Страница 23 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

В О П Р О С Ы

1. Почему при растворении в воде кристаллический диэлектрик с ионной решёткой превращается в проводник?

Кристаллический диэлектрик с ионной решёткой, например, поваренная соль (NaCl), в твёрдом состоянии является изолятором. Это связано с тем, что составляющие его ионы (положительные Na⁺ и отрицательные Cl⁻) прочно зафиксированы в узлах кристаллической решётки и не могут свободно перемещаться. Проводимость вещества определяется наличием свободных носителей заряда, которых в ионном кристалле нет.

При растворении в воде происходит процесс, превращающий это вещество в проводник (электролит). Это обусловлено двумя ключевыми свойствами воды:

Во-первых, молекулы воды (H₂O) полярны. Они представляют собой диполи, где на атоме кислорода сосредоточен частичный отрицательный заряд (δ-), а на атомах водорода — частичные положительные заряды (δ+). Благодаря этому, при контакте с ионным кристаллом молекулы воды притягиваются к его ионам: отрицательными полюсами к катионам (положительным ионам) и положительными полюсами к анионам (отрицательным ионам). Ионы окружаются "шубой" из молекул воды — происходит процесс гидратации.

Во-вторых, вода обладает очень высокой диэлектрической проницаемостью (относительная диэлектрическая проницаемость $ \varepsilon \approx 81 $). Сила электростатического взаимодействия (кулоновская сила) между ионами в среде ослабляется в $ \varepsilon $ раз по сравнению с вакуумом. Таким образом, в воде сила притяжения между ионами Na⁺ и Cl⁻ становится примерно в 81 раз слабее, чем в кристалле.

Совместное действие гидратации и значительного ослабления электростатических сил приводит к разрушению кристаллической решётки. Ионы отрываются от неё и переходят в раствор, где могут свободно и хаотично двигаться. Этот процесс распада кристалла на свободные гидратированные ионы называется электролитической диссоциацией.

В результате в растворе появляются свободные носители заряда — подвижные ионы. Если в такой раствор поместить электроды и создать электрическое поле, ионы начнут двигаться упорядоченно: положительные катионы — к отрицательному электроду (катоду), а отрицательные анионы — к положительному электроду (аноду). Такое направленное движение заряженных частиц и есть электрический ток. Следовательно, раствор ионного кристалла в воде является проводником.

Ответ: При растворении в воде кристаллический диэлектрик с ионной решёткой превращается в проводник, потому что происходит процесс электролитической диссоциации. Полярные молекулы воды взаимодействуют с ионами кристалла, а высокая диэлектрическая проницаемость воды сильно ослабляет силы притяжения между ними. Это приводит к разрушению кристаллической решётки и появлению в растворе свободных подвижных ионов, которые являются носителями электрического заряда.

...нет превращается в проводник...

2. Какое физическое явление называют электролитической диссоциацией?

Электролитическая диссоциация — это физико-химический процесс распада вещества-электролита на ионы при его растворении в полярном растворителе (чаще всего в воде) или при плавлении. В результате этого процесса в растворе или расплаве появляются свободные носители электрического заряда — положительно заряженные ионы (катионы) и отрицательно заряженные ионы (анионы), благодаря чему вещество становится проводником электрического тока (электролитом).

Механизм явления заключается во взаимодействии молекул растворителя с частицами растворяемого вещества. Например, при растворении в воде поваренной соли ($NaCl$), которая состоит из ионов $Na^{+}$ и $Cl^{-}$, полярные молекулы воды окружают эти ионы, ослабляют электростатическое притяжение между ними и "высвобождают" их из кристаллической решетки. Процесс диссоциации является обратимым и характеризуется степенью диссоциации.

Пример уравнения электролитической диссоциации для хлорида натрия (поваренной соли) в воде:

$NaCl \leftrightarrow Na^{+} + Cl^{-}$

Ответ: Электролитической диссоциацией называют явление распада молекул электролита на свободные ионы при его растворении в растворителе или при плавлении, в результате чего раствор или расплав приобретает способность проводить электрический ток.

3. Какая величина, характеризующая диссоциацию, остаётся постоянной при динамическом равновесии?

При динамическом равновесии процесса диссоциации скорости прямой реакции (распада молекул на ионы) и обратной реакции (ассоциации ионов в молекулы) становятся равными. В результате этого концентрации недиссоциированных молекул и ионов в растворе остаются постоянными.

