Elektrolisa. hukum faraday

Untuk menggambarkan proses dalam fisika dan kimia, ada sejumlah hukum dan hubungan yang diperoleh secara eksperimental dan dengan perhitungan. Tidak ada satu studi pun yang dapat dilakukan tanpa penilaian awal dari proses menurut hubungan teoretis. Hukum Faraday diterapkan baik dalam fisika maupun kimia, dan dalam artikel ini kami akan mencoba berbicara secara singkat dan jelas tentang semua penemuan terkenal ilmuwan hebat ini.

Sejarah penemuan

Hukum Faraday dalam elektrodinamika ditemukan oleh dua ilmuwan: Michael Faraday dan Joseph Henry, tetapi Faraday menerbitkan hasil karyanya lebih awal - pada tahun 1831.

Dalam percobaan demonstrasi pada bulan Agustus 1831, ia menggunakan torus besi, di ujung yang berlawanan dililit kawat (satu kawat per sisi). Di ujung salah satu kabel pertama, ia memasok daya dari baterai galvanik, dan menghubungkan galvanometer ke simpul kedua. Desainnya mirip dengan trafo modern. Secara berkala menyalakan dan mematikan tegangan pada kabel pertama, ia mengamati semburan pada galvanometer.

Galvanometer adalah instrumen yang sangat sensitif untuk mengukur arus kecil.

Jadi pengaruhnya ditunjukkan Medan gaya, terbentuk sebagai akibat dari aliran arus di kawat pertama, pada keadaan konduktor kedua. Dampak ini ditransmisikan dari yang pertama ke yang kedua melalui inti - torus logam. Dari hasil penelitian juga ditemukan pengaruh magnet permanen yang bergerak dalam kumparan terhadap lilitannya.

Kemudian Faraday menjelaskan fenomena tersebut induksi elektromagnetik dari sudut pandang garis kekuatan. Yang lain adalah pengaturan untuk menghasilkan arus searah: piringan tembaga diputar di dekat magnet, dan kawat yang meluncur di sepanjang itu adalah pengumpul arus. Penemuan ini disebut piringan Faraday.

Para ilmuwan pada masa itu tidak menerima ide-ide Faraday, tetapi Maxwell mengambil penelitian untuk membentuk dasar teori magnetnya. Pada tahun 1836, Michael Faraday membangun hubungan untuk proses elektrokimia, yang mereka sebut Hukum Elektrolisis Faraday. Yang pertama menggambarkan rasio massa zat yang dilepaskan pada elektroda dan arus yang mengalir, dan yang kedua menggambarkan rasio massa zat dalam larutan dan dilepaskan pada elektroda, untuk sejumlah listrik.

Elektrodinamika

Karya pertama diterapkan dalam fisika, khususnya dalam deskripsi pengoperasian mesin dan peralatan listrik (transformator, motor, dll.). Hukum Faraday mengatakan:

Untuk rangkaian, ggl induksi berbanding lurus dengan besarnya kecepatan fluks magnet, yang bergerak melalui kontur ini dengan tanda minus.

Bisa dikatakan secara sederhana: semakin cepat fluks magnet bergerak melalui sirkuit, semakin banyak EMF yang dihasilkan di terminalnya.

Rumusnya terlihat seperti ini:

Di sini dФ adalah fluks magnet, dan dt adalah satuan waktu. Diketahui bahwa turunan pertama terhadap waktu adalah kecepatan. Artinya, kecepatan pergerakan fluks magnet dalam kasus khusus ini. Omong-omong, itu bisa bergerak, seperti sumber medan magnet (kumparan dengan arus - elektromagnet, atau magnet permanen), dan sirkuit.

Di sini, aliran dapat dinyatakan dengan rumus berikut:

B adalah medan magnet dan dS adalah luas permukaan.

Jika kita menganggap sebuah kumparan dengan lilitan yang rapat, sedangkan jumlah lilitannya adalah N, maka hukum Faraday terlihat seperti ini:

Fluks magnet dalam rumus untuk satu putaran diukur dalam Weber. Arus yang mengalir dalam rangkaian disebut induktif.

Induksi elektromagnetik adalah fenomena aliran arus dalam rangkaian tertutup di bawah pengaruh medan magnet luar.

Dalam rumus di atas, Anda bisa melihat tanda modulus, tanpa mereka memiliki bentuk yang sedikit berbeda, seperti yang dikatakan dalam rumusan pertama, dengan tanda minus.

Tanda minus menjelaskan aturan Lenz. Arus yang terjadi pada rangkaian tersebut menimbulkan medan magnet, arahnya berlawanan. Ini adalah konsekuensi dari hukum kekekalan energi.

