Законы Фарадея

Содержание

Введение …………………………………………………………………………………3

1 Майкл Фарадей ………………………………………………………………………..4

2 Теоретические основы электролиза ………………………………………………….7

3 Законы Фарадея ………………………………………………………………………10

Заключение ……………………………………………………………………………..14

Список использованных источников …………………………………………………15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение

     Английский  физик и химик Майкл Фарадей  установил законы электролиза, связавшие  количество электричества, прошедшее  через раствор, с массой и природой растворенного вещества. Он создал количественную электрохимию – раздел химии, изучающий процессы перехода химической энергии в электрическую и обратно.  

     Исследования  Фарадея процессов в растворах  электролитов при пропускании через  них электрического тока длилось  недолго. В 1833 г. он начал их, а уже  в 1834 г. закончил. Но за этот короткий срок Фарадей сумел установить основные закономерности явления электролиза, которые стали фундаментом всех современных теоретических воззрений  в этой области, а также методов  его практического использования. Вся современная терминология, применяющаяся  при описании электролиза, была предложена Фарадеем в этот период. Он ввел термины  “электрод”, “электролит”, “анод”, “катод”, “ион”, “анион” “катион”, “электролиз”, понятие «диэлектрическая проницаемость».

     Цель  реферата – рассмотреть теоретические  основы электролитических процессов, экспериментальное подтверждение  законов Фарадея.

     Поставленная  цель определила задачи:

1. Изучить жизнь и деятельность Майкла Фарадея
2. Исследовать историю создания законов электролиза

     В ходе работы над рефератом был  изучен ряд монографий и публикаций ведущих историков и исследователей. Среди них работы Э.В. Касаткина, М.И. Радовского, Л.И. Антропова. 
 
 
 
 
 

     1 Майкл Фарадей 

     Майкл Фарадей – величайший из физиков XIX столетия. Он родился 22 сентября 1791 г. в Лондоне, в семье бедного кузнеца Джеймса Фарадея. В 1804 г. после кратковременного посещения школы поступил в учение к переплетчику Рибо, французскому эмигранту, всячески поощрявшему его страстное стремление к самообразованию. Чтением и посещением публичных лекций молодой Фарадей стремился пополнить свои знания, причем его влекли главным образом естественные науки химия и физика. В 1812 г. он посещает в Королевском институте несколько лекций знаменитого химика сэра Генри Дэви, и в нем зреет страстное желание заняться наукой и посвятить себя ей всецело. Он обращается с письмами об этом и к президенту института, и к Дэви. В 1813 г. Дэви не без некоторого колебания дает молодому переплетчику место лабораторного ассистента при королевском институте. Фарадей энергично посвящает себя новой деятельности, непрерывно пополняя свои знания чтением и живым участием кружках для самообразования.

     Осенью 1813 г. Дэви предпринимает научное  путешествие по Европе, продолжавшееся два года, а в качестве ассистента и служителя берет с собой  Фарадея. Для него это путешествие имело огромное образовательное значение; необыкновенные способности ассистента Дэви не остались незамеченными теми великими учеными, с которыми он сталкивался во время этого путешествия. В 1815 г. он вернулся с Дэви в Лондон и снова приступил к своим занятиям в Королевском институте. В 1816 г. Фарадей начинает читать публичные лекции по химии и физике в обществе для самообразования «City Philosophical Society»; в том же году появляется в печати первая работа его, «О приобретении познаний»; с того же года начинается непрерывная сорокалетняя деятельность Фарадея как физика-экспериментатора. В 1820 Фарадей провёл несколько опытов по выплавке сталей, содержащих никель. Эта работа считается открытием нержавеющей стали, которое не заинтересовало в то время металлургов.

     В 1821 г. он получил место надзирателя за зданием и лабораториями Королевского института. В том же году появились и первые две его крупные работы об электромагнитных вращениях и о сжижении хлора.

