31. Досліджуємо електричний струм в різних середовищах - Засєкіна

• Назад до змісту

Думай

1. Поясни, чому дроти, які підводять струм до електричної лампи, практично не нагріваються, у той час як нитка розжарення лампи розжарюється до білого кольору?

Сила струму в послідовному колі (дроти і лампа) однакова. Однак опір нитки розжарення лампи набагато більший за опір мідних дротів. Згідно із законом Джоуля-Ленца ($Q = I^2 \cdot R \cdot t$), де більший опір, там виділяється більше тепла, тому лампа світиться, а дроти холодні.

2. Чому в дистильованій воді і сірчаній кислоті, взятих окремо, струм не проходить, а у водному розчині сірчаної кислоти проходить?

Дистильована вода містить дуже мало йонів, а чиста кислота складається з нейтральних молекул. При змішуванні відбувається електролітична дисоціація — молекули води розривають молекули кислоти на йони. З’являються вільні носії заряду, тому розчин проводить струм.

3. Чому електроліт є електрично нейтральним, хоча він містить величезну кількість йонів обох знаків?

Під час дисоціації з нейтральної молекули утворюються позитивний і негативний йони із сумарно рівними за модулем зарядами. Тому загальна сума позитивних зарядів у розчині дорівнює сумі негативних зарядів.

4. Поясни механізм виникнення струму в електролітах.

Електричний струм в електролітах — це напрямлений рух позитивних йонів до катода (негативного електрода) і негативних йонів до анода (позитивного електрода).

5. У чому полягає відмінність між негативним йоном в електроліті й електроном?

Електрон — це елементарна частинка з дуже малою масою. Негативний йон — це атом або група атомів (молекула), що приєднали зайві електрони, тому йон має значно більшу масу і розміри порівняно з електроном.

6. Чому за звичайних умов гази є діелектриками? Чому під час нагрівання чи опромінення газу рентгенівськими або ультрафіолетовими променями газ стає провідником? Які заряджені частинки є носіями струму в газах?

За звичайних умов гази складаються з нейтральних атомів або молекул і не мають вільних зарядів. Нагрівання або випромінювання надає енергію для відриву електронів від атомів (йонізація). Носіями струму в газах стають вільні електрони, позитивні йони та негативні йони.

7. Який механізм проходження електричного струму в газах?

Це напрямлений рух вільних електронів до анода і позитивних йонів до катода (а також негативних йонів до анода).

8. Який газовий розряд називають несамостійним? Самостійним?

Несамостійним називають розряд, який існує тільки за наявності зовнішнього йонізатора (наприклад, пальника). Самостійний розряд триває й після припинення дії зовнішнього йонізатора завдяки ударній йонізації.

9. Чим відрізняється йонізація газів від дисоціації електролітів?

Дисоціація електролітів відбувається під впливом розчинника (води) без підведення зовнішньої енергії. Йонізація газів потребує витрат енергії ззовні (тепло, випромінювання) або зіткнення швидких частинок для розбивання нейтрального атома.

Дій

РОЗВ’ЯЖИ ЗАДАЧІ

1. Під час електролізу розчину цинк сульфату виділилося 2,45 г цинку. Визнач електрохімічний еквівалент цього металу, якщо крізь електроліт протягом 60 хв проходив електричний струм 2 А.

Дано:

• $m = 2{,}45\text{ г} = 2450\text{ мг}$
• $t = 60\text{ хв} = 3600\text{ с}$
• $I = 2\text{ А}$

Знайти:

• $k - ?$

Розв’язання:

За першим законом Фарадея маса речовини, що виділяється на електроді, дорівнює:

$m = k \cdot I \cdot t$

Звідси виразимо електрохімічний еквівалент $k$:

$k = \dfrac{m}{I \cdot t}$

Підставимо значення:

$k = \dfrac{2450}{2 \cdot 3600} \approx 0{,}34\text{ мг/Кл}$

Або у системі СІ: $0{,}34 \cdot 10^{-6}\text{ кг/Кл}$.

Відповідь: $0{,}34\text{ мг/Кл}$ (це відповідає цинку).

2. Визнач масу міді, що виділилася під час електролізу з розчину мідного купоросу, якщо через розчин пройшов електричний заряд 2500 Кл.

Дано:

• $q = 2500\text{ Кл}$
• $k = 0{,}33\text{ мг/Кл}$ (табличне значення для міді $Cu^{2+}$)

Знайти:

• $m - ?$

Розв’язання:

За законом Фарадея:

$m = k \cdot q$

$m = 0{,}33 \cdot 2500 = 825\text{ мг}$

Відповідь: $825\text{ мг}$.

3. Визнач час електролізу, за який на катоді виділиться 20 г натрію при силі струму 12 А. Електрохімічний еквівалент натрію — 0,24 мг/Кл.

Дано:

• $m = 20\text{ г} = 20000\text{ мг}$
• $I = 12\text{ А}$
• $k = 0{,}24\text{ мг/Кл}$

Знайти:

• $t - ?$

Розв’язання:

Із формули $m = k \cdot I \cdot t$ виразимо час $t$:

$t = \dfrac{m}{k \cdot I}$

$t = \dfrac{20000}{0{,}24 \cdot 12} = \dfrac{20000}{2{,}88} \approx 6945\text{ с}$

Переведемо у більш зручні одиниці (години та хвилини):

$6945\text{ с} \approx 1\text{ год } 56\text{ хв}$.

Відповідь: $6945\text{ с}$.

4. Якою була сила струму під час електролізу розчину мідного купоросу, якщо за 50 хв на катоді виділилося 1,98 г міді?

Дано:

• $t = 50\text{ хв} = 3000\text{ с}$
• $m = 1{,}98\text{ г} = 1980\text{ мг}$
• $k = 0{,}33\text{ мг/Кл}$ (для міді)

Знайти:

• $I - ?$

Розв’язання:

Використовуємо формулу закону Фарадея:

$m = k \cdot I \cdot t$

Виразимо силу струму:

$I = \dfrac{m}{k \cdot t}$

$I = \dfrac{1980}{0{,}33 \cdot 3000} = \dfrac{1980}{990} = 2\text{ А}$

Відповідь: $2\text{ А}$.

5. Під час посріблення виробу на катоді за 30 хв осіло 4,55 г срібла. Визнач силу струму під час електролізу.

Дано:

• $t = 30\text{ хв} = 1800\text{ с}$
• $m = 4{,}55\text{ г} = 4550\text{ мг}$
• $k = 1{,}12\text{ мг/Кл}$ (табличне значення для срібла)

Знайти:

• $I - ?$

Розв’язання:

Аналогічно до попередньої задачі:

$I = \dfrac{m}{k \cdot t}$

$I = \dfrac{4550}{1{,}12 \cdot 1800} = \dfrac{4550}{2016} \approx 2{,}3\text{ А}$

Відповідь: $2{,}3\text{ А}$.