Arah arus induksi dapat ditentukan oleh aturan tangan kanan atau, kami mempertimbangkannya di situs web kami secara detail.

Seperti yang telah disebutkan, karena fenomena induksi elektromagnetik, mesin listrik, transformator, generator dan motor bekerja. Ilustrasi menunjukkan aliran arus dalam belitan jangkar di bawah pengaruh medan magnet stator. Dalam kasus generator, ketika rotornya berputar oleh gaya eksternal, EMF muncul di belitan rotor, arus menghasilkan medan magnet yang berlawanan arah (tanda minus yang sama dalam rumus). Semakin besar arus yang ditarik oleh beban generator, semakin besar medan magnet ini, dan semakin sulit untuk berputar.

Dan sebaliknya - ketika arus mengalir di rotor, muncul medan yang berinteraksi dengan medan stator dan rotor mulai berputar. Ketika poros dimuat, arus di stator dan rotor meningkat, dan perlu untuk memastikan pergantian belitan, tetapi ini adalah topik lain yang terkait dengan desain mesin listrik.

Inti dari operasi transformator, sumber fluks magnet yang bergerak adalah medan magnet bolak-balik yang terjadi sebagai akibat dari aliran arus bolak-balik pada belitan primer.

Jika Anda ingin mempelajari masalah ini lebih detail, kami sarankan menonton video yang menjelaskan Hukum Faraday untuk induksi elektromagnetik dengan mudah dan jelas:

Elektrolisa

Selain penelitian tentang EMF dan induksi elektromagnetik, ilmuwan membuat penemuan besar dalam disiplin ilmu lain, termasuk kimia.

Ketika arus mengalir melalui elektrolit, ion (positif dan negatif) mulai mengalir ke elektroda. Negatif bergerak menuju anoda, positif menuju katoda. Pada saat yang sama, massa tertentu suatu zat dilepaskan pada salah satu elektroda, yang terkandung dalam elektrolit.

Faraday melakukan eksperimen, melewatkan arus yang berbeda melalui elektrolit dan mengukur massa zat yang diendapkan pada elektroda, dan menyimpulkan pola.

m adalah massa zat, q adalah muatan, dan k tergantung pada komposisi elektrolit.

Dan muatan dapat dinyatakan dalam arus selama periode waktu:

saya = q/t, kemudian q = i*t

Sekarang Anda dapat menentukan massa zat yang akan dilepaskan, mengetahui arus dan waktu yang mengalir. Ini disebut Hukum Elektrolisis Pertama Faraday.

Hukum kedua:

Bobot unsur kimia, yang akan mengendap pada elektroda, berbanding lurus dengan massa ekivalen unsur (massa molar dibagi dengan angka yang bergantung pada reaksi kimia di mana zat tersebut berpartisipasi).

Mengingat hal tersebut di atas, hukum-hukum ini digabungkan ke dalam rumus:

m adalah massa zat yang dilepaskan dalam gram, n adalah jumlah elektron yang dipindahkan dalam proses elektroda, F=986485 C/mol adalah bilangan Faraday, t adalah waktu dalam detik, M adalah massa molar zat g /mol.

Pada kenyataannya, karena alasan-alasan berbeda, massa zat yang dilepaskan kurang dari yang dihitung (saat menghitung dengan mempertimbangkan arus yang mengalir). Rasio massa teoritis dan nyata disebut output saat ini:

B t \u003d 100% * m kal / m teori

Hukum Faraday telah memberikan kontribusi yang signifikan terhadap perkembangan ilmu pengetahuan modern, berkat karyanya kami memiliki motor listrik dan generator listrik (serta karya para pengikutnya). Pekerjaan EMF dan fenomena induksi elektromagnetik memberi kami sebagian besar peralatan listrik modern, termasuk pengeras suara dan mikrofon, yang tanpanya mendengarkan rekaman dan komunikasi suara tidak mungkin dilakukan. Proses elektrolisis digunakan dalam metode galvanik untuk bahan pelapis, yang memiliki nilai dekoratif dan praktis.

Konten terkait:

Suka( 0 ) Saya tidak suka( 0 )

Ada hubungan antara massa zat yang diubah selama elektrolisis dan jumlah listrik yang melewati elektrolit, yang tercermin dalam dua hukum Faraday.

Hukum I Faraday. Untuk setiap proses elektroda tertentu, massa zat yang diubah berbanding lurus dengan jumlah listrik yang melewati elektrolit:

m = kQ,(2.10)

di mana m adalah massa zat yang diubah, g; Q- jumlah listrik (C), sama dengan produk dari kekuatan saat ini ( Saya, A) untuk waktu ( t, dengan); k- ekuivalen elektrokimia suatu zat, yang menyatakan jumlah gram zat yang diubah oleh satu liontin listrik.

