www.labster.eu
Meno a priezvisko:
Škola:
Školský rok/blok:
Predmet:
Trieda:
Dátum:
Teória
Škola pre mimoriadne nadané deti a Gymnázium
Fyzika
5
Elektrický prúd v elektrolytoch a plynoch
Elektrolyty; Elektrolytická disociácia; Faradayove zákony elektrolýzy; Elektrický prúd v plynoch
___________________________________________________________________________
Elektrický prúd v kvapalinách (elektrolytoch), elektrolýza
5.1
Zostavme obvod zo zdroja, žiarovky, ampérmetra. Na jednom mieste ho prerušíme tým, že vodiče
vyvedieme na medené plechy, ktoré ponoríme do akvária s kvapalinou.
Výsledky merania prúdu závisia od vlastností kvapaliny v akváriu:
 destilovaná voda  žiarovka nesvieti, obvodom tečie veľmi malý prúd cca. 10A



voda z vodovodu  žiarovka nesvieti, obvodom tečie malý prúd cca. 5mA
minerálna voda (Budiš, Salvator, Magnesia, ...)  žiarovka opäť nesvieti, obvodom tečie malý prúd
cca. 7 mA
slaná voda  žiarovka svieti, obvodom tečie prúd 200mA
Prečo ?
Jedna z podmienok pre vznik elektrického prúdu je aj existencia častíc ochotných a schopných prenášať
elektrický náboj (napríklad elektróny v kovoch). Molekula vody elektrický prúd viesť nemôže, pretože je
elektricky neutrálna a nenabitá, nepriťahuje ju ani k plus ani k mínus.
Úloha 1: Na základe znalostí z chémie vysvetlite rozdielne veľkosti prúdu, ktorý v jednotlivých
prípadoch prechádzal obvodom.
 destilovaná voda  voda obsahuje malé množstvo nabitých častíc, disociácia vody (môže


prebiehať vo vode samovoľne): 2 H 2O  H 3O  OH . Vo vode sú aj nabité častice, ktoré



prenáša elektrický prúd.
voda z vodovodu  voda obsahuje aj nečistoty a minerály  viac nabitých častíc
minerálna voda  na vinete je zoznam iónov  obsahuje ešte viac nabitých častíc
slaná voda  kryštály soli sa vo vode rozpadajú na ióny  obrovské množstvo častíc, ktoré môžu
viesť elektrický prúd
Plechy alebo iné predmety, ktorým privádzame do kvapaliny elektrický prúd sa nazývajú elektródy. Sú
pomenované podľa reakcií, ktoré na nich prebiehajú:
 Anóda – je kladná elektróda (+), na ktorej prebieha oxidácia (odoberajú sa elektróny), za
normálnych podmienok platí, že anóda je kladná.
 Katóda – je záporná elektróda (-), na ktorej prebieha redukcia (látka prijíma elektróny), za
normálnych okolností platí, že katóda je záporná (pripojená k zápornému pólu batérie).
www.labster.eu
www.labster.eu
Ako pomáha prúdu v akváriu soľ ?
Úloha 2: Nakreslite obrázok akvária z predchádzajúceho pokusu po pridaní soli NaCl . Napíšte
reakcie, ktoré v roztoku prebiehajú. Akým spôsobom prechádza vodou prúd ?


Kryštál soli sa pôsobením vody rozpadá na ióny: NaCl  Na  Cl . Na ióny pôsobia elektrické sily
a nútia ich, aby sa pohybovali smerom k elektródam.

