Які речовини проводять електричний струм

2024
| Коментарів немає

10 прикладів електричних провідників та ізоляторів

Речі, які не проводять електрику, і речі, які проводять

  • Хімія
    • основи
    • Хімічні закони
    • Молекули
    • Періодична таблиця
    • Проекти та експерименти
    • Науковий метод
    • Біохімія
    • Фізична хімія
    • Медична хімія
    • Хімія в повсякденному житті
    • Відомі хіміки
    • Діяльність для дітей
    • Скорочення та акроніми

    Що робить матеріал провідником або ізолятором? Простіше кажучи, електричні провідники – це матеріали, які проводять електрику , а ізолятори – це матеріали, які не проводять. Те, чи речовина проводить електрику, визначається тим, наскільки легко через неї рухаються електрони.

    Електропровідність залежить від руху електронів, оскільки протони та нейтрони не рухаються — вони зв’язані з іншими протонами та нейтронами в атомних ядрах.

    Диригенти Vs. Ізолятори

    Валентні електрони схожі на зовнішні планети, що обертаються навколо зірки. Вони достатньо притягуються до своїх атомів, щоб залишатися на місці, але не завжди потрібно багато енергії, щоб збити їх з місця — ці електрони легко переносять електричний струм. Неорганічні речовини, такі як метали та плазма, які легко втрачають і приєднують електрони, очолюють список провідників.

    Органічні молекули здебільшого є ізоляторами, оскільки вони утримуються разом ковалентними (спільними електронними) зв’язками , а водневі зв’язки допомагають стабілізувати багато молекул. Більшість матеріалів не є ні хорошими провідниками, ні хорошими ізоляторами, а десь посередині. Вони погано проводять, але якщо надходить достатньо енергії, електрони рухатимуться.

    Деякі матеріали в чистому вигляді є ізоляторами, але будуть проводити, якщо в них додано невелику кількість іншого елемента або якщо вони містять домішки. Наприклад, більшість кераміки є чудовими ізоляторами, але якщо її легувати, можна створити надпровідник. Чиста вода є ізолятором, брудна вода проводить слабко, а солона вода з її вільно плаваючими іонами проводить добре.

    10 Електричні провідники

    Найкращим провідником електрики за умов звичайної температури і тиску є металевий елемент срібло . Однак срібло не завжди є ідеальним вибором як матеріал, оскільки воно дороге та чутливе до потьмяніння, а оксидний шар, відомий як потьмяніння, не є електропровідним.

    Подібним чином іржа, зелень та інші оксидні шари знижують провідність навіть у найміцніших провідниках. Найбільш ефективними електропровідниками є :

    1. Срібло
    2. золото
    3. Мідь
    4. Алюміній
    5. Меркурій
    6. сталь
    7. Залізо
    8. Морська вода
    9. Бетонні
    10. Меркурій

    Інші сильні провідники включають:

    • Платина
    • Латунь
    • Бронза
    • Графіт
    • Брудна вода
    • Лимонний сік

    10 Електричні ізолятори

    Електричні заряди не протікають вільно через ізолятори. У багатьох випадках це ідеальна якість — міцні ізолятори часто використовуються для покриття або створення бар’єру між провідниками, щоб тримати електричний струм під контролем. Це можна побачити в прогумованих проводах і кабелях. Найбільш ефективними електроізоляторами є:

    1. Гумовий
    2. скло
    3. Чиста вода
    4. олія
    5. повітря
    6. діамант
    7. Суха деревина
    8. Суха бавовна
    9. пластик
    10. Асфальт

    Інші міцні ізолятори включають:

    Інші фактори, що впливають на провідність

    Форма і розмір матеріалу впливають на його провідність. Наприклад, товстий шматок матерії буде проводити краще, ніж тонкий шматок такого ж розміру та довжини. Якщо у вас є два шматки матеріалу однакової товщини, але один коротший за інший, коротший з них буде краще проводити, оскільки коротший шматок має менший опір, майже так само, як легше проштовхнути воду через коротку трубу, ніж довгий.

    Температура також впливає на провідність. З підвищенням температури атоми та їхні електрони отримують енергію. Деякі ізолятори, такі як скло, є поганими провідниками, коли охолоджені, але хорошими провідниками, коли вони гарячі; більшість металів є кращими провідниками в холодному стані та менш ефективними в гарячому стані. Деякі хороші провідники стають надпровідниками при надзвичайно низьких температурах.

    Іноді провідність сама змінює температуру матеріалу. Електрони проходять через провідники, не пошкоджуючи атоми та не викликаючи зношування. Однак рухомі електрони відчувають опір. Через це потік електричного струму може нагрівати провідні матеріали.