Hukum II Faraday. Ketika sejumlah listrik yang sama dilewatkan melalui larutan elektrolit yang berbeda, massa masing-masing zat yang mengalami transformasi sebanding dengan ekivalen kimianya m 1:t 2:m 3 ... = m e1: m e2: m e3 ... (di mana m e adalah massa ekivalen suatu zat). Jika massa salah satu zat yang diubah selama aliran listrik dalam jumlah tertentu ternyata sama dengan massa ekivalennya ( t 1 =m e1) , maka untuk zat lain persamaannya akan valid m 2 = m e2 , m 3 \u003d m e3, dll.

Dengan demikian, untuk mengubah satu massa ekivalen suatu zat membutuhkan jumlah listrik yang sama, yang disebut konstanta Faraday F(96494 C/mol). Konstanta Faraday adalah muatan yang dibawa oleh satu mol elektron atau satu mol ion bermuatan tunggal (yaitu 6,02 1023 elektron atau ion bermuatan tunggal).

Hukum kedua Faraday juga dapat ditulis sebagai berikut: untuk melepaskan satu mol ion pada elektroda melalui larutan, perlu mengalirkan listrik sebanyak faradays sebanyak jumlah muatan dasar yang dimiliki ion tersebut.

Berdasarkan hukum Faraday II, seseorang dapat menulis

k = m e/ F.(2.11)

Hubungan (2.10) dan (2.11) menyiratkan persamaan gabungan hukum Faraday:

m =(m e/ F)Q=(m e/ F)Dia.(2.12)

Ini banyak digunakan untuk berbagai perhitungan dalam elektrokimia. Secara khusus, cara paling akurat untuk mengukur jumlah listrik yang telah melewati sirkuit didasarkan pada hukum Faraday. Ini terdiri dalam menentukan massa zat yang dilepaskan selama elektrolisis di elektroda. Untuk tujuan ini, perangkat yang disebut coulometer digunakan. Dalam praktik laboratorium, coulometer tembaga digunakan, di mana larutan CuSO 4 yang diasamkan dengan elektroda tembaga dikenai elektrolisis. Adalah penting bahwa hanya satu reaksi elektrokimia yang terjadi pada elektroda dalam coulometer, dan produk yang dihasilkan tersedia untuk penentuan kuantitatif yang akurat. Misalnya, seluruh jumlah listrik yang melewati koulometer tembaga dihabiskan untuk mentransfer tembaga dari anoda ke katoda, di mana massanya ditentukan dengan metode gravimetri.

Untuk tujuan penelitian, coulometer perak atau gas digunakan, di mana volume campuran (2H 2 + O 2) yang diperoleh dengan elektrolisis larutan KOH dalam air diukur.

Penggunaan koulometer memungkinkan untuk menentukan proporsi arus berguna yang dihabiskan (yaitu, arus yang dihabiskan untuk memperoleh produk yang bermanfaat), yang ditandai dengan keluaran saat ini. Output saat ini adalah rasio zat yang sebenarnya diperoleh selama elektrolisis dengan yang dihitung secara teoritis. Biasanya, keluaran saat ini dinyatakan sebagai persentase. Kemudian:

η = ( m berlatih / m teori) 100%. (2.13)

Seseorang dapat mendekati perhitungan dengan cara yang berbeda. Jika, berdasarkan (2.12), jumlah pemakaian listrik yang berguna ditentukan dari massa zat yang benar-benar dilepaskan Q' maka akan dinyatakan sebagai rasio listrik yang berguna dengan jumlah totalnya yang telah melewati rangkaian:

η = ( Q’/Q)100%. (2.14)

Hukum Faraday menegaskan konsep sifat atomistik listrik. Ide-ide ini membentuk dasar untuk perhitungan konstanta yang paling penting - konstanta Avogadro. Hubungan antara konstanta Faraday F, Avo-gadro N dan muatan elektron e berikut dari rasionya:

F/e = N A (2.15)

Aplikasi elektrolisis. Elektrolisis anoda terlarut digunakan untuk memurnikan logam ( pemurnian listrik). Dalam elektrorefining tembaga, pelat tembaga murni ditempatkan di elektroliser sebagai anoda (katoda - pelat tembaga yang sebelumnya dimurnikan secara elektrolisis). Proses berikut berlangsung pada anoda dan katoda, masing-masing:

u (terkontaminasi) - 2 ē = Cu2+ ,

u 2+ + 2 ē = Cu (murni).

