магнитное действие токов используется по сей день и во всех трансформаторах, а не только в электромагнитах ( например, в промышленных).
Световое действие электрического тока
В простейшем виде световое действие электрического тока можно наблюдать в лампе накаливания, спираль которой разогревается проходящим через нее током до белого каления и излучает свет.
Для лампы накаливания на световую энергию приходится около 5% от подведенной электроэнергии, остальные 95% которой преобразуется в тепло.
Люминесцентные лампы более эффективно преобразуют энергию тока в свет — до 20% электроэнергии преобразуется в видимый свет благодаря люминофору, принимающему ультрафиолетовое излучение от электрического разряда в парах ртути или в инертном газе типа неона.
Более эффективно световое действие электрического тока реализуется в светодиодах. При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).
Лучшие излучатели света относятся к прямозонным полупроводникам (то есть к таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), например GaAs, InP, ZnSe или CdTe. Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS). КПД светодиода как источника света доходит в среднем до 50%.
Механическое действие электрического тока
Как было отмечено выше, каждый проводник, по которому течет электрический ток, образует вокруг себя магнитное поле. Магнитные действия превращаются в движение, например, в электродвигателях, в магнитных подъемных устройствах, в магнитных вентилях, в реле и т. д.
Механическое действие одного тока на другой описывает закон Ампера. Впервые этот закон был установлен Андре Мари Ампером в 1820 для постоянного тока. Из закона Ампера следует, что параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных — отталкиваются.
Законом Ампера называется также закон, определяющий силу, с которой магнитное поле действует на малый отрезок проводника с током. Сила, с которой магнитное поле действует на элемент проводника с током, находящегося в магнитном поле, прямо пропорциональна току в проводнике и векторному произведению элемента длины проводника на магнитную индукцию.
На этом принципе основана работа электродвигателей, где ротор играет роль рамки с током, ориентирующейся во внешнем магнитном поле статора вращающим моментом M.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!