Электролиз. Элементарный электрический заряд.

 
 

Электролиз. Элементарный электрический заряд.

Электрон. Заряд электрона.



Для начала:

Приведем классический подход. А затем начнем серьезно разбираться с проблемами. Тех, кто его знает, можно сразу пропустить и читать комментарии.

 

Электрический ток в электролитах.

 

Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. К электролитам относятся многие соединения металлов с металлоидами в расплавленном состоянии, а также некоторые твердые вещества. Однако основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований.

Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением веществ на электродах. Это явление получило название электролиза.

Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией. Например, хлорид меди CuCl2 диссоциирует в водном растворе на ионы меди и хлора:

CuCl2<=>Cu+++2Cl-

 

01

Электролиз водного раствора хлорида меди.

 

При подключении электродов к источнику тока ионы под действием электрического поля начинают упорядоченное движение: положительные ионы меди движутся к катоду, а отрицательно заряженные ионы хлора – к аноду.

Достигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными электронами катода и превращаются в нейтральные атомы, оседающие на катоде. Ионы хлора, достигнув анода, отдают но одному электрону. После этого нейтральные атомы хлора соединяются попарно и образуют молекулы хлора Cl2. Хлор выделяется на аноде в виде пузырьков.

Во многих случаях электролиз сопровождается вторичными реакциями продуктов разложения, выделяющихся на электродах, с материалом электродов или растворителей. Примером может служить электролиз водного раствора сульфата меди CuSO4(медный купорос) в том случае, когда электроды, опущенные в электролит, изготовлены из меди.

Диссоциация молекул сульфата меди происходит по схеме

CuSO4óCu+++SO--4

Нейтральные атомы меди отлагаются в виде твердого осадка на катоде. Таким путем можно получить химически чистую медь. Ион отдает аноду два электрона и превращается в нейтральный радикал SO4 вступает во вторичную реакцию с медным анодом:

SO4 + Cu = CuSO4.

Образовавшаяся молекула сульфата меди переходит в раствор.

Таким образом, при прохождении электрического тока через водный раствор сульфата меди происходит растворение медного анода и отложение меди на катоде. Концентрация раствора сульфата меди при этом не изменяется.

 

 

 

Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М. Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадеяопределяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах (множественное число) при электролизе:

Масса m вещества, выделившегося на электроде(единственное число), прямо пропорциональна заряду Q, прошедшему через электролит:

m = kQ = kIt.

 

величину k называют электрохимическим эквивалентом вещества.

 

Масса выделившегося на электроде вещества равна массе всех ионов, пришедших к электроду: 

 

 

Здесь m0 и q0 – масса и заряд одного иона, – число ионов, пришедших к электроду при прохождении через электролит заряда Q. Таким образом, электрохимический эквивалент k равен отношению массы m0 иона данного вещества к его заряду q0.

Так как заряд иона равен произведению валентности вещества n на элементарный заряд e (q0 = ne), то выражение для электрохимического эквивалента k можно записать в виде

 

Здесь NA – постоянная Авогадро NA  =  6,022 10 23, M = m0NA – молярная масса вещества, n – валентность, F = eNA –постоянная Фарадея.

 

F = eNA = 96485 Кл / моль,

Где е -  заряд электрона. 

Постоянная Фарадея численно равна заряду, который необходимо пропустить через электролит для выделения на электроде одного моля одновалентного вещества.

Закон Фарадея для электролиза приобретает вид:

 

Заряд одновалентного иона равен заряду электрона  q=e=-1,6 10-19кулон,  заряд электрона

 

КОММЕНТАРИИ

Мы закончили изложение классической теории.

Скорее всего, историю открытия электрона надо называть историей типа истории поручика Киже. Это история  ошибки писаря, не поставившего запятую, которая привела к появлению виртуального поручика, превратившегося в генерала, но только на бумаге. Недавно отмечалось столетие открытия электрона, честь которого приписывают Томсону, напрочь забывая о действительной предыстории этого, кошмарного для современной физики дела.  Современные дифирамбы по поводу столетнего дня рождения электрона можно посмотреть для справки по предлагаемой ссылке.

http://vestnik.yspu.org/releases/uchenue_praktikam/4_6/

http://bourabai.kz/tyapkin/electron.htm

 

 

Все было подготовлено еще до него.

