В металле свободные носители заряда электроны

Носители свободных электрических зарядов в металлах, жидкостях и газах

Носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. Их концентрация велика – порядка 10 28 м -3 . Эти электроны участвуют в беспорядочном тепловом движении. Под действием электрического поля они начинают перемещаться упорядоченно со средней скоростью 10 -4 м/с.

Наличие сво­бодных электронов в металлах было доказано в опытах Л.И.Мандельштама и Н.Д.Папалекси (1913 г.), Б. Стю­артом и Р. Толменом (1916 г.).

Опыт проводился следующим образом: на катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга. К концам дисков при помощи скользящих контактов при­соединяют гальванометр.

Катушку приводят в быстрое движение, а затем резко останавливают.

После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы некоторое время движутся относительно проводника по инерции, и, следовательно, в катушке возникает электрический ток.

Ток существует незначительное время, так как из-за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц, обра­зующее ток прекращается.

Переноси­мый при этом заряд пропорционален отношению заряда частиц, создающих ток, к их массе, т. е. q/m. Поэтому, измеряя заряд, проходящий через гальванометр за время существования тока в цепи, удалось определить это отношение. Оно оказалось равным 1,8*10¹¹ Кл/кг.

Электрический ток в металлах это направленное и упорядоченное движение свободных электронов.

Скорость упорядоченного движения электронов прямо про­порциональна напряженности поля в проводнике. (v ~ E)

Электрический ток в металлах это направленное и упорядоченное движение свободных электронов.

Построить удовлетворительную количественную теорию движения электронов в металле на основе законов классической механики невозможно.

Движение электронов в металле подчиняется законам квантовой механики.

Электрический ток в растворах и расплавах электролитов

Жидкости, как и твердые тела, могут быть диэлектриками (дистиллированная вода), проводниками(растворы и расплавы электролитов, щелочей, солей, жидкие металлы) и полупроводниками (расплавленный селен, расплавы сульфидов и т.д.).

Электролиты – вещества, растворы и расплавы которых обладают ионной проводимостью.

Электролиты – водные растворы солей, кислот и щелочей.

В растворах и расплавах электролитов перенос зарядов под действием электрического поля осуществляется положительными и отрицательными ионами, движущимися в противоположных направлениях.

При растворении электролитов под влиянием электрического поля полярных молекул воды происходит распад молекул электролитов на ионы.

Этот процесс называется электролитической диссоциацией.

Электролитическая диссоциация – расщепление молекул электролита на положительные и отрицательные ионы под действием растворителя.

Степень диссоциации – отношение количества молекул, диссоциировавших на ионы, к общему количеству молекул вещества.

Вследствие теплового движения молекул растворимость существенно зависит от температуры.

Степень диссоциации, т.е. доля молекул в растворенном веществе, распавшихся на ионы, зависит от температуры, концентрации раствора и диэлектрической проницаемости  растворителя.

С увеличением температуры степень диссоциации возрастает и, следовательно, увеличивается концентрация положительно и отрицательно заряженных ионов.

Носителями заряда в водных растворах или расплавах электролитов являются положительно или отрицательно заряженные ионы.

Поскольку перенос заряда в водных растворах или расплавах электролитов осуществляется ионами, такую проводимость называют ионной.

Жидкости могут обладать и электронной проводимостью. Например, жидкие металлы.

Положительные и отрицательные ионы могут возникать и при плавлении твердых электролитов в результате распада полярных молекул из-за увеличения амплитуды тепловых колебаний.

Ионы разных знаков при встрече могут снова объединится в нейтральные молекулы – рекомбинировать.

Наряду с диссоциацией в растворах электролитов идет и обратный процесс рекомбинации ионов разных знаков в нейтральную молекулу. Когда число молекул, распадающихся на ионы, становится равным числу молекул, возникающих за это же время в результате рекомбинации, устанавливается динамическое равновесие. Степень диссоциации остается постоянной.

В отсутствии внешнего электрического поля ионы вместе в нераспавшимися молекулами находятся в хаотическом тепловом движении.

Электролиз

При ионной проводимости прохождение тока связано с переносом вещества. На электродах происходит выделение веществ, входящих в состав электролита.

Электролизом называют процесс выделения на электроде чистого вещества, связанный с окислительно-восстановительными реакциями.

Электролиз – это выделение веществ из электролита с последующим осаждением на электродах

Электролиз – выделение на электродах веществ, входящих в состав электролита, при протекании через его раствор (или расплав) электрического тока.