    § 10. ЕЛЕКТРОЛІТИ Й НЕЕЛЕКТРОЛІТИ. ЕЛЕКТРОЛІТИЧНА ДИСОЦІАЦІЯ

    Ще на зорі вивчення електричних явищ учені помітили, що струм можуть проводити не тільки метали, але й розчини. Але не будь-які. Так, водні розчини кухонної солі й інших солей, розчини сильних кислот і лугів добре проводять струм. Розчини оцтової кислоти, вуглекислого газу проводять його набагато гірше. А от розчини спирту, цукру й більшості інших органічних сполук електричний струм зовсім не проводять.

    Чому розчини одних речовин проводять електричний струм, а інші — ні?

    • Згадаємо, що таке електричний струм. Це потік заряджених частинок. Виходить, якщо розчин проводить електричний струм, то в ньому мають бути заряджені частинки. Звідки ж вони можуть узятися в розчині?

    ЕЛЕКТРОЛІТИ Й НЕЕЛЕКТРОЛІТИ

    Дослід «Дослідження речовин та їх водних розчинів на електричну провідність»

    Досліджувані речовини: кристалічний натрій хлорид, дистильована вода, розчин натрій хлориду, кристалічний цукор, розчин цукру, хлоридна кислота.

    Зберемо таке електричне коло (рис. 30):

    Рис. 30. Електричне коло для дослідження речовин на електричну провідність

    У склянку по черзі будемо поміщати різні речовини та вмикати джерело електричного струму. Якщо речовина струм проводить, лампочка буде горіти.

    Отже, кристалічний натрій хлорид — лампочка не горить, значить, ця кристалічна сіль електричний струм не проводить.

    • Дистильована вода — лампочка не горить, значить, чиста вода електричний струм не проводить.
    • Розчин натрій хлориду — лампочка горить, отже, цей розчин проводить електричний струм.
    • Кристалічний цукор — лампочка не горить, значить, кристалічний цукор електричний струм не проводить.
    • Розчин цукру — лампочка не горить, значить, розчин цукру електричний струм не проводить.
    • Хлоридна кислота — лампочка горить, отже, цей розчин проводить електричний струм.

    — У побуті ми завжди використовуємо воду, в якій розчинені певні речовини: солі, гази. З хімічної точки зору, це не вода, а розчин. Тому електричний струм вона проводить.

    Висновок: далеко не всі речовини та їх розчини проводять електричний струм. Причому кристалічна кухонна сіль електричний струм не проводить, а її розчин — проводить. Чому?

    За створення теорії електролітичної дисоціації Арреніус 1903 року був удостоєний Нобелівської премії з хімії.

    1887 року шведський фізик і хімік Сванте Арреніус, досліджуючи електропровідність водних розчинів, висловив припущення, що під час розчинення речовини розпадаються на заряджені частинки — йони, які можуть пересуватися до електродів — негативно зарядженого катода (катіони) і позитивно зарядженого анода (аніони). Це і є причина виникнення електричного струму в розчинах (рис. 31 і 32). Очевидно, чим більше йонів у розчині, тим краще він проводить електричний струм.

    Рис. 31. Під час розчинення (або розплавлення) речовини йони рухаються хаотично

    Рис. 32. Під час пропускання електричного струму катіони й аніони рухаються спрямовано — виникає електричний струм

    Речовини, які розпадаються в розчинах або розплавах на йони й завдяки цьому проводять електричний струм, називають електролітами.

    Речовини, які в розчинах і розплавах на йони не розпадаються і не проводять електричний струм, називають неелектролітами.

    • До електролітів належать речовини з йонними й ковалентними полярними зв’язками: кислоти, луги й розчинні солі, до неелектролітів — речовини, в молекулах яких є тільки ковалентні неполярні або малополярні зв’язки, наприклад більшість органічних сполук. Так як речовини розпадаються на йони під час розчинення у воді, то належність їх до електролітів можна визначити за таблицею розчинності. Якщо сіль, кислота або основа розчинна, то вона є електролітом.

    Дослід «Рух йонів у електричному полі»

    Можна побачити рух йонів до електродів, якщо вони забарвлені. Приєднаємо до батарейки два електроди й закріпимо їх на фільтрувальному папері.

    Попередньо змочимо папір водою, а ще краще водним розчином якого-небудь електроліту, наприклад кухонної солі. Помістимо посередині між електродами кристалик калій перманганату KMnO4 («марганцівки»). Через деякий час ми побачимо фіолетово-коричневу «доріжку» в напрямку до позитивно зарядженого електрода (рис. 33). Це рухаються забарвлені йони MnO – 4. Цей дослід можна провести з іншими забарвленими йонами, наприклад блакитними йонами Cu 2+ . Звичайно, ці йони будуть рухатися до негативно зарядженого електрода.

    Рис. 33. Рух йонів до електродів

    Яким чином речовини розпадаються на йони — пояснює теорія електролітичної дисоціації.

