VIII. ELEKTROMOS ÁRAM FOLYADÉKOKBAN ÉS GÁZOKBAN

Átírás

1 VIII. ELEKTROMOS ÁRAM FOLYADÉKOKBAN ÉS GÁZOKBAN Bevezetés: Folyadékok - elsősorban savak, sók, bázsok vzes oldata - áramvezetésének gen fontos gyakorlat alkalmazása vannak. Leggyakrabban az elektronkus órák, számológépek, rádók stb. energaforrásaként használt elemek -kel vagy az autókban s használt akkumulátorokkal találkozunk. A folyadékok áramvezetésén alapuló elektrolízs a kéma egyk tudományterülete, az ezen alapuló fémgyártás (alumínumgyártás) és galvanzálás (fémbevonatok, áramkör panell-ek készítése) rutn - eljárás. Ebben a fejezetben ezen nagy gyakorlat fontosságú, mndennapos jelenségkör alapvető fogalmaval és törvényszerűségevel smerkedünk meg. Gázok elektromos áramvezetés tulajdonságanak megsmerése elsősorban a mnket körülvevő természet jelenségek és technka berendezések megértése szempontjából fontos. Ebbe a jelenségkörbe tartoznak a gáztöltésű elektromos fényforrások a légkör elektromos vezetés jelenségek (vllám), az un. plazmában (onok és elektronok kvázneutráls forró keveréke) lejátszódó folyamatok. A gázok elektromos vezetése nagyon fontos szerepet játszk az un. onzáló sugárzások (pl. röntgensugárzás) detektálására kdolgozott műszerekben. A fzka fejlődése során a rtkított gázokban való vezetéshez kapcsolódó jelenségek kísérlet vzsgálata vezetett pl. a röntgensugárzás felfedezéséhez. A 19. század végén az un. katódsugárcső (légrtkított üvegcső két nagyfeszültségű elektródával) az egyk legfontosabb laboratórum eszköz volt. 1. Az elektrolízs alapjelensége és alapfogalma A legtöbb kémalag tszta folyadék, köztük a tszta (desztllált) víz gyengén (alg) vezet az elektromos áramot. Kísérlet: Desztllált vízbe helyezett fémlemezekre (elektródákra) feszültséget ( V) kapcsolva az áramkörben gen gyenge áramot észlelünk. A vízben cukrot oldva az áram nem változk. Kénsav hatására azonban a folyadék vezetn kezd, az áramvezetést kéma változás - gázképződés - kísér. Azokat a vezetőket, amelyekben az áram áthaladása kéma változásokkal kapcsolatos Faraday nyomán elektroltoknak (másodfajú vezetőknek, vagy mvel az áramvezetést onok mozgása bztosítja onvezetőknek) nevezzük. Az elektroltok savak, sók, bázsok (általában vzes) oldata vagy olvadéka. Az áram elektroltba történő bevezetésére szolgáló fémes vezetőket elektródoknak a poztívat anódnak, a negatívat katódnak nevezzük. Az elektroltok áramvezetésénél fellépő jelenségeket összefoglalóan elektrolízsnek nevezzük. Az elektrolízsnél a két legszembetűnőbb jelenség az áramvezetés és az elektródokon történő anyagkválás. Kísérlet: Elektrolzáljuk sósav (HCl) és rézklord (CuCl 2 ) vzes oldatat szénelektródok között. Az első esetben H 2 és Cl 2 a másodkban Cu és Cl 2 válk k. Az áramvezetés és az anyagkválás értelmezéséhez tegyük fel, hogy az oldódáskor az oldott anyag semleges molekulá dsszocálnak, poztív és negatív töltésű atomcsoportokra 1