Величина, которая характеризует это равновесное состояние и остаётся постоянной (при постоянной температуре), называется константой диссоциации ($K_д$).

Константа диссоциации — это вид константы равновесия, применяемый к реакциям диссоциации. Для обратимого процесса диссоциации слабого электролита, например, уксусной кислоты ($CH_3COOH$), который диссоциирует в водном растворе на ионы:

$CH_3COOH \rightleftharpoons H^+ + CH_3COO^-$

Константа диссоциации выражается через равновесные молярные концентрации продуктов и реагентов:

$K_д = \frac{[H^+][CH_3COO^-]}{[CH_3COOH]}$

где $[H^+]$, $[CH_3COO^-]$ и $[CH_3COOH]$ — равновесные концентрации ионов водорода, ацетат-ионов и недиссоциированных молекул уксусной кислоты соответственно.

Значение константы диссоциации для данного вещества зависит только от температуры и не зависит от его концентрации в растворе. В отличие от неё, степень диссоциации ($\alpha$), которая также характеризует диссоциацию, зависит от концентрации раствора (согласно закону разбавления Оствальда). Таким образом, именно константа диссоциации является фундаментальной постоянной величиной, характеризующей равновесие процесса диссоциации.

Ответ: Константа диссоциации ($K_д$).

4. Какое физическое явление называют электролизом?

Электролизом называют физико-химическое явление, представляющее собой совокупность окислительно-восстановительных реакций, которые протекают на электродах при прохождении постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита. Электролит — это вещество, которое в растворенном или расплавленном состоянии проводит электрический ток за счет наличия свободных ионов.

Процесс происходит в специальном устройстве — электролитической ячейке (электролизере), которая состоит из следующих основных частей:

• Электролит: раствор или расплав вещества (соли, кислоты или щелочи), диссоциирующего на ионы.
• Электроды: два проводника, погруженные в электролит и подключенные к источнику постоянного тока.
  • Катод — отрицательно заряженный электрод, к которому движутся положительно заряженные ионы (катионы). На катоде происходит процесс восстановления (присоединение электронов).
  • Анод — положительно заряженный электрод, к которому движутся отрицательно заряженные ионы (анионы). На аноде происходит процесс окисления (отдача электронов).
• Источник постоянного тока: создает разность потенциалов между электродами, заставляя ионы двигаться и запускает реакции.

Механизм явления:

Когда через электролит пропускают электрический ток, ионы начинают упорядоченное движение. Катионы (например, ионы металлов $Me^{n+}$) притягиваются к катоду, где они принимают электроны и восстанавливаются до нейтральных атомов. Анионы (например, ионы кислотных остатков $A^{m-}$) движутся к аноду, где отдают электроны и окисляются. В результате на электродах выделяются вещества, из которых состоял электролит, или продукты их взаимодействия с растворителем (если это раствор).

Например, при электролизе водного раствора хлорида меди(II) ($CuCl_2$):

1. В растворе соль диссоциирует на ионы: $CuCl_2 \rightarrow Cu^{2+} + 2Cl^-$.

2. На катоде (-) ионы меди принимают электроны и восстанавливаются до металлической меди: $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$.

3. На аноде (+) хлорид-ионы отдают электроны и окисляются до газообразного хлора: $2Cl^- - 2e^- \rightarrow Cl_2 \uparrow$.

Количественно процесс описывается законами Фарадея. Первый закон Фарадея гласит, что масса вещества ($m$), выделившегося на электроде, прямо пропорциональна силе тока ($I$) и времени ($t$) его прохождения:

$m = k \cdot I \cdot t$, где $k$ — электрохимический эквивалент вещества.

Электролиз имеет огромное практическое значение в промышленности для получения чистых металлов (алюминий, медь, натрий), газов (хлор, водород, кислород), для нанесения защитных и декоративных покрытий (гальваностегия, например, хромирование или позолота), а также для очистки металлов (электрорафинирование).

Ответ: Электролиз — это физико-химическое явление, заключающееся в выделении на электродах составных частей растворенных веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций, при прохождении электрического тока через растворы или расплавы электролитов.

5. Каково применение электролиза в технике?

Электролиз — это физико-химический процесс, заключающийся в выделении на электродах составных частей растворенных веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах, который возникает при прохождении электрического тока через раствор или расплав электролита. Этот процесс нашел широкое применение в различных отраслях техники и промышленности.