Ketika tembaga dimurnikan secara elektro, pengotor dari logam yang lebih mulia seperti Ag atau Au tidak masuk ke dalam larutan dan dikumpulkan di bagian bawah elektroliser. Pencemaran dari logam yang kurang mulia seperti Pb, Fe, Zn, seperti tembaga itu sendiri, masuk ke dalam larutan, tetapi tidak terdeposit pada katoda dan oleh karena itu tidak mencemari tembaga yang terdeposit di atasnya. Selain tembaga, nikel, kadmium, aluminium dan logam lainnya dapat digunakan sebagai anoda larut.

Elektrolisis anoda larut digunakan dalam elektroplating untuk pelapis beberapa logam lapisan tipis yang lain ( pelapisan listrik). Dalam hal ini, produk berlapis logam adalah katoda selama elektrolisis, dan logam pelapis digunakan sebagai anoda. Secara teknologi, ini sangat nyaman, karena konsentrasi ion (garam) dalam larutan elektrolisis tidak berubah. Permukaan dekoratif, tahan korosi, pengerasan (pelapisan krom) diterapkan secara elektrokimia. Dengan bantuan pelapis, dimensi bagian dipulihkan (perbaikan). Untuk memastikan bahwa lapisan itu dipegang dengan kuat, permukaan logam dibersihkan secara menyeluruh (digiling, dipoles) dan dihilangkan lemaknya (diperlakukan dengan larutan soda panas, digosok dengan kapur yang dicampur dengan alkali, dll.) sebelum pelapisan. Untuk menghilangkan oksida, permukaan logam digores dengan larutan asam sulfat 15 ... 20% selama 10 ... 15 menit. Untuk penghapusan akhir film oksida, bagian tersebut dibersihkan pemenggalan kepala, menghubungkan sebelum galvanisasi pada waktu yang singkat ke anoda. Adhesi terbaik dari lapisan ke permukaan logam diamati untuk lapisan berbutir halus. Struktur lapisan yang diinginkan dicapai dengan mengubah komposisi elektrolit dan mode elektrolisis: ---------

Pada tahun 1836, Michael Faraday menerbitkan karakteristik kuantitatif yang diturunkan secara matematis dari elektrolisis. Hubungan yang ditemukan antara jumlah listrik yang melewati elektrolit dan jumlah zat yang dilepaskan selama ini kemudian disebut hukum Faraday untuk elektrolisis.

hukum pertama

Jika melewati larutan vitriol biru listrik untuk waktu tertentu, sejumlah kecil tembaga dilepaskan di katoda. Namun, jika Anda memulai arus dengan kekuatan yang lebih besar, untuk jumlah waktu yang sama pada katoda terbentuk jumlah besar tembaga. Dengan bertambahnya waktu dan kekuatan arus yang sama, jumlah tembaga juga meningkat.

Faraday menetapkan hubungan antara massa materi, arus dan waktu. Secara matematis, hubungan ini dinyatakan sebagai berikut:

m adalah massa zat;
k - setara elektrokimia;
I - kekuatan saat ini;
t - waktu.

Setara elektrokimia adalah massa zat yang terbentuk ketika arus 1 A melewati elektrolit dalam satu detik. Ini dinyatakan sebagai rasio massa suatu zat dengan jumlah listrik, atau g/C.

Hasil kali arus dan waktu menyatakan jumlah listrik: q = It. Ini adalah muatan listrik, diukur dalam coulomb (satu ampere hingga satu detik). Muatan listrik mencerminkan kemampuan tubuh untuk menjadi sumber medan elektromagnetik dan mengambil bagian dalam interaksi elektromagnetik.

Dengan demikian, persamaan Faraday mengambil bentuk:

Beras. 2. Hukum pertama Faraday.

Hukum elektrolisis pertama Faraday: massa zat yang dilepaskan selama elektrolisis berbanding lurus dengan jumlah arus listrik yang melewati elektrolit.

Hukum Kedua

Faraday, melewati arus listrik dengan kekuatan yang sama melalui elektrolit yang berbeda, memperhatikan bahwa massa zat pada elektroda tidak sama. Setelah menimbang zat yang dilepaskan, Faraday menyimpulkan bahwa beratnya tergantung pada sifat kimia zat. Misalnya, untuk setiap gram hidrogen yang dilepaskan, ada 107,9 g perak, 31,8 g tembaga, dan 29,35 g nikel.

Berdasarkan data yang diperoleh, Faraday menurunkan hukum kedua elektrolisis: untuk sejumlah listrik, massa unsur kimia yang terbentuk pada elektroda berbanding lurus dengan massa ekivalen unsur tersebut. Itu sama dengan massa satu ekuivalen - jumlah zat yang bereaksi atau menggantikan 1 mol atom hidrogen dalam reaksi kimia:

adalah massa molar zat;
z adalah jumlah elektron per ion (jumlah valensi ion).