Záporný ión (anión) chlóru Cl je priťahovaný kladnou elektródou – anódou, dotkne sa jej, odovzdá jej
elektrón a ďalej reaguje s vodou. Kladný ión (katión) sodíka je priťahovaný zápornou elektródou – katódou,
dotkne sa jej, prijme elektrón (vyrovná sa jeho náboj) a ďalej reaguje s vodou. Na anóde pribúdajú
elektróny, na katóde ubúdajú  obvodom prechádza prúd. Zároveň sa mení chemické zloženie vodného
roztoku.
Roztok, ktorý vedie elektrický prúd sa volá elektrolyt. Celý opisovaný dej sa nazýva elektrolýza.
Elektrolýza vody v Hofmanovom prístroji
Elektrolyt je zriedená kyselina sírová, elektródy sú platinové (kvôli katalýze reakcií)
Úloha 3: Nakreslite obrázok akvária so zriedenou kyselinou sírovou. Rovnako ako v predchádzajúcom
príklade zapíšte chemickými rovnicami deje, ktoré prebiehajú v elektrolyte. Zhodnoťte, k akým
zmenám bude dochádzať v elektrolyte aj na elektródach.
Anóda prijíma elektróny a vzniká na nej plynný kyslík. Katóda dodáva elektróny, vzniká na nej plynný vodík
(dvojnásobné množstvo ako kyslíku na anóde). Prebiehajúca elektrolýza postupne rozkladá vodu a zvyšuje
koncentráciu roztoku kyseliny sírovej. Na elektródach vzniká kyslík a vodík.
Elektrolýza roztoku modrej skalice s medenou anódou a uhlíkovou katódou
Úloha 4: Nakreslite obrázok akvária s roztokom modrej skalice. Rovnako ako v predošlom príklade
zapíšte chcemickými rovnicami deje, ktoré prebiehajú v elektrolyte. Zhodnoťte, k akým zmenám bude
dochádzať v elektrolyte a na elektródach.
Anóda prijíma elektróny a odovzdáva meď, katóda dodáva elektróny a vylučuje sa na nej meď.
Prebiehajúca elektrolýza postupne odoberá meď na anóde a vylučuje ju na katóde. Elektrolyt sa nemení.
2
www.labster.eu
www.labster.eu
Pri elektrolýze vzniká na katóde buď čistý kov alebo vodík. Využitie vylučovania kovu je v galvanizácii
(galvanické pokovovanie). Predmet pripojený ku katóde sa pokryje tenkou vrstvou kovu. Úlohou tenkej
vrstvy kovu je podľa typu kovu:
 meď, zinok – ochrana pred koróziou (oxidy medi a zinku vytvorené na povrchu chránia meď a zinok
a tým aj pokovené oceľové predmety pred koróziou),
 striebro – zmenšenie prechodových odporov na vodivých spojoch,
 zlato – ochrana pred chemickými vplyvmi a opotrebením napríklad u kontaktov.
Ak kvapalina obsahuje ióny, vedie elektrický prúd a nazývame ju elektrolyt. Vedenie elektrického
prúdu v kvapalinách možno makroskopicky pozorovať voľným okom (na rozdiel od vedenia
elektrického prúdu v kovoch).
Elektrolyty sú látky, ktorých roztoky alebo taveniny vedú elektrický prúd pomocou iónov. Roztoky alebo
taveniny elektrolytov sú teda vodiče s iónovou vodivosťou – sú vodiče druhej triedy.
Príčinou iónovej vodivosti roztokov je elektrolytická disociácia – rozštiepenie neutrálnych molekúl
elektrolytu pôsobením rozpúšťadla alebo vysokej teploty na elektricky nabité častice, ktoré Faraday nazval
ióny.
Súčasne s disociáciou prebieha v roztoku elektrolytu aj opačný proces – rekombinácia iónov:
NaCl  Na   Cl 
H 2 SO4  2 H   SO42
CuSO4  Cu 2  SO42
Vodiče, ktoré roztok elektrolytu vodivo spájajú s inými časťami obvodu, sa nazývajú elektródy. Elektródu
s vyšším potenciálom bazval Faraday anóda, elektródu s nižším potenciálom katóda. Ak roztok elektrolytu
vodivo spojíme so zdrojom jednosmerného napätia, roztokom prechádza prúd. Kladné ióny sa budú
pohybovať ku katóde, preto sa nazývajú katióny. Záporné k anóde, preto sa nazývajú anióny.
Pri prechode elektrického prúdu roztokom elektrolytu nastáva prenos látky aj chemické zmeny v roztoku
a na elektródach. Súbor procesov, ktoré prebiehajú v roztoku a na elektródach pri prechode elektrického
prúdu sa nazýva elektrolýza. Podrobne ju študoval Faraday, ktorý vyslovil dva zákony.
3
www.labster.eu
5.2
www.labster.eu
Faradayove zákony elektrolýzy
Pri elektrolýze sa na katóde môže vylučovať čistý kov. Toto potrebujeme využiť pri galvanickom pokovení
predmetov (galvanizácii). Potrebujeme zodpovedať otázky:
 Koľko kovu sa na katóde „usadí“ (vylúči) ?
 Ako dlho má elektrický prúd pôsobiť ?
 Akú má mať elektrický prúd veľkosť ?
Hmotnosť vylúčeného kovu ( m ) zodpovedá hmotnosti vylúčeného atómu a počte vylúčených atómov:
m  m0 .N a

m0 je hmotnosť jedného atómu  platí vzťah m0 
sa v gramoch na mól

Mm
, kde M m je molárna hmotnosť – udáva
NA
 g 
 mol  , N A je počet častíc v jednom móle.
N a je počet vylúčených atómov  kov sa vylučuje prechodom elektrického prúdu  počet
vylúčených atómov bude úmerný počtu prenesených elektrónov a nepriamo úmerný počtu
elektrónov prenášaných jedným iónom  N a 
N
, kde v je mocnosť katiónu, N počet
v
prenesených elektrónov.