     В 1824 г., несмотря на явное противодействие  Дэви, проявлявшего непонятную зависть  к успехам своего ассистента, Фарадей был избран в члены Королевского общества, а в 1825 г. его назначают на место Дэви директором лабораторий Королевского института. Однако Фарадей продолжал и другие исследования, в том числе в области химии. Так, в 1824 ему первому удалось получить хлор в жидком состоянии. Деятельность Фарадея в течение начала 30-х гг. была необыкновенно интенсивна и плодотворна. К 1830 г. он опубликовал до 60 исследований и издал книгу «Chemical Manipulations» (1827); за этот период он обогатил физику открытиями, химию – открытием бензола и бутилена и указанием метода добывания новой группы веществ – сульфокислот; уже в 1833 г. он начинает свой знаменитый цикл исследований над электролизом и заканчивает его к 1834. г.; в этих работах даны не только количественные законы явлений, но и основы всех современных воззрений на электролиз, даже вся современная терминология этих явлений.

     Известность Фарадея росла, и вместе с тем росли и доходы с различных поручавшихся ему научно-технических работ, но в конце 1830 г. Фарадей решительно бросает все побочные свои занятия (кроме лекций химии в Королевской академии в Вульвиче) и сосредоточивается всецело на вопросах науки. Уже в 1831 г. его работы увенчиваются блестящим успехом. Он открывает явление электромагнитной индукции, за каковое открытие Оксфордский университет в 1832 г. награждает его титулом почетного доктора. В 1833-34 Фарадей изучал прохождение электрических токов через растворы кислот, солей и щелочей, что привело его к открытию законов электролиза. Эти законы (Фарадея законы) впоследствии сыграли важную роль в становлении представлений о дискретных носителях электрического заряда. В 1836 г. его назначают научным сотрудником управления маяков; эту должность он занимал почти 30 лет, и результатом ее явились 19 томов исследований.

     Научная деятельность Фарадея может быть разбита на 3 периода:

1. с 1816 по 1830 г. – подготовительный период, посвященный главным образом работам по химии
2. с 1831 по 1839 г. – период его классических работ по электромагнетизму
3. с 1845 по 1860 г. – заключительный период, посвященный исследованиям над диамагнетизмом и над зависимостью между явлениями электромагнитными и световыми.

         Открытия  Фарадея завоевали признание во всём научном мире. Впервые идеи «перевёл» на общепринятый математический язык Максвелл. В предисловии к своему «Трактату по электричеству и магнетизму» (1873) он писал: «По мере того, как я подвигался вперед в изучении Фарадея, я убедился, что его способ понимания явлений также имеет математический характер, хотя он и не предстает нам облеченным в одежду общепринятых математических формул. Именем Фарадея впоследствии были названы законы, явления, единицы физических величин и т.д. (Фарада, Фарадей, Фарадея число, цилиндр Фарадея и др.).        

Энгельс оценивал Фарадея как величайшего исследователя в области электричества. Значение Фарадея в развитии науки отмечал А. Г. Столетов: «Никогда со времен Галилея свет не видал стольких поразительных и разнообразных открытий, вышедших из одной головы». 
 
 
 
 
 
 

     2 Теоретические основы электролиза

     Электролиз – (от electro и греч. lysis — разложение, растворение, распад) совокупность процессов электрохимического окисления на погруженных в электролит электродах при прохождении через него электрического тока.

     Электролиз лежит в основе электрохимического метода лабораторного и промышленного получения различных веществ — как простых (электролиз в узком смысле слова), так и сложных (Электросинтез).        

  Изучение и применение электролиза началось в конце 18 — начале 19 вв., в период становления электрохимии. Промышленное применение электролиза стало возможным после появления в 70-х гг. XIX в. мощных генераторов постоянного тока.        

 Особенность  электролиза – пространственное разделение процессов окисления и восстановления: электрохимическое окисление происходит на аноде, восстановление – на катоде. Электролиз осуществляется в специальных аппаратах – электролизёрах.        

  Электролиз происходит за счёт подводимой энергии постоянного тока и энергии, выделяющейся при химических превращениях на электродах. Энергия при электролизе расходуется на повышение гиббсовой энергии системы в процессе образования целевых продуктов и частично рассеивается в виде теплоты при преодолении сопротивлений в электролизёре и в других участках электрической цепи.         