 

Для начала кратко изложим историю развития электродинамики.

 Кулон, появление понятия электрических зарядов. Появление понятия числа зарядов. Деление на положительное и отрицательное электричество.

Времена Вольта, Фарадея и Ампера - появление понятия «Количества электричества», решение вопроса о направления электрического тока от отрицательного источника к положительному. Определение тождественности статического и вольтова электричества.   Определение тока как количества электричества за время.

 

Количество, вот исходная точка поиска элементарного электрического заряда.

 

Сила тока или ток по современному определению, это электрический заряд или множество зарядов, прошедших через проводник за определенное время.

 

На этом и остановились, на количестве.  До открытия Менделеевым Периодического закона.   В 1881 году многие начали высказываться о существовании некого атомарного электричества. А в 1891 году появился первый обнадеживающий ученый мир результат.

Появилась теория, выдвинувшая  предположение.

 

При рассмотрении электрического тока в электролитах определили  минимальный электрический заряд одновалентного иона. То есть атому или молекуле четко приписали электрические свойства и обозначили, что они дискретны и определяются количеством минимальных порций заряда.

  В теории статического электричества понятие электрического заряда является основополагающим. Минимальный электрический заряд позволял если не все, то многое в области описания процессов целочисленной математикой.

Появилось основание предполагать,  что помимо носителя электрического заряда в электролитах  в виде иона, в других материалах должен быть аналогичный элементарный носитель. Для металлов ион не подходил по причине отсутствия движения атомов в металле под действием электрического тока. И тогда было выдвинуто предположение о некой гипотетической частице, переносящей заряд.

 

Отступление.

 

Отметим для особо озабоченных Максвелловскими построениями в электродинамике. Под действием электрического тока в твердых веществах двигаются не просто отдельные атомы, а проводник в целом!!!!!

 

При сварке притягивается электрод, а провода дергаются. При коротком замыкании на аккумуляторе не отодрать от клемм замыкающий проводник, а если в розетку два пальца, то и человека притягивает до потери сознания. Электростатический маятник и масса других примеров включая и рельсотронный эффект.

Перенос вещества в электролитах и газах—про это тоже забыл Максвелл.

То есть,  имеется явная сила, действующая вдоль линии (по сечению) прохождения электрического тока.

 

В общем уже тогда физика поимела огромную брешь в теории, расходящуюся с опытом.

 

 

Конец отступления.

 

И как частице его свойства приписали электрону.

В данной работе доказывается отсутствие «элементарного» заряда, а также и самого электрона как его носителя и ставится под сомнение существование электрона как элементарной частицы.

 

 

КОММЕНТАРИЙ.

Вывод численного значения величины элементарного заряда – одновалентного иона сделан со следующим нарушением.

 Не учтено, что электрическая энергия (заряд) тратится и на выделение вещества на втором электроде  точно (а точно ли???  Позже рассмотрим и этот нюанс) в соответствии с законом Фарадея, но уже для второго участника реакции. Для случая электролиза хлорида меди в водном растворе это одновременное выделение хлора на аноде, не считая, может и не очень существенной попутной реакции электролиза самой воды.

m1 = k1It.

m2 = k2It.

 

 Не учтено, что при прохождении тока генерируется магнитное поле в зависимости от сопротивления проводника и  пропорционально току.

  , магнитная индукция R – расстояние от проводника.

 

 Не учтено тепло, выделяемое проводником, учитываемое законом Джоуля-Ленца   пропорционально квадрату тока.

 

 

ΔQ = RI2Δt.

 

Сам закон Джоуля-Ленца не учитывает опытов Ома.

Ом пришел к выводу, что результаты опытов, проведенных с восемью различными проволоками,

«могут быть выражены очень хорошо уравнением

Х=а/b+x

где X означает интенсивность магнитного действия проводника, длина которого равна х, а а и b - константы, зависящие соответственно от возбуждающей силы и от сопротивления остальных частей цепи» (Journal fur Chemie und Physik, 46, 160 (1826)).

Теперь посмотрим опять на формулу Фарадея:

 

m = kQ = kIt.