2 onokra esnek szét. Az elektródákra kapcsolt feszültség hatására létrejövő elektromos erőtérben a negatív anonok (oxgén vagy savmaradék onok) a poztív anód felé, a poztív katonok (hdrogén vagy fémonok) a negatív katód felé vándorolnak. Az onok az elektródákon semlegesítődnek (elsődleges folyamat). Az elektromos áramot az elektroltban az onok mozgása (a külső vezetékben elektronok mozgása) bztosítja. A semlegesítődött onok (atomok) kéma reakcó (másodlagos folyamat) határozzák meg az anyagkválást az elektródokon. Példák: 1. HCl elektrolízse szén elektródok között: anódon: 2Cl - 2Cl Cl 2 katódon: 2H + 2H H 2 2. CuCl 2 elektrolízse szénelektródok között: anódon: 2Cl - 2Cl Cl 2 katódon: Cu ++ Cu Cu 3. H 2 SO 4 elektrolízse platna elektródok között: anódon: 2SO 4 2-2SO 4 (+2H 2 O) 2H 2 SO 4 + 2O O 2 katódon: 4H + 4H 2H 2 4. H 2 SO 4 elektrolízse réz anód platna katód esetén: anódon: SO 4 2- SO 4 (+Cu) CuSO 4 katódon: 2H + 2H H 2 ha az oldatban a CuSO 4 domnál: Cu 2+ Cu (a katódon Cu válk k.) 5. Ólomacetát vzes oldatát ólomelektódok között elektrolzálva az anód oldódk, a katódon ólom válk k, ólomfa jelenk meg,. 2. Az elektolízs Faraday-féle törvénye Faraday első törvénye: Az elektódon kváló anyag tömege arányos az elektolton átáramló töltés (Q = It mennységével: m= KQ ahol K a kérdéses anyag elektrokéma egyenértéke: kg [ K ] = As Példa: K kg As 6 Ag 110. Faraday másodk törvénye: Különböző anyagok elektrokéma egyenértéke úgy aránylanak egymáshoz, mnt egyenértéktömegek, azaz a gyöktömeg (M) és a vegyérték (Z) hányadosa: K 1 M1/ Z = 1 K M / Z Másként fogalmazva a K M / Z az anyag mnőségtől független, unverzáls állandó, amely megadja, hogy 1 As töltés áthaladása esetén az anyagból az egyenértéktömeg hányszorosa válk k: = K 2

3 M kg K = Z As A gyakorlatban K recproka használatos: kg F = = , K M / Z As amely megadja M/Z kg tömegű anyag kválasztásához szükséges töltés mennységét. Faraday törvénye() így: 1 m= Q F alakban írható(k). Példa: M/Z kg Cu 2+ (kb kg) kválasztásához Q = As = Ah töltés szükséges. Mvel 1 mol [M.10-3 kg] anyag N A = molekulát tartalmaz, és M.10-3 kg egy vegyértékű on kválasztásához Q = C töltés szükséges, feltételezve, hogy az onok töltése azonos, egy on töltése: 9.65 q e = C = C Ezen gondolatmenettel vetődött fel először az elektromos töltés atomos volta, kvatáltsága. Az on töltés/tömeg aránya az F smeretében meghatározható. Ismervén, hogy az onok az atom egy (vagy több) elektronjának elvesztésével keletkeznek, az elektroltot tartalmazó áramkörben az áramvezetés szemléletesen értelmezhető: az elektroltban on-vezetés, az elektródákon elektronátadás, a külső fémes vezetőben elektron-vezetés bztosítja az elektromos áramot. Kísérlet: Bemutatjuk az ezüst-coulomb méter működését: Platna katódrészében ezüst anóddal AgNO 3 oldatot elektrolzálva mérjük a kvált ezüst tömegét. 3. Az elektroltkus vezetés mechanzmusa Az elektroltok elektromos vezetésének magyarázatához feltételeztük, hogy az elektroltokban pl. HCl vzes oldatában a molekulák egy része az oldódáskor dsszocál. Ezt a hpotézst, amelyet Clausus (1857) és Arrhenus (1887) vezetett be, kísérletleg az támasztja alá, hogy az elektroltban az áram bármlyen kcs feszültség hatására bendul, nncs küszöb feszültség, amely kellene a molekula felbontásához. Ettől független termodnamka kísérlet bzonyíték, hogy az ozmózsnyomás-változás, a forráspont-emelkedés és fagyáspontcsökkenés mértéke nagyobb az oldott molekulák számának megfelelőnél. A dsszocált molekulák számának és a molekulák teljes számának hányadosa az α dsszocácófok. Kétkomponensű (bner) elektroltokban a dsszocácó és a rekombnácó egyensúlya határozza meg a dsszocácó fokot. A dsszocácót szemléletesen úgy képzelhetjük el, hogy a dpólusmomentummal rendelkező (pl. HCl) molekulára az oldószer (pl. víz) dpólusmomentummal rendelkezó molekulá rácsmpaszkodnak. Ezáltal a kötést annyra meggyengítk, hogy a hőmozgás a molekulát szétrázza. 3