    ТЕОРІЯ ЕЛЕКТРОЛІТИЧНОЇ ДИСОЦІАЦІЇ

    Ми вже розглядали, як відбувається розчинення речовин у воді. Давайте стисло повторимо основні положення:

    • Молекула води має заряджені полюси, вона є диполем. Вода — полярний розчинник.
    • У воді добре розчиняються речовини з ковалентним полярним і йонним зв’язком.
    • Під час розчинення молекули води притягуються до часточок речовини, що розчиняється, — відбувається процес гідратації.
    • Під час гідратації виділяється енергія, яка використовується на розрив зв’язків у молекулах або кристалічних ґратках речовини, що розчиняється.
    • У розчин переходять гідратовані (оточені частинками води) частинки — молекули або йони.

    Так описують розчинення будь-яких речовин: і електролітів, і неелектролітів. Теорія електролітичної дисоціації включає ці самі положення, але тільки щодо електролітів. Таким чином, для розчинних речовин з йонними або ковалентними полярними зв’язками процеси розчинення і дисоціації — це одне й те саме.

    Теорію дисоціації застосовують не тільки до розчинів, але й до розплавів електролітів.

    Розпад електролітів на йони під час розчинення їх у воді або розплавлення називають електролітичною дисоціацією.

    «Електролітична» — це від слова «електроліт»;

    — «дисоціація» — від лат. dissociation «розподіл». Те саме слово англійською dissociation, німецькою Dissoziation має таке саме значення.

    Розглянемо малюнок, який ілюструє електролітичну дисоціацію речовин з йонним зв’язком:

    У закордонних підручниках хімії поряд із йонами, які містяться у водному розчині, поряд у дужках нижнім індексом пишуть (aq), наприклад Na + (aq), показуючи в такий спосіб, що йон гідратований. У наших підручниках так писати не прийнято, але ми маємо пам’ятати про це.

    Розглянути процес розчинення й дисоціації речовин із ковалентним полярним зв’язком можна на прикладі гідроген хлориду.

    Зв’язок H-Cl — ковалентний, полярний. Молекули HCl — диполі з негативним зарядом на атомі Cl і позитивним — на атомі Н. У водному розчині молекули HCl оточені з усіх боків молекулами води так, що позитивні полюси молекул H2O притягуються до негативних полюсів молекул HCl, а негативні полюси — до позитивних полюсів молекул HCl. У результаті зв’язок H – Cl додатково поляризується й розривається з утворенням гідратованих катіонів H + й аніонів Cl – . Диполі H2O ніби розривають молекули HCl на окремі йони.

    Дізнайтеся більше

    Йон H + — по суті протон — приєднується до молекули води, утворюючи йон гідроксонію H3O + . Йон гідроксонію, у свою чергу, може об’єднуватися з іншими молекулами води, утворюючи гідратовані йони, наприклад H5O + 2, H7O + 3, H9O + 4.

    Таким чином, унаслідок електролітичної дисоціації речовин у розчині утворюються йони, які обумовлюють його електропровідність.

    ПЕРЕВІРТЕ ВАШІ ЗНАННЯ

    • 131. Які речовини називають електролітами? Наведіть приклади.
    • 132. Які речовини називають неелектролітами? Наведіть приклади.
    • 133. Які положення включає теорія електролітичної дисоціації?
    • 134. Поясніть, чому розчини натрій гідроксиду й гідроген броміду проводять електричний струм.
    • 135. Які хімічні зв’язки в електролітах? неелектролітах?

    ВИКОНАЙТЕ ЗАВДАННЯ

    136. Електроліти — це речовини:

    • а) що складаються з йонів;
    • б) що у твердому стані проводять електричний струм;
    • в) розчини яких проводять електричний струм;
    • г) розчини й розплави яких проводять електричний струм.

    137. Речовини, що проводять електричний струм тільки в розплаві, мають:

    • а) атомні кристалічні ґратки;
    • б) молекулярні кристалічні ґратки;
    • в) йонні кристалічні ґратки;
    • г) атомні та йонні кристалічні ґратки.

    138. Речовини, що проводять електричний струм у розчині, мають:

    • а) ковалентний неполярний зв’язок;
    • б) ковалентний полярний зв’язок;
    • в) йонний і ковалентний полярний зв’язок;
    • г) йонний зв’язок.

    139. Виберіть зі списку йони, які будуть рухатися:

    • а) до позитивно зарядженого електроду — анода;
    • б) до негативно зарядженого електроду — катода.

    Йони: Mg 2+ , Cl – , SO 2- 4, Fe 3+ , Ni 2+ , NO – 3.

    140. Після випарювання всієї води з розчину калій хлориду масою 2000 г отримали суху сіль масою 4 г. Обчисліть масову частку солі у вихідному розчині.

Українцям