 

Для фиксированного значения тока, которое необходимо поддерживать постоянно, требуется:

Постоянство расстояния между электродами.

Поскольку электролит может быть разным для электролиза разных веществ и иметь разное сопротивление, то для поддержания одного тока необходимо различное напряжение. Электролит не подчиняется точно закону ОМА, с ростом температуры электролита его сопротивление уменьшается. Электролит является полупроводником!  По сему  сопротивление электролита НЕЛИНЕЙНО зависит от напряжения!

Электрическое сопротивление электролитов и изоляторов сильно нелинейно, и закон Ома выполняется только для ограниченных значений токов и напряжений. Поэтому обобщённые уравнения не могут быть приведены.  Для справки:

http://electron287.narod.ru/pages/rus_electrical_resistance.htm

 

В современных исследованиях  для устранения влияния температуры на сопротивление электролита применяют схемы температурной компенсации или стабилизируют температуру раствора с помощью холодильника или термостата.

 

Не делал и этого Фарадей, ну, не делал!!  И потери, потери, потери энергии.

 

Таким образом,  в формулу вычисления заряда не вошли  как минимум три неучтенных фактора расхода энергии электрического тока!  И все эти затраты соотнесены только на массу выделяемую на одном электроде. Нет пропорций потерь для каждого материала.

 

Что же за постоянную находят при вычислении элементарного заряда?

Единственной постоянной в опытах Фарадея было РАССТОЯНИЕ между электродами!!!!! 

В работе http://fatyf.narod.ru/electrostatics.htm   приведена стыковка СИЛОВОГО Закона Кулона, с Силовым законом Ома.

Выводы позволяют ассоциировать закон Ома   (силу тока) с Ньютоновой силой.

F=ma=I=U/R 

На этом основании

Можно составить достаточно полные уравнения!!! электролиза

m=kIt=kmat   при  mat=mv   v=s/t 

 то есть вычислять и скорость  перемещения носителей (атомов).

 

 

ОДНОВРЕМЕННО ПОЛУЧАЕТСЯ КАК МИНИМУМ ДВА ВЕЩЕСТВА.

 

По тексту в самом начале не зря выделено цветом толкование закона Фарадеем.

Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электрод(ах)  !!! при электролизе:

 

Да и сам Фарадей писал свой закон не только для одного из электродов.

Для проведения электролиза необходимо как минимум два атома химических элементов вещества (молекула) и два электрода.

 

И в результате произведена грубейшая фальсификация результатов… полученных ФАРАДЕЕМ.

 

Фарадей, скорее всего и не думал, что так безграмотно исказят результаты его опытов.  Видимо из практических соображений Фарадеем закон был постулирован  только для одного электрода(второй подразумевался, а как же без него, это же очевидно!). Хотя,  например: чистый электролиз воды уже должен был навести последователей на  мысль

H2O

Уравнений то два, по одному на каждый электрод!

m1=k1It

m2=k2It

m1+m2=(k1+k2)It         2:1

и здесь уже никому и в голову не придет сделать одинаковую  подстановку:

 

для числа атомов пришедших на каждый электрод, поскольку заряд один, а отношение 2:1,   в итоге три атома.

N=N1+N2 = Q/(q1+q2)=Q/(2e+e)

k=(m1+m2)/(2e+e)

Как за скобку не выноси элементарный заряд, с константой ничего не выйдет. То есть для любой молекулы условие элементарности заряда уже не выполняется в принципе. Мало того  образуются не атомарный, а молекулярные водород и кислород.

  2H2O=2H2+O2

Следовательно требуется одновременность разложения сразу как минимум двух молекул воды,  кластера…, а может быть даже и шести…  глянем на снежинку!!!!

 

Для каждого  вещества разлагаемого на электродах затрачивается только ему присущая часть энергии-заряда, если угодно квант с разной энергией. Но и считать тогда его надо для Вещества, а не отдельного химического элемента. Да  иначе и быть не может. Коэффициент k НЕ ЕСТЬ количественный квант всего вещества.!!!  Это мера пропорциональности.

Мало того он не имеет размерности!!!!