Untuk mengisolasi satu mol setara, jumlah listrik yang sama dihabiskan - 96485 C / mol. Bilangan ini disebut bilangan Faraday dan dilambangkan dengan huruf F.

Menurut hukum kedua, ekivalen elektrokimia berbanding lurus dengan massa ekivalen zat:

k = (1/F) eq atau k = (1/zF)μ.

Beras. 3. Hukum kedua Faraday.

Dua hukum Faraday dapat direduksi menjadi rumus umum: m = (q / F) (μ/z).

Apa yang telah kita pelajari?

Faraday melakukan reaksi elektrolisis zat yang berbeda, diturunkan dua hukum. Menurut hukum pertama, massa zat yang diendapkan pada elektroda berbanding lurus dengan jumlah listrik yang melewati elektrolit: m = kq. Hukum kedua mencerminkan hubungan antara ekivalen elektrokimia dan massa ekivalen suatu zat: k = (1/F) eq . Setara elektrokimia adalah jumlah zat yang dilepaskan selama aliran satu unit listrik. Massa setara - jumlah zat yang bereaksi dengan 1 mol hidrogen.

sebuah). Hukum pertama elektrolisis

Massa materi (m) yang dilepaskan pada elektroda berbanding lurus dengan muatan listrik (q) melewati elektrolit.

m = kq atau m = kIt, (1.52)

(sejauh q \u003d Ini, di mana I adalah kekuatan arus yang mengalir melalui larutan elektrolit selama waktu t, di mana k adalah ekivalen elektrokimia zat.

Setara elektrokimia suatu zat secara numerik sama dengan massa zat yang diendapkan pada elektroda ketika arus melewati elektrolit sebesar satuan jumlah listrik (satuan muatan).

b). Hukum kedua elektrolisis

Setara elektrokimia suatu zat berbanding lurus dengan rasio masa molar  untuk valensin.

di mana F = 9,64810 4 C/mol adalah bilangan Faraday.

di). Hukum Elektrolisis Terpadu Faraday

Hukum elektrolisis pertama dan kedua dapat digabungkan. Kemudian kita mendapatkan

(1.54)

Dari hukum elektrolisis terpadu Faraday berikut ini: bilangan Faraday secara numerik sama dengan muatan listrik yang melewati elektrolit selama pelepasan massa (kg) suatu zat pada elektroda, sama dengan rasio / n.

1.15. konsep plasma

Sebagian besar materi di alam semesta kita berada dalam bentuk plasma.

Plasma adalah gas terionisasi dengan konsentrasi tinggi partikel bermuatan yang memiliki sifat quasi-netral.

Semu netralitas plasma adalah bahwa dalam volume plasma yang cukup besar, jumlah muatan positif dan negatifnya hampir sama. Perbandingan jumlah atom yang terionisasi dengan jumlah totalnya dalam volume yang sama disebut derajat ionisasi plasma . Jika derajat ionisasi adalah 10 3, maka zat tersebut diklasifikasikan sebagai plasma. Dalam keadaan plasma adalah substansi galaksi, bintang, medium antarbintang dll., di mana hampir seluruh massa Alam Semesta yang dapat diamati terkonsentrasi. Pada bintang, molekul terionisasi sebagai akibat dari tumbukan termal. Suhu di dalam Matahari kita - bintang tipikal - adalah 1,510 7 K, yang sesuai dengan energi kinetik kT = 2,7210 16 J dan jauh melebihi energi yang dibutuhkan untuk ionisasi molekul (atom), karena energi ionisasi molekul 10 19 10 18 J. Gas antarbintang berubah menjadi plasma karena penguraian yang kuat; massa jenisnya adalah 10 20 10 26 kg/m 3 . Plasma juga ada di sekitar permukaan bumi. Jadi, ionosfer - lapisan luar atmosfer bumi terdiri dari gas yang sangat terionisasi. Di belakang ionosfer adalah magnetosfer, di mana sabuk radiasi bumi, internal dan eksternal, diisi dengan partikel bermuatan, terutama elektron dan proton dari berbagai energi. Perbedaan kualitatif utama antara gas terionisasi lemah dan plasma dimanifestasikan dalam perilaku pelanggaran lokal terhadap netralitas media, yang muncul karena fluktuasi termal. Dalam gas, gangguan seperti itu, setelah kemunculannya, berkembang secara acak dan dapat mengisi seluruh volume. Namun, dalam plasma, pelanggaran fluktuasi netralitas selalu terlokalisasi secara kaku dalam volume yang cukup kecil. Karena massa ion jauh lebih besar daripada massa elektron, elektron lebih mobile dalam plasma. Mari kita asumsikan bahwa area pelanggaran netralitas listrik terbentuk pada lapisan tertentu dengan ketebalan kecil x (Gbr. 1.10, a).