Q
19
, kde e  1,602.10 C je elementárny náboj elektrónu,
e
N Q
Q je celkový prenesený náboj  N a  
.
v e.v
Počet prenesených elektrónov je N 
Dosadíme do počiatočného vzťahu:
M m Q M m .Q


N A e.v N A .e.v
Ak vyjadríme celkový prenesený náboj pomocou elektrického prúdu Q  I .t tak vzťah má tvar:
M .I .t
m  m0 .N a  m
N A .e.v
m  m0 .N a 
Teraz môžeme spočítať ako dlho máme nechať zapnutý elektrický prúd so známou veľkosťou, ktorú vieme
jednoducho odmerať, aby sa na elektróde vylúčilo (usadilo) požadované množstvo kovu.
V praxi
sa
väčšinou
používa
F  N A .e  6,023.10 .1,602.10
23
19
vzorec,
N A .e  F
kde
je
Faradayova
konštanta

1
 9,65.10 C.mol
M .I .t
m m
F .v
4
Vzorec sa dá rozdeliť do dvoch Faradayovych zákonov:
1. Faradayov zákon: Hmotnosť látky vylúčenej na elektróde je priamo úmerná elektrickému náboju,
ktorý prešiel roztokom elektrolytu  m  k .Q , konštanta k sa označuje A :
m  A.Q resp. m  A.I .t
kde A je konštanta úmernosti, resp. elektrochemický ekvivalent.
Na elektróde sa vylučujú ióny o hmotnosti m0 s mocenstvom v . Potom pre hmotnosť m látky, ktorá sa
vylúči nábojom
Q platí náš vzťah: m  N .m0 
Q
m
m0  0 Q  A.Q
v.e
v.e


m0
1
je elektrochemický ekvivalent látky; udáva sa v jednotkách kg.C . Charakterizuje
v.e
ióny, ktoré sa vylučujú na elektróde. Číselne určuje hmotnosť častíc vylúčených nábojom 1C .
Konštanta A 
Elektrochemické ekvivalenty niektorých iónov sú uvedené v tabuľke:
4
www.labster.eu
www.labster.eu
Ak vzťah pre elektrochemický ekvivalent rozšírime Avogadrovou konštantou N A , dostaneme
A
m0 N A .m0
1 N A .m0 1 M m



v.e N A .v.e N A .e v
F v
kde M m je mólová hmotnosť látky, F
 N A .e  9,6487.10 4 C.mol 1 je Faradayova konštanta.
2. Faradayov zákon: Elektrochemické ekvivalenty látok sú priamo úmerné pomeru ich molových
hmotností a mocenstiev, elektrochemický ekvivalent určíme podľa vzťahu:
A
1 Mm

Q
F v
A sa líši pre rôzne materiály (majú rôzne molárne hmotnosti M m ) a pre jednu látku v rôznych zlúčeninách
(látka môže mať rôzne mocenstvá v ).
Spojením oboch Faradayových zákonov dostaneme spojený Faradayov zákon
m
Riešený príklad č. 0:
1 Mm
Q
F v
Koľko hliníka sa vylúči na katóde z roztoku Al2O3 za osem hodín, ak elektrolytom prechádza prúd 10
Riešenie:
Disociáciou
vznikajú
Al2O3
6
1
ióny
Al 3 ,
preto
A  0,093.10 6 kg.C 1 .
Potom
4
A?
m  A.I .t ,
m  0,093.10 kg.C .10 A.28000s  26,8kg
4
Za osem hodín sa vylúči na katóde asi 26,8kg hliníka.
1. Na pomedenie oceľovej dosky je potrebných
0,1g medi. Určte ako dlho musí pomedenie prebiehať, ak
elektrolytom prechádza prúd s veľkosťou 0,5 A . Pomedenie prebieha pomocou roztoku modrej
skalice.
2. Na pomedenie oceľovej dosky je potrebných
0,1g medi. Určte ako dlho musí pomedenie prebiehať, ak
elektrolytom prechádza prúd s veľkosťou 0,5 A . Pomedenie prebieha pomocou roztoku modrej
1
23
19
skalice. M m Cu   63,5 g .mol ; N A  6,023.10 ; e  1,602.10 C ; t  ?
3. Určte elektrochemický ekvivalent striebra v dusičnane striebornom.
M m  Ag   107,9 g .mol 1 ;
F  9,65.104 C.mol 1 , A  ? . Dusičnan strieborný: AgNO3  v  1 .
4. Jednostranné poniklovanie kovovej doštičky s povrchom S  100cm trvalo pri veľkosti prúdu
I  0,4 A štyri hodiny. Určte hrúbku vrstvy niklu, ak bol nikel použitý v zlúčenine s oxidačným číslom 2.
2
  8900kg.m 3 .
5. Ocelový plech má rozmery
100 x 20 x0,5cm . Určte ako dlho je nutné plech elektrolyticky pozinkovávať
s prúdom 10 A a má sa na ňom vytvoriť ochranná vrstva s hrúbkou 5m . Zinok má v použitej zlúčenine
oxidačné číslo 2.
5
www.labster.eu
5.3
Elektrický prúd v plynoch
www.labster.eu