В природе нет ничего одинакового, элементарного. И как пророчески теперь звучит высказывание (1881 г. речь посвященная памяти Фарадея) Г. Гельмгольца:

 «Если мы допускаем существование химических атомов, то мы принуждены заключить отсюда далее, что также и электричество, как положительное, так и отрицательное, разделяется на определенные элементарные количества, которые играют роль атомов электричества.»

 От себя добавлю, именно атомов во множественном числе, а не одного единственного атома. А ведь электрон то один. И ведь разновидностей только открытых атомов более двух тысяч вместе с изотопами. Как быть с современным толкованием одинаковости электронов?

 

Конечно, понятно стремление одного ученого найти кирпич мироздания.  Дж. Стони в 1891 г..  это ООННН предложил назвать свое детище ЭЛЕКТРОНОМ.

Это ему мы обязаны зарядом одновалентного иона и этим,  от фонаря, расчетом.

Это ему и многим другим последователям мы обязаны понятию «элементарности»

Но как это желание пересилило здравый смысл у всего остального научного мира непонятно совершенно. Но, тем не менее, из законов электролиза Фарадея с нарушением всех логических, физических и математических правил был «вычислен»  и введен  в практику элементарный электрический заряд.

 

Теперь о самом «Электроне» 

Если подойти к этому делу с точки зрения передачи энергии, то ток за время, т.е. заряд и есть энергия, затраченная на весь электролиз. Уже об энергии заряда стоит задуматься.

 

Мы то сегодня  емкость аккумулятора в ампер-часах измеряем  а это и есть   энергия аккумулятора способная током в 45 ампер ( It)   целый час питать этой энергией какое либо устройство.

Потенциал и его выражение через энергию f=qE=qQ/ 4p e0 r2 =W/q   1вольт=1дж/1кулон

1электронвольт=1,6 10-19дж

q=e=-1,6 10-19кулон,  заряд электрона

 В конце концов, кто-то додумался и поставил в соответствие величину заряда электронвольту. И главное, обозвали вольтом.  ПОСМОТРИТЕ НА ОДИНАКОВОСТЬ ЭТИХ ЦИФР.

Таким образом, официально, и совершенно правильно проигнорировав электростатику с ее понятием заряда, поставили в соответствие ему величину явно представляющую энергетический потенциал численно равный этому самому заряду. То есть разница потенциалов и есть энергия электрического поля  потенциальная.

А это уже сильно подмывает репутацию понятия напряженности электрического поля и как следствие понятия потенциала и энергии, понятие емкости в самой электростатике.

Но что-то молчит электродинамика со своими противоречиями.

 

При электролизе хлорида меди происходит две явных реакции: первая – выделение меди на одном электроде, вторая – выделение растворенного в воде хлора на втором. В теории диссоциации предполагается одноатомный ион хлора, но в процессе образуется молекулярный двухатомный хлор, причем хорошо растворимый в воде. Нестыковочка… если образуется ион меди, то благодаря силе тяжести он должен опускаться вниз, выпадать из раствора, но этого нет. Медь сама по себе не так быстро, если вообще не растворяется в воде. Почему, все из-за отсутствия так называемой диссоциации. Процесс гораздо проще. На катоде распадается сразу 2 молекулы хлорида меди, сама медь никуда  то и  не движется, прямо и осаждается на электроде, растворяется в воде уже молекулярный хлор и под действием тока двигается к аноду. Увеличение концентраций вблизи электродов объясняется просто. У электрода из меди за счет большой концентрации именно меди, а хлор движется под давлением тока, попутно перемешивая электролит с увеличением концентрации у своего электрода.

 

Возникает вопрос, почему…  ответ кроется во взаимном притяжении атомов (молекул) одинакового типа в определенных условиях.  Именно этому обязаны существованием сами молекулы вещества и кристаллы и как следствие залежи геологических ископаемых.  Теория этого притяжения будет рассмотрена в другом месте, хотя основа такого взаимодействия ясна,  это одинаковость спектров и не только оптических.

В дополнение приведем схему электролиза более сложного вещества  CuSO4

 

2CuSO4+2H2O=2H2+O2

                            I       I---à O2---положительный электрод

                            I

                          2H2+2CuSO4=2H2SO4---àВ электролит

                                        I

                                     Сu---àотрицательный электрод.