4 Megjegyzés: Az ont az oldatban gyakran oldószer (hdrát) burok vesz körül. A H + a hdratácó matt (H 3 O) + módon van jelen a vízben. A dsszocácó foka függ az oldószertől. Nagyobb ε r -ű oldószerekben a dsszocácó erősebb. Elektroltokban egyenáramokra az U p polarzácós feszültség fellépése matt, amely az elektródokon végbemenő kéma változások következménye, az Ohm-törvény ( U U p ) = konst I módon teljesül. Váltakozó áramokra az Ohm törvény U R konst I = = formában teljesül. Kísérlet: Szén elektródok között HCl vzes oldatát elektrolzálva bemutatjuk az Ohm törvény teljesülését. Az elektroltokban az áramot onok rendezett mozgása közvetít. Az onvándorlás kísérletleg megjeleníthető. Kísérlet: Két üveglap között lévő KMnO 4 oldatot úgy elektrolzáljuk, hogy a katód elé KMnO 4 oldatot töltünk. A feszültség bekapcsolása után az MnO 4 - onok az anód felé vándorolnak. A feszültséget megfordítva a vándorlás ellentétes rányú. Bner elektroltban (pl. HCl) az E = V térerősség hatására a poztív és negatív onok l rövd gyorsulás után a súrlódás következtében v + és v sebességgel mozognak, amelyet a FE = ee elektromos és FS = αv súrlódás erők egyensúlya FE = FS határoz meg: ZeE ZeE v+ = v = α+ α Az f felületen áthaladó teljes áramot az dq nzefv dt I = = = nzefv dt dt +, és I = nzefv poztív és negatív on-áramok összege adja, ahol n az onok koncentrácója. Az áramsűrűség: A vezetőképesség: ( ) I = nzef v + + v ( ) J = nze v + + v v v σ = nze + = n( Ze) + E α+ α Az Ohm törvény (σ = konst) érvényessége mkroszkopkus szempontból azt jelent, hogy n független E-től, v + és v pedg E lneárs függvénye. 4

5 Az onok súrlódásos mozgása egyszerű kísérlettel demonstrálható: Kísérlet: Elektromágnes vasmagjára helyezett kör alakú csészében lévő elektroltra parafa úszót helyezve és a csésze középpontja és oldala közé feszültséget kapcsolva az úszó körbe mozog, mert a mágneses térben az onok spráls pályán mozognak. A súrlódás következtében az áram VIt munkája az elektroltban Joule-hővé alakul. Megjegyzés: Stokes törvényét az onokra alkalmazva: F = 6πηrv α = 6πηr v ± Ze Ze = E = α ± 6πη r ± E a hdrátburok matt: r ± r on S 4. Elektroltkus polarzácó, galvánelemek és akkumulátorok A galvánelemek kéma energát elektromos energává alakító áramforrások (elektromotoros erők!). A galvánelemek legalább három köztük legalább egy elektrolt vezetőből állnak, elektromotoros erejüket (főként) a fém és az elektrolt határán fellépő Galvan-feszültség (elektród-potencál) adja. Fém és saját elektroltjak között potencálkülönbség alakulhat k, mert a fém oldódás nyomása (P e ) és az elektrolt ozmózsnyomása (P oz ) általában különböző ezért vagy fémonok mennek az oldatba [az elektród negatív lesz] mndaddg