Látky planného skupenstva sú zložené z elektricky neutrálnych častíc a pri teplotách asi do 1000 C sú
elektrickými nevodičmi. Elektricky nabité častice v nich môžu vzniknúť ionizáciou – odtrhnutím elektrónov
od atómov alebo molekúl. Z atómov a molekúl sa tak stanú kladné ióny. Ak sa elektrón uvoľnený pri
ionizácii spojí s neutrálnou časticou, vznikne záporný ión. To znamená, že voľnými elektricky nabitými
časticami v látke plynného skupenstva môžu byť kladné a záporné ióny a malé množstvo elektrónov, teda
plyny majú kombinovanú iónovú alebo elektrónovú vodivosť.
Na odtrhnutie elektrónu od neutrálneho atómu alebo molekuly
sa musí elektrónu dodať istá elergia na prekonanie väzbových
síl – ionizačná energia Ei .
Činiteľ, ktorý spôsobuje ionizáciu je ionizačný činiteľ alebo
ionizátor. Najdôležitejšie spôsoby ionizácie sú:
ionizácia nárazom je vznik voľných elektrónov a iónov pri
zrážkach neutrálnych častíc plynu s elektrónmi alebo iónmi urýchlenými elektrickým poľom
tepelná ionizácia nastane, ak plynná látka má takú teplotu, že jej častice sa pri vzájomných nárazoch
ionizujú
fotoionizácia je vznik voľných elektrónov a iónov pri pohltení fotónu elektromagnetického žiarenia
V plyne súčasne s ionizáciou prebieha opačný dej – rekombinácia. Pri konštantných podmienkach sa v plyne
vytvorí dynamická rovnováha medzi počtom vznikajúcich a zanikajúcich častíc s nábojom.
Vedenie elektrického prúdu v plynoch sa nazýva elektrický výboj. Elektrický výboj sa nazýva nesamostatný,
ak existuje iba počas pôsobenia vonkajších ionizačných činiteľov. Voltampérová charakretistika výboja:
Pri zvyšovaní napätia na elektródach z nulovej hodnoty bude prúd spočiatku priamo úmerný napätiu, teda
bude platiť Ohmov zákon. Pre väčšie hodnoty napätia prestane platiť priama úmernosť medzi prúdom
a napätím. Ak napätie dosiahne hodnotu U n , prúd bude mať hodnotu I n , ktorá sa zvyšovaním napätia
nemení. Vysvetliť to možno tak, že do napätia U n niektoré častice vzniknuté ionizáciou rekombinujú,
 U n , rekombinácia prestane a všetky častice s nábojom vzniknuté
ionizáciou sa dostanú na elektródy. Hodnota I n sa nazýva nasýtený prúd. Nasýtený prúd sa môže zväčšiť
preto sa na prúde nepodielajú. Ak U
iba použitím silnejšieho ionizátora.
Ak naúätie prekročí hodnotu U z , prúd začne opäť rásť a výboj existuje aj bez pôsobenia vonkajšieho
ionizátora. Takýto výboj sa nazýva samostatný výboj. Napätie, pri ktorom vznikne samostatný výboj sa
nyzýva zápalné napätie. Pri vyššom napatí ako U z náboje vzniknuté ionizáciou získajú energiu postačujúcu
na ionizáciu nárazom.
Výboj v plyne môže mať niekoľko foriem (v závislosti od tlaku plynu, vlastnosti elektród, odporu obvodu,
...):
6
www.labster.eu
www.labster.eu
Praktické cvičenie: Elektrický prúd v kvapalinách
Zostavíme si elektrický obvod z kovových vodičov a vodného roztoku chloridu sodného. Po uzavretí
spínača prechádza obvodom elektrický prúd.
V obvode sa v kovových vodičoch pohybujú voľné elektróny od záporného pólu zdroja napätia ku
kladnému. Vo vodnom roztoku kuchynskej soli (NaCl) sa pohybujú voľné záporné ióny Cl – tiež smerom od
záporného pólu zdroja ku kladnému. Voľné kladné ióny Na+ sa však pohybujú od kladného pólu zdroja
k zápornému.
7
www.labster.eu
Download

5 Elektrický prúd v elektrolytoch a plynoch