Электрометаллургия

Электрометаллургия — это область металлургии, занимающаяся получением и рафинированием (очисткой) металлов с помощью электролиза.

1. Получение металлов: Многие активные металлы, такие как алюминий, магний, натрий, калий и кальций, в промышленности получают исключительно электролизом расплавов их солей или оксидов. Например, алюминий производят электролизом раствора оксида алюминия ($Al_2O_3$) в расплавленном криолите ($Na_3AlF_6$) при температуре около $950 \text{°C}$.

2. Рафинирование металлов (электролитическая очистка): Этот метод используется для получения металлов высокой чистоты. Классическим примером является рафинирование меди. Неочищенная (черновая) медь используется в качестве анода, а тонкий лист чистой меди — в качестве катода. Электролитом служит раствор сульфата меди ($CuSO_4$). При пропускании тока анод растворяется, ионы меди ($Cu^{2+}$) переходят в раствор, а затем осаждаются на катоде в виде чистого металла. Примеси либо остаются в осадке (шламе), либо растворяются, но не осаждаются на катоде.

Ответ: В электрометаллургии электролиз применяется для промышленного получения активных металлов (алюминий, натрий, магний) и для рафинирования (очистки) металлов, таких как медь, до высокой степени чистоты.

Гальванотехника

Гальванотехника объединяет два процесса: гальваностегию и гальванопластику.

1. Гальваностегия (электропокрытие): Это процесс нанесения тонкого слоя одного металла на поверхность другого изделия для придания ему определенных свойств: защиты от коррозии (цинкование, никелирование, хромирование), повышения износостойкости, электропроводности или в декоративных целях (позолота, серебрение). Изделие, которое нужно покрыть, служит катодом, а пластина из металла покрытия — анодом. Оба электрода погружают в раствор соли металла, которым производится покрытие.

2. Гальванопластика: Это процесс получения точных металлических копий предметов путем осаждения металла на их поверхности (или на слепке с них). Сначала изготавливают модель (матрицу) из воска, пластика или другого материала, ее поверхность делают электропроводной (например, покрывают графитом), а затем в электролитической ванне на ней осаждают толстый слой металла. Этот метод используется для изготовления печатных форм, матриц для грампластинок и компакт-дисков, ювелирных изделий и сложных по форме деталей.

Ответ: В гальванотехнике электролиз используется для нанесения защитных и декоративных металлических покрытий на изделия (гальваностегия) и для создания точных металлических копий предметов (гальванопластика).

Получение химических веществ

Электролиз является важным промышленным методом синтеза многих химических соединений.

1. Производство хлора, щелочи и водорода: Электролиз водного раствора поваренной соли ($NaCl$) — один из самых крупнотоннажных промышленных процессов. В результате получают три ценных продукта: хлор ($Cl_2$) на аноде, гидроксид натрия ($NaOH$, или едкий натр) в прикатодной области и водород ($H_2$) на катоде.

2. Получение водорода и кислорода: Электролиз воды позволяет получать химически чистые водород и кислород. Этот процесс приобретает особое значение в контексте развития водородной энергетики, где водород рассматривается как экологически чистое топливо.

3. Синтез других веществ: С помощью электролиза получают фтор (электролизом расплава $KHF_2$), перманганат калия, хлораты, перхлораты и другие окислители.

Ответ: Электролиз используется для промышленного получения таких важных химических веществ, как хлор, гидроксид натрия, водород, кислород, фтор и различные окислители.

Другие применения

1. Электрохимическая обработка металлов (ЭХО): Метод формообразования деталей из токопроводящих материалов путем их анодного растворения в потоке электролита. Позволяет обрабатывать очень твердые сплавы и получать детали сложной формы без механического и термического воздействия.

2. Анодирование (анодное оксидирование): Процесс создания защитной оксидной пленки на поверхности металлов (чаще всего алюминия и его сплавов) путем электролиза. Анодированная поверхность обладает высокой коррозионной стойкостью и износостойкостью, а также может быть окрашена в различные цвета.

3. Очистка сточных вод: Электролитические методы (электрокоагуляция, электрофлотация) применяются для удаления из воды тяжелых металлов, органических загрязнителей и других примесей.

Ответ: К другим важным применениям электролиза в технике относятся размерная обработка металлов, создание защитных оксидных пленок (анодирование) и очистка сточных вод от вредных примесей.