 На  катоде в результате электролиза происходит восстановление ионов или молекул электролита с образованием новых продуктов. Катионы принимают электроны и превращаются в ионы более низкой степени окисления или в атомы, например при восстановлении ионов железа (F³ + e^- → Fe²⁺), электроосаждении меди (Cu²⁺ + 2e^- → Cu). Нейтральные молекулы могут участвовать в превращениях на катоде непосредственно или реагировать с промежуточными продуктами катодного процесса. На аноде в результате электролиза происходит окисление ионов или молекул, находящихся в электролите или принадлежащих материалу анода (анод растворяется или окисляется).

       Например: выделение кислорода (4OH^-→ 4e^- + 2H₂O + O₂) и хлора (2C1^-→2e^- + Cl₂), образование хромата (Cr³⁺ + 3OH^- + H₂O → CrO₄^2- + 5H⁺ + 3e^-), растворение меди (Cu → Cu²⁺ + 2^e-), оксидирование алюминия (2Al + 3H₂O → Al₂O₃ +6Н⁺ + 6e^-).

     Электрохимическая реакция получения того или иного вещества (в атомарном, молекулярном или ионном состоянии) связана с переносом от электрода в электролит (или обратно) одного или нескольких зарядов в соответствии с уравнением химической реакции. В последнем случае такой процесс осуществляется, как правило, в виде последовательности элементарных одноэлектронных реакций, то есть постадийно, с образованием промежуточных ионов или радикальных частиц на электроде, часто остающихся на нём в адсорбированном состоянии.         

 Скорости  электродных реакций зависят  от состава и концентрации  электролита, от материала электрода,  электродного потенциала, температуры  и ряда других факторов. Скорость  каждой электродной реакции определяется  скоростью переноса электрических  зарядов через единицу поверхности  электрода в единицу времени;  мерой скорости, следовательно, служит  плотность тока.        

 Количество  образующихся при электролизе продуктов определяется законами Фарадея. Если на каждом из электродов одновременно образуется ряд продуктов в результате нескольких электрохимических реакций, доля тока (в %), идущая на образование продукта одной из них, называется выходом данного продукта по току.

     Преимущества  электролиза перед химическим методами получения целевых продуктов заключаются в возможности сравнительно просто (регулируя ток) управлять скоростью и селективной направленностью реакций. Условия электролиза легко контролировать, благодаря чему можно осуществлять процессы как в самых «мягких», так и в наиболее «жёстких» условиях окисления или восстановления, получать сильнейшие окислители и восстановители, используемые в науке и технике.

     Электролиз – основной метод промышленного производства алюминия, хлора и едкого натра, важнейший способ получения фтора, щелочных и щелочноземельных металлов, эффективный метод рафинирования металлов. Путём электролиза воды производят водород и кислород. Электрохимический метод используется для синтеза органических соединений различных классов и многих окислителей (персульфатов, перманганатов, перхлоратов, перфторорганических соединений и др.). Применение электролиза для обработки поверхностей включает как катодные процессы гальванотехники (в машиностроении, приборостроении, авиационной, электротехнической, электронной промышленности), так и анодные процессы полировки, травления, размерной анодно-механической обработки, оксидирования (анодирования) металлических изделий. Путём электролиза в контролируемых условиях осуществляют защиту от коррозии металлических сооружений и конструкций (анодная и катодная защита).  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     3 Законы Фарадея

     При прохождении электричества через  металлические проводники состав металла  не изменяется. Переносчиком электричества, а лих являются «свободные» электроны  внешней электронной оболочки. В  электролитах свободные электроны  отсутствуют, и электричество в  них переносится ионами. На границе  металл--раствор электронная проводимость меняется на ионную. Такая трансформация  проводимости осуществляется электрохимическими реакциями, протекающими на электродах. На катоде электроны переходят на частицы раствора, способные восстанавливаться. На аноде такое же количество электронов освобождается при окислении  частиц, содержащихся в растворе, или  при переходе вещества анода в  виде катионов в раствор.