míg a létrejövő elektromos tér ezt a vándorlást meg nem akadályozza, vagy megfordítva. Megjegyzés: A fentek pontosabb megfogalmazása, ha azt mondjuk, hogy a fémon úgy mozog, hogy szabad entalpája mnmáls legyen. Ha a fémben nagy a szabad entalpa akkor a fém az oldatba megy, ha az oldatban nagy a kéma potencál, akkor a fém krakódk az elektródra. Zn elektróda és ZnSO 4 esetén a Zn elektróda negatív lesz, Zn megy az elektroltba, Cu elektróda és CuSO 4 esetén a Cu elektróda poztív lesz, és Cu rakódk k a Cu elektródára.. Megjegyzés: A fém és saját elektroltja között feszültség nem mérhető meg közvetlenül, hanem csak egy standard [H-nel bevont platna] elektródhoz vszonyított feszültség, amelyet a fém standard elektrokéma normálpotencáljának nevezzünk. Kísérlet: Bemutatjuk a Cu CuSO 4 ZnSO 4 Zn Danell-féle elemet. Zn 2+ /Zn = V, Cu 2+ /Cu = V, E 0 = 1.1 V. A Danell-elem áramtermelő folyamata (az degen erő!) a Zn ZnSO 4 -dá oldódása és a CuSO 4 -ből a réz kválása. Az elektroltban az SO 4 2- a külső körben elektronok vándorolnak. Kísérlet: Elektroltba (pl. H 2 SO 4 híg vzes oldatába) merülő azonos elektródok (pl. platna) között nem lép fel feszültség. Ha azonban az oldatot elektrolzáljuk az elektródok között az elektrolzáló feszültséggel ellentétes rányú V p feszültség lép fel, a két elektródot összekötve az előzővel ellentétes rányú I p áram folyk. Az elektroltkus polarzácónak nevezett jelenség magyarázata, hogy az áram megbontotta a szmmetrát és az elektródok felülete vagy az elektród környezetében a koncentrácó megváltozott. A fent kísérletben az elektródok felületét O 2 és H 2 vonta be, azaz H 2 - H 2 SO 4 - O 2 galvánelem keletkezett és ennek elektromotoros ereje a V p polarzácós feszültség. 5

6 A fent elektrolízs során az U - I összefüggést megvzsgálva azt tapasztaljuk, hogy a gázfejlődés (buborékképződés) csak V b = 1.7 V bomlásfeszültség fölött ndul meg. Ezen feszültség fölött az Ohm törvény: V V I = b R módon teljesül. Az elektroltkus polarzácó következtében keletkezett H 2 - H 2 SO 4 - O 2 galvánelem V b elektromotoros ereje ellentétes a külső elektromotoros erővel. A Danell-elemnél a két különböző elektrolt matt nem lépett fel polarzácó. Az elektroltkus polarzácó jelensége azonban galvánelemeknél s fellép. A leggyakrabban alkalmazott Leclanche-elemekben a katódon kváló hdrogén kéma megkötésével (oxdácó) küszöbölk k ezt a gyakorlat szempontból káros jelenséget. A Leclanche-elem egy (-) Zu NH 4 Cl(H 2 O) MnO 2 C(+) galvánelem, amelyben az elektromos energát termelő kéma folyamat: Zn + 2NH 4 Cl + 2MnO 2 = Mn 2 O 3 + Zn(NH 3 ) 2 Cl 2 A negatív Zn elektródon: Zn Zn e A poztív (C) elektródon: 2H + + 2MnO 2 + 2e H 2 O + Mn 2 O 3 Az elem elektromotoros ereje: 1.5 V. Az akkumulátorok szekunder elemek vagy megfordított galvánelemek. A galvánelem által szolgáltatott árammal ellentétes áram (feltöltés) hatására a kéma reakcók megfordulnak. Az ólomakkumulátor Pb H 2 SO 4 (H 2 O) Pb galvánelem, amely töltés nélkül PbSO 4 H 2 SO 4 (H 2 O) PbSO 4 galvánelemmé alakul. Töltéskor a poztív elektródon PbO 2, a negatív elektródon Pb keletkezk, és a kénsav bedúsul. Ksüléskor (az előbb negatív) Pb elektródra H + onok jutnak (az akkumulátor poztív sarka), (az előbb poztív) PbO 2 elektródra SO 2-4 onok vándorolnak (az akkumulátor negatív sarka). Semlegesítődés után vsszaáll a töltés előtt állapot. Sematkusan: Töltés: 2PbSO 4 +2H 2 O Pb + PbO 2 + 2(2H + + SO 2-4 ) Ksütés: Pb + PbO 2 + 2(2H + + SO 4 2- ) 2PbSO 4 +2H 2 O A negatív elektródon (poztív sarkon) 1. Pb Pb e - 2. Pb SO 4 PbSO 4 A poztív elektródon (negatív sarkon): 3. PbO 2 + 4H + Pb 4+ +H 2 O 4. Pb 4+ Pb e - 5. Pb 2+ +SO 4 PbSO 4 5. Elektromos vezetés gázokban A gázok általában jó szgetelők, mvel semleges molekulákból állnak és így töltéshordozókat nem vagy nagyon ks számban tartalmaznak. Észrevehető vezetést csak 6

7 akkor tapasztalunk, ha a gázba bevszünk vagy a gázban keltünk töltéshordozókat. Gázok áramvezetését szokás gázksülésnek nevezn. Kísérlet: Síkkondenzátor fegyverzetet feltöltve az elektrométer dőben változatlan töltést jelez. A kondenzátorlemezek közé lángot vagy radoaktív preparátumot helyezve a töltés csökken. Henger-kondenzátor fegyverzete között port átfújva a töltés csökken. Ha a töltéshordozók létrehozása magával az elektromos térrel nem kapcsolatos (feltöltött porszemek, radoaktív sugárzás, hőmérséklet sugárzás stb. bztosítja, vagy hozza létre a töltéshordozókat) nem önálló vezetésről beszélünk. Ha a töltéshordozókat az elektromos térnek tulajdonítható folyamatok révén jönnek létre, vagy ha maga a vezetés mechanzmus hozza létre töltéshordozókat (pl. ütközés onzácó) önálló vezetésről beszélünk. Gázok áramvezetése során a töltéshordozók bevtele, külső hatásokkal vagy a vezetés révén való keltése mellett lényeges szerepet játszk rekombnácójuk (megszűnésük), egy poztív és negatív töltéshordozó semlegesítődése. Kísérlet: Egy hosszú csőben egymás fölött elhelyezett elektródok a cső alján láng vagy radoaktív forrás keltette töltéshordozók esetén különböző gyorsaságú ksülése azt demonstrálja, hogy a töltéshordozók mozgásuk során rekombnálódnak. 6. Nem önálló vezetés gázokban Közönséges ( Pa) nyomású gázok nem önálló vezetés tulajdonságat a fent egyszerű kísérlet elrendezéssel vzsgálhatjuk. Az I-V karaktersztka két jól elkülönülő részből áll: egy R = V = konst (az Ohm törvényt teljesítő) részből és egy I = konst. I szakaszból (Nagy V esetén önálló vezetés ndul be!) A vezetést és az I-V karaktersztkát a következőképpen értelmezhetjük: A külső hatás (pl. radoaktív sugárzás) által létrehozott onpárok sűrűségének keletkezés sebességét (egységny térfogatban egységny dő alatt létrejövő onpárok számát) jelölje (Ha a töltéshordozókat külső hatás hozza létre ng = α, ahol n g a gáz sűrűsége α a külső hatás, pl. onzácó erőssége). A rekombnálódó onpárok sűrűségének változás sebessége (térfogategységenként dőegység alatt rekombnálódó on-párok száma): n 2 = α r r ahol n az onpárok sűrűsége, α r a rekombnácós együttható. Az egyensúly feltétele: = =α r n 2 r n α = = n αr αr g 7