Ketika digeser, misalnya, ke kanan relatif terhadap lapisan ion yang sama dengan jarak  x (Gbr. 1.10 b), lapisan (seperti kapasitor datar) dengan kepadatan permukaan muatan = q e n, di mana q e adalah muatan elektron; n adalah konsentrasi elektron. Lapisan bermuatan ganda muncul. Di antara pelat kapasitor "plasma" seperti itu, Medan listrik ketegangan

(1.55)

Jika luas pelat adalah S, maka terdapat nxS elektron di dalam kapasitor. Gaya Coulomb akan bekerja pada mereka

. (1.56)

Massa semua elektron m = m e nxS, dan percepatan gerakannya

Menurut hukum kedua Newton

atau
(1.57)

dimana m e nxS =
, (1.58)

. (1.59)

Osilasi yang dijelaskan oleh rumus (1.59) disebut osilasi plasma. pl - frekuensi plasma.

Kesimpulan: Ketika netralitas listrik dilanggar di setiap wilayah plasma, osilasi harmonik dari kerapatan muatan muncul di dalamnya dengan frekuensi pl. Tetapi osilasi plasma tidak memiliki karakter gelombang, yaitu pelanggaran netralitas listrik tidak merambat melalui plasma.

Waktu karakteristik adanya pelanggaran netralitas listrik plasma dalam kondisi laboratorium adalah 10 - 13 s tpl 10 - 3 s. Perhitungan tumbukan ion dan elektron (dengan satu sama lain dan dengan molekul netral) menyebabkan redaman osilasi plasma. Ukuran karakteristik daerah di mana pelanggaran fluktuasi netralitas listrik dapat diamati ditentukan oleh radius Debye (ukuran)

, (1.60)

yang dapat dicari dari persamaan energi osilasi plasma satu elektron dan energi termal per satu derajat kebebasan elektron, yaitu kT. Ukuran Debye untuk jenis plasma yang paling umum adalah beberapa kali lipat lebih besar dari ukuran atom atau molekul.

Akibatnya, efek kuantum tidak signifikan dalam plasma dan perilakunya dijelaskan oleh hukum fisika klasik.

Jika sebuah tes, misalnya, muatan positif +q 0 dimasukkan ke dalam plasma, maka elektron yang terletak di sekitarnya akan ditarik olehnya, dan ion positif, sebaliknya, akan ditolak. Akibatnya, awan bermuatan negatif berbentuk bola simetris muncul di sekitar muatan positif. Ini akan menyaring aksi muatan q 0 pada plasma sekitarnya, yang muncul sebagai akibat dari superposisi medan muatan positif q 0 dan medan awan bermuatan negatif yang mengelilinginya. Oleh karena itu, pada jarak tertentu dari muatan q 0, medan yang dibentuk oleh superposisi seperti itu akan semakin kecil. Jarak ini ditentukan oleh radius penyaringan Debye. Plasma juga disaring oleh medan listrik eksternal pada jarak urutan ukuran Debye.

Hasil yang diperoleh valid untuk plasma dalam keadaan kesetimbangan termodinamika. Dalam praktiknya, keadaan ini tidak diamati. Oleh karena itu, energi kinetik rata-rata elektron dan ion ternyata berbeda, yaitu suhu elektron T e dan suhu ion T i tidak sama, dan T e > T i . Untuk plasma kesetimbangan T e = T i . Pada nilai suhu ion T i<10 5 K плазму называют suhu rendah, dan pada T i >10 6 K - suhu tinggi. berinteraksi dalam plasma. jumlah besar partikel. Dalam hal ini sangat berbeda dari gas. Energi potensial rata-rata interaksi partikel plasma kecil dibandingkan dengan energi kinetiknya. Jadi gerakan termal partikel dalam plasma dan gas ideal sangat mirip. Sifat termodinamika plasma dijelaskan dengan tingkat akurasi yang baik dengan persamaan keadaan untuk gas ideal. Dengan demikian, plasma adalah gas ideal yang terdiri dari dua partikel bermuatan berlawanan - ion dan elektron. Osilasi plasma - gerakan muatan yang teratur seperti suara dalam materi. Gerakan ini melengkapi gerakan termal, di mana setiap partikel plasma bermuatan bergerak sepanjang garis menggeliat mulus, karena momentum masing-masing bervariasi sangat lambat dengan waktu. Kehadiran partikel bermuatan dalam plasma menjelaskan konduktivitas listrik yang baik. Waktu relaksasi elektron plasma didefinisikan sebagai waktu rata-rata selama gerakan elektron kehilangan keteraturannya, yaitu

. (1.61)

Oleh karena itu, konduktivitas listrik plasma

(1.62)

1/(Ohmm). (1.63)

Konduktivitas listrik plasma lemah tergantung pada konsentrasi pembawa, karena tabrakan pembawa praktis tidak berperan di dalamnya. Ketergantungan suhu dari konduktivitas listrik plasma meningkat sebanding dengan T 3/2.