При опускании в раствор хлорида меди CuCl₂ разноименно заряженных электродов возникает направленное движение ионов. Хлорид меди в водном растворе диссоциирует на ионы меди и хлора:

отрицательному электроду(катоду) притягиваются положительные ионы(катионы) Cu 2+ , к положительному(аноду) – отрицательные ионы(анионы) Cl —

Достигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными электронами катода:

Образовавшиеся в результате реакции нейтральные атомы меди оседают на катоде.

Ионы хлора Cl — отдают на аноде по одному избыточному электрону, превращаясь в нейтральные атомы хлора Cl, которые соединяясь попарно образуют молекулярный хлор, выделяющийся на аноде в виде пузырьков газа:

Масса вещества, выделившегося на электроде за определенный промежуток времени равна массе всех ионов N_i, осевших на электродах за это время:

m_i — масса одного иона

Полный заряд Q всех ионов, прошедших через раствор на электрод, пропорционален заряду каждого иона q_i:

Из отношения левых и правых частей равенств получаем:

k – электрохимический эквивалент вещества

Для каждого электролита отношение массы иона к его заряду является постоянной величиной.

Майкл Фарадей в 1833 г.на основании опытов сформулировал два закона электролиза:

1. Масса вещества, выделяющегося из электролита на электродах, оказывается тем большей, чем больший заряд прошел через электролит

Масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через раствор (расплав) электролита:

Закон Фарадея можно сформулировать иначе, учитывая, что Q = It:

Масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна силе тока и времени прохождения тока через раствор (расплав) электролита:

m = k I t I – сила тока

t – время его прохождения через электролит. Из формулы видно, что коэффициент k численно равен массе вещества, выделившегося на электродах, при переносе ионами заряда равного 1 Кл Коэффициент k, превращающий эту пропорциональность в равенство m = kIt, называется электрохимическим эквивалентом вещества.

Единица измерения — кг/Кл

2. Электрохимический эквивалент тем больший, чем больше масса моля вещества и чем меньше его валентность

Масса иона выражается через молярную массу и постоянную Авогадро: m_i =

Заряд иона кратен заряду электрона: q_i = ne n – валентность химического элемента Тогда получаем соотношение, иногда называемое вторым законом Фарадея: k = . k ~ эта дробь называется химическим эквивалентом вещества Коэффициент, превращающий эту пропорциональность в равенство, назвали постоянной Фарадея F: k = * Постоянная Фарадея равна произведению двух констант – постоянной Авогадро и заряда электрона: F = N_a * e = 6,02*10 23 моль -1 *1,6*10 -19 Кл ≈ 9,6*10 4 Кл/моль

Физический смысл электрохимического эквивалента: отношение массы иона к его заряду. = m_0i , e n = q_0i  k = измеряя m и q, можно определить электрохимические эквиваленты различных веществ.

Объединенный закон Фарадея для электролиза: m = kIt (см.п.1), k = * (см.п.2)  m = Q =

n – валентность химического элемента

Как следует из объединенного закона Фарадея, если на электроде выделяется моль одновалентного вещества, то m = M, n = 1, F = Q.

Постоянная Фарадея численно равна заряду, который надо пропустить через раствор электролита, чтобы выделить на электроде 1 моль одновалентного вещества.

Электролиз применяется:

Гальванопластика, т.е. копирование рельефных предметов.

Гальваностегия, т.е. нанесение на металлические изделия тонкого слоя другого металла (хром, никель, золото).

Очистка металлов от примесей (рафинирование металлов).

Электрополировка металлических изделий. При этом изделие играет роль анода в специально подобранном электролите. На микронеровностях (выступах) на поверхности изделия повышается электрический потенциал, что способствует их первоочередному растворению в электролите.

Получение некоторых газов (водород, хлор).

Получение металлов из расплавов руд. Именно так добывают алюминий.

Свободные носители электрического заряда в металлах.

Электрический ток в металлах обуславливается упорядоченным движением свободных электронов (электронов проводимости). Положительно заряженные ионы не принимают участия в переносе заряда.

Электронную природу носителей тока в металлах объясняют таким образом:

Кристаллическая решетка металла состоит из положительных ионов, которые расположены в узлах решетки, и электронов, которые свободно передвигаются между узлами. Эти электроны — являются валентными электронами атомов металла, которое оставили свои атомы. Свободные электроны беспорядочно двигаются по кристаллу, «не помня» уже, какому атому они принадлежали. Их также называют электронным газом. Естественно, при этом сумма положительных зарядов ионов решетки равняется суммарному отрицательному заряду свободных электронов, значит, металл остается незаряженным, или электронейтральным.

Не думайте, что под действием электрического тока все электроны в проводнике направляются в одном направлении. У них просто появляется преимущественное направление движения (вдоль поля), накладывающееся на хаотическое движение в отсутствие поля.