8 Megjegyzés: A természetes sugárzás háttér következtében α n g 10, α r 10-6 azaz n azaz a levegő jó szgetelő. Az elektródák közé feszültséget kapcsolva az onpárok sűrűségének csökkenése a feszültség következtében legyen amely j I e lf = Z j áramot jelent, ha f az elektródák felülete, l a távolsága, azaz: I J = = j ezlf ez l Feszültség esetén az egyensúly feltétele = + r j dt r n J = α 2 + e z l Ks áramsűrűség (gyenge terek) esetén a másodk tag elhanyagolható, n= konst., és teljesül Ohm törvénye. ez e Z J = nez( v+ + v ) = nez + E α+ α Erős terek esetén az első tag elhanyagolható, és ekkor a telítés áramsűrűség. J = ezl Megjegyzés: A telítés áramsűrűség az onkeltés erősségével arányos, annak mérésére felhasználható (onzácós kamrák). Rtka gázokban (p < 10-3 Pa) a töltéshordozók száma ksebb, mnt a közönséges nyomású gázokban ezért a vákuum jó szgetelő. Ha a vákuumba (pl. zzó katódról töltéshordozókat juttatunk, akkor a vákuumban nem önálló vezetés jön létre. Ezen jelenségek azonban a töltött részecskék elektromos térben való mozgásához és nem az áramvezetéshez tartoznak. 7. Önálló vezetés gázokban Az önálló vezetést az onok elektromos térben való gyorsulása és a gázmolekulák ütközéses onzácója révén létrejövő töltéshordozók bztosítják. A vezetés tulajdonságok ezért az átlagos szabad úthossztól azaz a nyomástól függenek. Nagyon nagy nyomásokon nehezebben nagyon kcs nyomásokon egyáltalán nem jön létre önálló vezetés. A rtkított gázokban létrejövő önálló vezetést ködfényksülésnek nevezzük Kísérlet: Kb. 0.5 m hosszú, néhány cm átmérőjű üvegcső elektródá közé 1000V feszültséget kapcsolunk és a gáz (levegő) nyomását 10 5 Pa értékről fokozatosan 8

9 csökkentjük kb Pa-g. Megfgyeljük kb Pa-nál egy fényszál kb Pa-nál a ködfényksülés megjelenését. Ha 1.5 Pa nyomásnál az elektródok feszültségét növeljük a ksülés egy V gy gyújtófeszültségnél ndul meg és egy V k koltás feszültségnél szünk meg. A ködfényksülés része: 1. katódfény (levegő esetén vörös, a szekunder elektronok gerjesztette gázmolekulák fénye) 2. sötét katódtér (gyors elektronok onzálnak és nem gerjesztenek, az onok lassúak poztív tértöltés alakul k) 3. negatív ködfény (levegő esetén kék, elektronok és onok nagy koncentrácója következtében erős rekombnácó) 4. Faraday-féle sötét tér (az elektronok tovább gyorsulnak) 5. poztv oszlop (levegő esetén vöröses, gázksüléses plazma: onok és elektronok kvázneutráls keveréke) 6. sötét anódtér 7. anódfény A ksülés cső nyomását Pa alá csökkentve a ködfényksülés megszűnk, a katóddal szemközt rész zöldes színben vlágítan kezd. A katódlumneszencát az un. katódsugarak, az elektromos tér által felgyorsított szekunder elektronok okozzák. Kísérlet: Az un. Crooks-csőben demonstráljuk a katódsugarak egyenes vonalú terjedését, mágneses térben való eltérülését és mechanka mpulzusukat. A kísérletben megmutatjuk az un. csősugarak (onsugarak) megjelenését s. A gázksülés gyakorlat alkalmazása között a spektrál-lámpák a fénycsövek és a ködfénylámpák a legsmertebbek. Különleges körülmények között közönséges nyomású gázokban s kalakulhat önálló vezetés. Ilyen az ív-, a szkra- és a korona ksülés. Kísérlet: Szénelektródákkal demonstráljuk az ívksülés létrejöttét és a katód zzásának szerepét az ívksülés fenntartásában. Kísérlet: Demonstráljuk a szkraksülés létrejöttét. A vllám elektromos szkra (csak jó nagy: 10 km hosszú, 40 cm átmérőjű, 10 5 A áram). Kísérlet: Demonstráljuk a koronaksülést. Az un. ldércfény tpkus koronaksülés. 9