Електроенергія та електрохімія
- Page ID
- 24682
Навички для розвитку
- Розрізняють статичну і поточну електрику
- Опишіть електростатичну силу і закон Кулона
- Визначте іонні сполуки, електроліт та компоненти електроліту
- Охарактеризуйте електроліз та дуалістичну теорію Берцеліуса
Найбільш ранні дослідження електрики зосереджені на електростатиці. Статична електрика може вироблятися, коли певні матеріали стираються разом, наприклад, шовк або волосся на деяких металах або пластмасах (це називається трибоелектричним ефектом). Це призводить до поділу заряду, з позитивним зарядом на шовку або волоссі і негативним зарядом на металі або пластиці. Ви, напевно, помітили, як це може призвести до того, що речі прилипають один до одного, якщо вони мають протилежні звинувачення, і ви також можете спостерігати, що ті ж заряди будуть відштовхувати один одного. Бенджамін Франклін (один з небагатьох ранніх американських вчених) припустив, що позитивні та негативні заряди виникли внаслідок того, що однакова «електрична рідина» занадто багато або занадто мало.
Електростатичну силу вивчали багато вчених, деякі з яких припустили, що вона дотримується закону, подібного закону Ньютона для гравітації, але Кулон отримує за це заслугу, тому що він зробив багато експериментів, які покращили розуміння. У 1785 році він опублікував закон в його нинішньому вигляді. Рівняння таке:
\[F=\frac{kQq}{r^{2}}\]
де F - сила, k - постійна, Q і q - два заряди, а r - відстань між Q і Q. подібні заряди (+/+ або -/-) відштовхують і протилежні заряди (+/-) притягують.
Поточна електрика, як і електроенергія, яка використовується в будь-якому електроприладі сьогодні, була виявлена трохи пізніше. Гальвані вивчав фізіологію, і помітив, що ноги мертвих жаб сіпаються при контакті з двома різними металами. Він приписував це «тваринному електриці». Вольта зробив ще багато експериментів і виявив, що тварини непотрібні для ефекту. Він поклав між дисками двох різних металів аркуш паперу, змочений в морській воді (електроліт, тому що він проводить електрику), потім з'єднав метали дротом і помітив, що протікає електричний струм. Коли він укладав їх один на одного, чергуючи метали, ефект посилювався. Цей пристрій для генерації струму стало називатися «вольтаїчної палею».
Вольта опублікував свої стопні звіти в 1800 році. Того ж року двоє англійських вчених опублікували свої результати розщеплення води на водень і кисень за допомогою Voltaic купи. Це приклад електролізу, який означає використання електрики для руйнування хімічних сполук.
Хамфрі Деві був вченим і популярним лектором, який виявив «сміється газ» або закис азоту, який досі використовується лікарями і стоматологами. Він зробив багато електрохімічних досліджень після 1800 року. Він помітив, що під час електролізу різних сполук навколо негативного полюса з'являються водень, метали або основи, а навколо позитивного полюса з'являється кисень або кислота. Виходячи з цього, він здогадався, що може використовувати електрику для розриву хімічних зв'язків. Сильні основи KOH і NaOH (гідроксид калію і гідроксид натрію) були відомі давно. (Основа нейтралізує кислоту.) Вважалося, що натрій і калій є елементами, але не були виділені. Деві зміг ізолювати їх шляхом плавлення і електролізу твердого гідроксиду натрію і гідроксиду калію. Тверді основи не проводили електрику, але після розплавлення вони провели, а потім розділилися на блискучий метал і газ.
K і Na - лужні метали. Коли Деві ізолював їх, він виявив, що це легкі м'які метали, які енергійно і спонтанно реагують з водою і повітрям. Так що їх доводиться зберігати під маслом. Деві також виділив магній, кальцій, стронцій та барій (Mg, Ca, Sr та Ba) за допомогою злегка модифікованої процедури за участю ртуті. Це лужноземельні метали. Вони також є м'якими, легкими металами, але вони не настільки реактивні, як лужні метали.
Берцеліус був дуже впливовим хіміком, який дуже наполегливо і дуже ретельно працював над визначенням атомних ваг, не використовуючи закон Гей-Люссака або гіпотезу Авогадро, і про якого ми згадували раніше, оскільки він ввів ідею ізомерії. Він також зробив багато електрохімічних досліджень і взяв гіпотезу Деві, що хімічне та електричне тяжіння є тією ж силою, набагато далі. Його дуалістична теорія говорила: елементи мають позитивну або негативну полярність, а хімічні реакції частково нейтралізують цю полярність. Наприклад:
Cu (позитивний) + O (негативний) → CuO (приблизно нейтральний)
Він використовував терміни електропозитивні і електронегативні, які використовуються і сьогодні з дещо іншим значенням. Він вважав, що кисень є найбільш електронегативним елементом, тоді як метали, як правило, електропозитивні. Він також вважав полярність елемента на спектрі, так що сірка, наприклад, була позитивною по відношенню до кисню і негативною по відношенню до металів. Таким чином, він міг поєднуватися з обома; це дуже відрізняється від сучасного розуміння кулонівської привабливості, оскільки він не мав чіткого почуття нейтралітету.
Іонні сполуки зазвичай складаються з металу і неметалу. Наприклад, сіль, і багато гірських порід, є іонними сполуками. Вони відрізняються від молекулярних сполук тим, що не мають різних молекул, які випаровуються як одиниця. Вони утримуються разом звинуваченнями, не зовсім так, як думав Берцелій, але досить близько, щоб його теорія спрацювала на них.
Однак теорія Берцеліуса не спрацювала добре для молекулярних сполук! Він сказав, що Авогадро повинен помилятися, оскільки два атоми кисню (O) мали б однакову полярність і таким чином відштовхували один одного. Тепер ми знаємо, що хімічне склеювання складніше, ніж зрозумів Берцеліус. Атоми O не відштовхуються один від одного і утворюють двоатомну молекулу.
Теорія Берцеліуса затримала прогрес науки приблизно на 50 років, оскільки він не повірив гіпотезі Авогадро, яка була потрібна для наступного великого прориву в хімії.
Фарадей народився в бідній родині, і відкрив хімію під час роботи в книгарні, де ми працювали над «Розмовами з хімії» Джейн Марсет (одним з найпопулярніших підручників на той час, дивно, що його написала жінка). Він став помічником Деві, і став великим експериментатором. Він допоміг винайти слова, що використовуються для електрохімії, такі як іон, аніон, катіон, електроліт і електроліз. У той час аніон і катіон означали частини електроліту (сіль, яка використовується для створення водопровідної), які з'явилися у кожного електрода. Фарадей вивчав кількість струму, необхідного для отримання кількості продукту електролізу. Наприклад, струм, який виробляв 1 г водню, виробляв 8 г кисню, 36 г хлору, 125 г йоду, 104 г свинцю або 58 г олова. Фарадей називав аніони O, Cl і I, що означає, що вони були вироблені на позитивному полюсі, і Sn і Pb катіони, що означає, що вони були вироблені на негативному полюсі. Ці цифри могли б вирішити проблему атомних ваг, як і гіпотеза Авогадро, але Фарадей не цікавився атомними вагами чи теоріями, і Берцеліус, який був, не вірив електричним законам Фарадея, так само, як він не вірив гіпотезі Авогадро.