Причем средняя скорость движения электронов составляет несколько миллиметров в секунду. Однако скорость распространения самого электрического поля — окло 3 · 10 8 м/с. С такой же скоростью распро­страняется электрический ток.

Здесь можно провести аналогию электрического тока с течением воды в водопроводе, а распространение электрического поля — с распространением давления воды. Вода в кране находится под давлением всего столба воды в водонапорной башне. Но из крана течет та вода, которая в нем была, а вода из башни дойдет до крана гораздо позднее, т. к. движение воды происходит с гораздо меньшей скоростью, чем распространение давления.

Существование свободных электронов в металлах доказано опытнм путем Л. И. Мандельшта­ма и Н. Д. Папалекси (качественно), Б. Стюартом и Р. Томсоном — с получением количественных результатов (1916 г.).

Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки через специальные контакты замыкались на чувствительный гальванометр. После раскручивания катушки она резко тормози­лась специальным приспособлением. При этом гальванометр регистрировал кратковременный ток, направление которого указывало на отрицательный знак носителей заряда. В опыте были использованы инерционные свойства электронов: при резком торможении проводника они продолжали некоторое время двигаться (подобно пассажирам резко тормозящего вагона). Из этих опытов было определено отношение заряда к массе носителя то­ка, которое совпало с соответствующим значением для электрона (1,8 · 10 11 Кл/кг.)

Объяснить большинство свойств металлов, например, его электричес­ких свойств (закон Ома), озволяет электронная теория металлов. Клас­сическая электронная теория металлов основывается на представлении об электронах проводимости как об электронном газе, подобном иде­альному атомарному газу молекулярной физики. В этой теории счита­ется, что движение электронов подчиняется законам Ньютона, взаи­модействием между собой электронов пренебрегают, а взаимодействие с положительными ионами решетки сводят только к соударениям.

Что бы объяснить закон Ома основываясь на классической электронной теории металлов, нужно определить выражение для средней скорости v направленного упорядоченного движения электронов в электричес­ком поле с напряженностью Е и подставить в известную формулу для силы тока I:

где q₀ = e — заряд электрона, n — концентрация электронов, S — площадь поперечного сечения проводника.

Электроны в металле, участвуя в тепловом движении, все время сталкиваются с ионами решетки. Т.к. масса электрона гораздо меньше массы иона, значит, после следующего столкновения все направления скорости равновероятны. Это значит, что начальная скорость после следующего столкновения может иметь любое направление и, значит, среднее значение вектора на­чальной скорости равняется нулю, и начальная скорость не влияет на среднюю скорость направленного движения электронов. Это позволяет считать, что средняя скорость упорядоченно­го движения электронов v равняется произведению ускорения на среднее время τ движения электро­на между двумя соударениями с ионами: v = а · τ. Применив второй закон Ньютона и выражение для напряженности электрического поля, получим:

где F — сила, действующая на электрон со стороны поля, U — напряжение на концах проводника длиной L.

Теперь, подставляя полученное уравнение в выражение I = q₀nvS, имеем:

.

Как можно увидеть из полученного выражения, сила тока является пропорциональной напряжению, как это и следует из закона Ома. Это следствие того, что средняя скорость направленного движения электронов прямо пропорциональна напряженности электрического поля в металле.

Но классическая электронная теория не может объяснить большинство эксперименталь­ных зависимостей, таких как, зависимость сопротивления от температуры. Это связано с тем, что движение электронов в металле подчиняется законам квантовой механики, а не классической механики Ньютона.

Свободные носители электрических зарядов в проводниках, Механизмы проводимости твёрдых металлов, растворов и сплавов

Для того, чтобы по проводнику шёл ток, в нём должны присутствовать свободные носители заряда.

�� Это могут быть электроны, ионы или другие частицы!

Самыми распространёнными проводниками считаются МЕТАЛЛЫ, которые имеют электронную проводимость.

‼️ Важно:

Электрический ток в металлах обуславливается упорядоченным движением свободных электронов (электрона проводимости). Положительно заряженные ионы не принимают участия в переносе заряда.

Какой знак заряда у свободных зарядов в металле?

Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь для публикации ответа на этот вопрос.

решение вопроса

Связанных вопросов не найдено

Обучайтесь и развивайтесь всесторонне вместе с нами, делитесь знаниями и накопленным опытом, расширяйте границы знаний и ваших умений.

• Все категории
• экономические 43,679
• гуманитарные 33,657
• юридические 17,917
• школьный раздел 612,713
• разное 16,911

Популярное на сайте:

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.

• Обратная связь
• Правила сайта