Oleh karena itu, plasma yang cukup dipanaskan adalah konduktor yang baik.

Misalnya, pada suhu T 10 8 K, dicapai dalam instalasi untuk reaksi termonuklir, konduktivitas listrik spesifik plasma memiliki nilai orde 10 9 1/(Ohmm), yang merupakan orde besarnya lebih tinggi dari konduktivitas konduktor logam terbaik.

Ketika plasma dimasukkan ke dalam medan magnet, elektron dan ion mulai bergerak sepanjang heliks, berputar di sekitar garis medan magnet dengan frekuensi elektron

(1.64)

dan untuk ion

, (1.65)

di mana B adalah induksi medan magnet.

Kemampuan medan magnet untuk menjaga plasma agar tidak menyebar digunakan dalam instalasi untuk fusi termonuklir dalam plasma hidrogen suhu tinggi pada T 108 K.

Ketika ion elektrolit mencapai elektroda yang terhubung ke kutub dari sumber arus searah, ion positif menerima elektron yang hilang dari elektroda negatif dan, dalam proses reaksi reduksi, berubah menjadi atom netral (molekul); Ion negatif menyumbangkan elektron ke elektroda positif dan diubah menjadi atom netral selama reaksi oksidasi. Fenomena terlepasnya suatu zat pada elektroda dalam proses reaksi redoks ketika arus melewati elektrolit disebut elektrolisa. Untuk pertama kalinya, elektrolisis diamati pada tahun 1803 di St. Petersburg oleh V.P. Petrov. Pada tahun 1833-1834. fisikawan Inggris M. Faraday menemukan hukum elektrolisis, yang menentukan apa dan bagaimana massa zat yang dilepaskan selama elektrolisis bergantung.

Melewati arus dengan kekuatan yang sama melalui elektrolit yang berbeda untuk periode waktu yang sama, Faraday menemukan bahwa jumlah zat yang berbeda dilepaskan pada elektroda. Jadi, arus 1 a di belakang 1 detik ekstrak dari larutan perak nitrat 1.118 mg perak, dari larutan tembaga sulfat - 0,328 mg tembaga. Ini berarti bahwa massa zat yang dilepaskan selama elektrolisis tergantung pada zat tersebut. skalar, diukur dengan massa zat yang dilepaskan selama elektrolisis dengan arus masuk1 adi belakang1 detik, disebut ekuivalen elektrokimia(dilambangkan k). Setara elektrokimia memiliki nama kg / a * detik, atau kg/k.

Jika arus kecil dilewatkan melalui larutan tembaga sulfat untuk jangka waktu t, maka katoda sedikit tertutup tembaga, dan jika arus lebih kuat, maka lebih banyak tembaga akan dilepaskan di katoda dalam waktu yang sama. . Mari kita biarkan kekuatan saat ini tetap sama, tetapi sekarang tingkatkan waktunya. Kami melihat bahwa lebih banyak tembaga yang dilepaskan. Melewati berbagai arus melalui elektrolit yang berbeda dan dengan hati-hati mengukur massa zat yang dilepaskan pada elektroda dari masing-masing elektrolit, Faraday menemukan hukum pertama elektrolisis: massa zat yang dilepaskan selama elektrolisis pada elektroda berbanding lurus dengan produk arus kekuatan dan waktu melewati elektrolit.

saat ini 1 a selama 1 detik selama elektrolisis, ia melepaskan pada elektroda ke kg zat, dan arus dengan gaya saya adalah selama t detik- di Dia kali lebih banyak:

m = klt, atau m = kq.

Ini adalah rumus untuk hukum pertama Faraday untuk elektrolisis.

Setiap ion membawa massa tertentu dari suatu zat dan muatan, oleh karena itu, semakin banyak ion mendekati elektroda, yaitu, semakin kuat arus dalam elektrolit, semakin banyak zat yang dilepaskan di elektroda.