 

Как видно, одновременно происходит две реакции одновременно, электролиз воды и электролиз соли с образованием трех веществ, то есть энергия электрического тока тратится не только на выделение меди на отрицательном электроде, и не может быть полностью соотнесена с массой  данного вещества, только в пропорции.  Массы остальных веществ при этом неизвестны. Их необходимо выяснять опытным путем!!!

 

Выдержка из все того же Гимна электрону:

С начала 80-х годов 19 в. отчетливо прослеживается развитие двух тенденций в подходе к проблеме катодных лучей (открыты в 1859 г. Ю.Плюккером, название дано Э.Гольдштейном). Немецкие физики, за редким исключением, единодушны в утверждении, что катодные лучи представляют собой процесс в эфире - волновая гипотеза Гольдштейна.

При протекании тока по однородному участку цепи  совершается работа. За время Δt по цепи протекает заряд Δq = IΔt. На выделенном участке совершается работа

ΔA = (φ1 – φ2)Δq = Δφ12IΔt = UIΔt,

где U = Δφ12 – напряжение. Эту работу называют работой электрического тока.

Если обе части формулы

RI = U,

выражающей закон Ома для однородного участка цепи с сопротивлением R, умножить на IΔt, то получится соотношение

RI2Δt = UIΔt = ΔA.

Это соотношение выражает закон сохранения энергии для однородного участка цепи.

Работа ΔA электрического тока I, протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R, преобразуется в тепло ΔQ, выделяющееся на проводнике.

ΔQ = ΔA = RI2Δt.

Заметим, что неподвижному. А электролит субстанция подвижная, следовательно, перенос массы существует. И следовательно производится еще внутренняя  работа тока по переносу массы как составная часть закона. Но в него не включенная. Также не учитываются потери на создание магнитного поля проводником и естественное излучение постоянного магнитного потока.

 Таким образом, закон Джоуля-Ленца отражает лишь пропорциональную зависимость выделения лишь тепла и считаться работой и энергией в полной мере не может.  В качестве работы и энергии предлагается использовать саму силу тока. См.Ньютон

-------------------------------------------------------------------------------

Да и в качестве мощности использовать именно силу тока.   А произведение силы на время, будет не только электрическим импульсом, но и импульсом механическим.

 

Что само по себе является объединением механики с электродинамикой без всяких квантовых заморочек.

 

 

=====поправка------

Выделение цветом .Это было мое первоначальное мнение. Но логика подсказывает следующее.

Понятие энергии было введено после Ньютона усилиями Кориолиса, и Ж. Понселе, как выяснилось, совершенно напрасно и ошибочно. Истинное значение энергии это мера активности или подвижности, что вполне можно ассоциировать с количеством движения или скоростью и ускорением на пути движения.

Вообще понятие мощности и силы в русском языке это одно и тоже, синонимы.

То есть в качестве меры энергии надо использовать именно импульс, как меру количества движения, меру подвижности. Тогда закон сохранения энергии и будет законом сохранения импульса. А в качестве мощности и работы надо использовать саму силу, как меру скорости изменения подвижности.

 

Точнее работа не является понятием физическим, а является эквивалентом счета. То есть логическое и математическое понятие как факт, но не как количество затраты энергии.

Далее это распространено Марксом и на экономику:   Деньги – эквивалент работы.  Труда.

Закон преобразования работы тока в тепло был экспериментально установлен независимо друг от друга Дж. Джоулем и Э. Ленцем и носит название закона Джоуля–Ленца.

Но только для металлических проводников в неподвижном (ли?) состоянии. А не двигается ли сам проводник под действием тока.

Оказывется , жидкий электролит приходит в движение. Двигается и есть хороший пример этого движения при больших токах – движение проводов при электросварке. Да и еще множество опытов с движением проводников. Например, Весы Ампера. Пример: рельсотронный двигатель.

 

 

Дальше вся практическая работа повелась в плане поиска доказательств существования частицы.

 

Теперь об отношении заряда этого электрона к массе.

Сначала история.

 

читать полностью http://fatyf.narod.ru/ELECTRON.htm

 

 

 



Создан 01 июл 2014