Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Наклонным участкам изменения потенциала на рис. 107 соответствуют электрические сопротивления внешнего и внутреннего участков замкнутой цепи. Суммарное падение потенциала вдоль этих участков равно сумме скачков потенциала в двойных слоях, т. е. электродвижущей силе (ЭДС) элемента.
Прохождение электрического тока в гальваническом элементе осложняется побочными продуктами, выделяющимися на электродах, и появлением перепада концентрации в электролите. Об этих явлениях говорят как об электролитической поляризации. Например, в элементах Вольты при замыкании цепи положительные ионы Н+ движутся к медному электроду и осаждаются на нем. В результате через некоторое время медный электрод как бы заменяется водородным. Так как электродный потенциал водорода на 0,337 В ниже электродного потенциала меди, то ЭДС элемента уменьшается примерно на такую же величину. Кроме того, выделяющийся на медном электроде водород увеличивает внутреннее сопротивление элемента.
Для уменьшения вредного влияния водорода используются деполяризаторы — различные окислители. Например, в наиболее употребительном элементе Лекланше («сухие» батарейки) положитель-
Ь
Рис. 107. Распределение потенциала вдоль цепи, содержащей химический элемент
272
VI. АТОМЫ И ИЗЛУЧЕНИЕ
ным электродом служит графитовый стержень, окруженный спрессованной массой перекиси марганца Мп02 и графита.
Аккумуляторы. Практически важной разновидностью гальванических элементов являются аккумуляторы, для которых после разрядки возможен обратный процесс зарядки с преобразованием электрической энергии в химическую. Вещества, расходуемые при получении электрического тока, восстанавливаются внутри аккумулятора путем электролиза.
Наибольшее распространение получили свинцовые, или кислотные, аккумуляторы. Электроды аккумулятора изготавливаются из двух решетчатых свинцовых пластин, заполненных пастой из окиси свинца РЬО. В аккумулятор заливают 30%-ный раствор серной кислоты (с плотностью 1,2 г/см3). На поверхностях пластин образуется слой сернокислого свинца PbS04. Чтобы аккумулятор стал источником тока, его необходимо зарядить. При пропускании постоянного электрического тока на электроде, соединенном с положительным полюсом выпрямителя, отрицательные ионы S04 _ нейтрализуются и при соединении с сернокислым свинцом и водой образуют перекись свинца РЬ02 в соответствии с реакцией
PbS04 + S04" + 2Н20 -* Pb02 + 2H2S04 + 2е.
Положительные ионы Н+ движутся к электроду, соединенному с отрицательным полюсом выпрямителя, и нейтрализуются на нем в результате реакции
PbS04 + 2Н+ + 2e-*Pb + H2S04.
Видно, что при зарядке аккумулятора повышается концентрация серной кислоты, что ведет к увеличению плотности электролита.
Таким образом, в процессе зарядки создается резкая асимметрия электродов: один становится свинцовым, другой — из перекиси свинца. Заряженный аккумулятор представляет собой гальванический элемент, способный служить источником тока.
При подключении к аккумулятору потребителей электрической энергии через цепь потечет электрический ток, направление которого противоположно зарядному току. Химические реакции идут в обратном направлении и аккумулятор возвращается в исходное состояние. Оба электрода будут покрыты слоем соли PbS04, а концентрация серной кислоты вернется к первоначальному значению.
У заряженного аккумулятора ЭДС составляет примерно 2,2 В. При разрядке она понижается до 1,85 В. Дальнейшую разрядку производить не рекомендуется, так как процесс образования сернокислого свинца становится необратимым и аккумулятор портится.
Максимальный заряд, который может отдать аккумулятор при разрядке, называется его емкостью. Емкость аккумулятора обычно
§ 32. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЖИДКОСТЯХ
273
измеряется в ампер-часах. Она тем больше, чем больше поверхность пластин.
Применения электролиза. Электролиз используется в металлургии. Наиболее распространено электролитическое получение алюминия и чистой меди. С помощью электролиза можно создавать тонкие слои одних веществ на поверхности других с целью получения декоративных и защитных покрытий (никелирование, хромирование). Процесс получения отслаиваемых покрытий (гальванопластика) был разработан русским ученым Б. С. Якоби, применившим его для изготовления полых скульптур, украшающих Исаакиевский собор в Санкт-Петербурге.
• Чем отличается физический механизм электропроводности в металлах и электролитах?
• Поясните, почему степень диссоциации данного вещества зависит от диэлектрической проницаемости растворителя.
• Объясните, почему в сильно разбавленных растворах электролита практически все молекулы растворенного вещества диссоциированы.
• Поясните, в чем механизм электропроводности электролитов сходен с механизмом электропроводности газов. Почему при неизменных внешних условиях электрический ток пропорционален приложенному напряжению?
• Какую роль при выводе закона электролиза (3) играет закон сохранения электрического заряда?