Faraday, melewati arus yang sama secara berurutan melalui beberapa elektrolit yang berbeda, memperhatikan bahwa massa zat yang dilepaskan pada elektroda tidak sama, meskipun kekuatan arus dan waktu perjalanannya melalui berbagai elektrolit adalah sama (Gbr. 109 ). Menimbang secara akurat zat yang dilepaskan, Faraday memperhatikan bahwa beratnya tidak disengaja, tetapi tergantung pada sifat kimia zat tersebut. Untuk setiap gram hidrogen yang dilepaskan, selalu ada 107,9 g perak; 31,8 g tembaga; 29,35 g nikel. Setelah pengenalan ekuivalen kimia - rasio massa atom (berat) terhadap valensi - ternyata angka-angka ini adalah ekuivalen kimia dari zat-zat ini. Karena massa atom A dan valensi n adalah bilangan abstrak, maka rasionya adalah bilangan abstrak.

Membagi ekuivalen elektrokimia zat dengan ekuivalen kimianya, (k/M), kita mendapatkan:

yaitu nomor yang sama 1036*10 -11 kg / a*s atau 1036*10 -11 kg/k. Menunjukkan angka konstan ini dengan huruf C, kami menulis: C \u003d 1036 * 10 -11 kg / a * detik. Oleh karena itu, ekuivalen elektrokimia

k = SM.

Ini adalah rumus untuk hukum kedua Faraday untuk elektrolisis, yang berbunyi: ekivalen elektrokimia zat berbanding lurus dengan ekivalen kimianya.

Mengganti ekuivalen elektrokimia dalam rumus hukum Faraday pertama, kita memperoleh rumus hukum Faraday umum untuk elektrolisis:

Massa zat yang dilepaskan selama elektrolisis berbanding lurus dengan berat atom dan muatan yang melewati elektrolit, dan berbanding terbalik dengan valensi zat.

Hukum Faraday adalah konsekuensi dari konduksi ionik arus dalam elektrolit. Mari kita jelaskan ini dengan contoh-contoh seperti itu. Mari kita asumsikan bahwa elektrolisis zat monovalen dilakukan, misalnya, larutan NaCl dan AgNO 3. Muatan ion Na dan Ag sama. Ketika ion membawa muatan yang sama, baik dalam larutan maupun dalam larutan lain, jumlah ion yang sama akan mendekati elektroda yang sesuai. Tetapi dengan jumlah ion yang mendekati sama, massa zat Na dan Ag yang terdeposit tidak akan sama, karena massa atom Na dan Ag itu sendiri berbeda. Natrium memiliki massa atom 22,997; untuk perak - 107,88; oleh karena itu, hampir lima kali lebih banyak perak akan menonjol. Ini berarti bahwa jumlah zat yang dilepaskan selama elektrolisis berbanding lurus dengan massa atom, yang dikonfirmasi oleh hukum Faraday.

Dalam kasus ketika ion yang berbeda valensi berpartisipasi dalam elektrolisis, misalnya, Al yang bervalensi 3, dan Na dengan valensi 1, jumlah ion Al dan Na yang membawa muatan yang sama akan berbeda. Semakin besar valensi ion, yaitu semakin besar muatannya, semakin kecil jumlah ion yang diperlukan untuk mentransfer muatan yang diberikan (misalnya, ion Al membutuhkan tiga kali lebih sedikit daripada ion Na). Hubungan antara valensi dan muatan ion seperti itu menjelaskan fakta bahwa massa zat yang dilepaskan selama elektrolisis berbanding terbalik dengan valensinya.

Karena kesederhanaan, biaya rendah dan kemurnian tinggi dari produk yang diperoleh, elektrolisis telah banyak digunakan dalam industri untuk ekstraksi aluminium dari bijih bauksit, pemurnian logam (misalnya, tembaga, seng, emas, perak) dari kotoran, melapisi benda logam dengan lapisan logam lain untuk melindunginya dari karat. , mengeraskan permukaannya (penyepuhan nikel, pelapisan krom), untuk membuat perhiasan (penyepuhan perak, penyepuhan), memperoleh salinan logam dari benda-benda relief (misalnya, dalam pembuatan piringan hitam, matriks, klise).

Tugas 30. Timbal dengan kemurnian tinggi, digunakan dalam rekayasa tenaga nuklir, diperoleh dengan elektrorefining. Hitung massa timbal yang dilepaskan selama 1 jam kepadatan arus 0,02 a / cm 2 dan ketegangan 0,5 inci Keluaran saat ini 95%. Berapa konsumsi listrik untuk alokasi? 1 kg memimpin? Total luas penampang katoda tempat timbal diendapkan adalah 10 m2.

Pada efisiensi mandi elektrolit 100% karena semua listrik yang dikonsumsi A=UIt timbal akan menonjol m = klt, jadi untuk memilih 1 kg energi timbal yang dikeluarkan atau