Вещества которые не проводят электрический ток называются: Классификация веществ по способности проводить электрический ток

Глава 19. Проводники и диэлектрики в электрическом поле

В школьном курсе физики есть раздел, посвященный электрическим свойствам проводников и диэлектриков и их поведению во внешнем электрическом поле. В необходимый минимум знаний по этому вопросу входит понимание явления электростатической индукции и его механизмов в проводниках и диэлектриках, а также умение находить в простейших ситуациях индуцированные в проводниках и диэлектриках заряды. Кратко рассмотрим эти вопросы.

В состав атомов входят заряженные частицы (электроны и протоны). Поэтому любое тело содержит огромное количество зарядов. Число протонов и число электронов в составе незаряженного тела одинаково, заряженное тело содержит разные количества протонов и электронов.

В зависимости от того, являются ли заряды внутри тела свободными или связанными, все вещества делятся на проводники, диэлектрики (или изоляторы) и полупроводники. В проводниках электрические заряды могут свободно перемещаться, и потому такие тела проводят электрический ток. К проводникам относятся все металлы, в которых носителями заряда являются «оторвавшиеся» от атомов валентные электроны (свободные электроны), а также растворы электролитов (кислот, щелочей и солей), в которых перемещаются положительные и отрицательные ионы.

В диэлектриках все заряды «привязаны» к покоящимся атомам и не могут перемещаться. Поэтому диэлектрики не проводят электрический ток. К диэлектрикам, например, относятся: газы, пластмассы, эбонит, резина, дистиллированная вода.

Вещества, занимающие по своей проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектриками, называются полупроводниками. Типичными полупроводниками являются кристаллические германий и кремний. В полупроводниках свободные носители заряда есть, но их мало. Не следует, однако, думать, что полупроводники являются просто «плохими» проводниками или «плохими» изоляторами. Промежуточная проводимость полупроводников приводит ко многим необычным их свойствам, которые отличают полупроводники как от проводников, так и от диэлектриков. С этими свойствами связаны многие применения полупроводников в технике.

При помещении проводника в электрическое поле свободные носители заряда внутри проводника перемещаются и на его поверхности образуются области положительного и отрицательного заряда. Такое явление разделения зарядов в проводнике под действием внешнего электрического поля называется электростатической индукцией или поляризацией проводника. В результате поляризации электрическое поле в пространстве изменяется и становится равным сумме внешнего поля и поля индуцированных зарядов. Можно доказать, что перемещение зарядов в проводнике будет происходить до тех пор, пока суммарное поле внутри проводника не станет равным нулю, а на его поверхности — перпендикулярным поверхности.

Такое свойство проводника позволяет находить индуцированные на его поверхности заряды. Для этого нужно ввести эти заряды как некоторые неизвестные величины, затем найти поле, создаваемое этими зарядами и суммарное поле, равное векторной сумме внешнего поля и поля индуцированных зарядов, приравнять суммарное поле внутри проводника к нулю. Решение полученного уравнения и позволит найти индуцированные заряды.

В диэлектрике поляризация также происходит, однако механизмы этого явления — другие. Как правило, молекулы диэлектрика являются полярными, т.е. какая-то область молекулы заряжена положительно, какая-то — отрицательно. При помещении диэлектрика во внешнее поле молекулы поворачиваются, и на определенные участки поверхности диэлектрика «выходят» своими положительными областями, на другие — отрицательными. В результате на поверхности диэлектрика образуются области положительного и отрицательного заряда, но при разрезании диэлектрика (в отличие от разрезания проводника) получившиеся части будут незаряженными. Благодаря поляризации диэлектрика поле в нем ослабляется, но не становится равным нулю. Характеристика диэлектрика , которая показывает, во сколько раз ослабляется поле в нем, называется диэлектрической проницаемостью.

Рассмотрим в рамках данного фактического материала задачи первой части.

В задаче 19. 1.1 из нижеперечисленного списка веществ проводником электрического тока является металл — свинец (ответ 3).

В задаче 19.1.2 диэлектриком является мел (ответ 1; алюминий и железо — металлы, т.е. проводники тока, в водопроводной воде растворены различные соли в таком количестве, что она является прекрасным проводником электрического тока).

Как отмечалось ранее, при внесении металлического тела в электрической поле (задача 19.1.3) на поверхности тела индуцируются электрические заряды, сумма которых равна нулю. Все остальные предложенные ответы неверны: для приобретения электрического заряда телу нужно сообщить или забрать у него электроны, заряды не могут индуцироваться в объеме проводника — их невозможно там удержать.

Взаимодействие между зарядом и незаряженным диэлектрическим телом возникает (задача 19.1.4), причем это взаимодействие –— притяжение (ответ 2). Это взаимодействие возникает благодаря поляризации: из-за ориентации молекул диэлектрика часть поверхности тела, обращенная к заряду, приобретает заряд противоположного знака, дальняя от заряда часть поверхности тела — заряд того же знака (см. рисунок).

Поэтому возникнет две силы — притяжение близких участков и отталкивание дальних. Но поскольку индуцированные заряды — одинаковы по величине, а кулоновское взаимодействие убывает с ростом расстояния, притяжение сильнее отталкивания, и тело будет притягиваться к заряду.

После соединения проводником (задача 19.1.9) два металлических тела и соединяющий проводник будут представлять собой единое проводящее тело. Поэтому потенциалы любых точек этого тела должны быть одинаковы. Следовательно, выровняются потенциалы сфер (ответ 1).

В задачах с заземлением (задача 19.1.10) рассматривается следующая модель Земли: это проводящий шар с размерами, много большими размеров любых тел, имеющихся в задаче. Поэтому для потенциала Земли можно использовать формулу (18.8), которая для любых зарядов, с которыми мы имеем дело, дает нулевой результат. Поэтому при заземлении тела его потенциал становится равным нулю (ответ 2).

Сила взаимодействия противоположных электрических зарядов при внесении между ними диэлектрической пластинки (задача 19.2.1) увеличится (ответ 2). Действительно, в поле зарядов на поверхности пластинки будут индуцироваться заряды: ближе к положительному — минусы, ближе к отрицательному — плюсы (см. рисунок). В результате на каждый точечный наряду с той же самой силой притяжения к другому заряду (а она, конечно, не меняется, ведь принцип суперпозиции говорит о том, что все заряды взаимодействуют независимо) будут действовать две дополнительные силы. Это будет сила притяжения к зарядам того же знака и отталкивания от зарядов противоположного. А поскольку заряды противоположного знака ближе, сила притяжения будет больше. Возникновение дополнительной силы, направленной к пластинке, будет восприниматься как увеличение силы притяжения.

Как отмечалось выше (задача 19.1.7) потенциал электрического поля во всех точках проводящего тела одинаков. Поэтому можно ввести понятие потенциала проводящего тела, который определяется как потенциал электрического поля в любой точке этого тела. Поэтому для потенциала металлического шара из задачи 19.2.2 имеем , где , — заряд шара, — его радиус. Потенциал поля шара на расстоянии двух радиусов от его поверхности и, следовательно, трех радиусов от центра шара равен , т.е. одной трети от потенциала шара. Отсюда находим В (ответ 2).

Потенциал каждой капли ртути (задача 19.2.3) равен , где , — заряд капли, — ее радиус. После слияния заряд большой капли равен , а радиус , где — число капель (последнее следует из того, что объем большой капли равен сумме объемов капель). Отсюда находим потенциал большой капли

(ответ 2).

Поскольку после соединения шары будут представлять собой единое металлическое тело (задача 19.2.4), то заряд разделится между ними так, что потенциалы шаров будут одинаковы. Поэтому для зарядов шаров и выполнено условие

Отсюда находим (ответ 4).

Согласно принципу суперпозиции потенциал каждой точки складывается из потенциала, создаваемого в этой точке всеми зарядами. Поэтому потенциалы и внутренней и внешней сферы (задача 19.2.5) создаются зарядами внутренней и внешней сфер. А поскольку потенциал в любой точке внутри сферы определяется ее радиусом сферы (см. (18.8)), получаем

Аналогично находим потенциал внешней сферы

Отсюда находим

(ответ 3).

Чтобы найти разность потенциалов между двумя проводниками нужно мысленно перенести пробный заряд с одного из них на другой, найти работу, совершаемую электрическим полем при этом, разделить работу на величину пробного заряда. В задаче 19.2.6 между пластинками будет однородное поле с напряженностью . Поэтому работа поля над пробным зарядом при его перемещении с одной пластинки на другую есть . С другой стороны, работа поля следующим образом связана с разностью потенциалов . Отсюда находим разность потенциалов пластин

(ответ 3).

Поскольку напряженность поля между двумя параллельными пластинками, заряженными одинаковым зарядом равна нулю (см. задачу 18.2.8), то при перенесении пробного заряда с одной пластины на другую поле не совершает работу. Следовательно, разность потенциалов между такими пластинками в задаче 19.2.7 равна нулю (ответ 4).

В задаче 19.2. 8 заряды распределятся только по внешней поверхности полого шара (если бы весь заряд или какая-то его часть находилась на внутренней поверхности, то в объеме проводника было бы электрическое поле, чего быть не должно). А поскольку заряд, расположенный на поверхности сферы, создает поле только снаружи этой сферы, то напряженность будет отлична от нуля только в области 3. Поэтому правильный ответ в задаче — 4.

В задаче 19.2.9 заряды индуцируются и на внешней и на внутренней поверхностях полого шара, причем их сумма равна нулю. Результирующее поле будет создаваться центральным зарядом и индуцированными зарядами, которые, фактически, представляют собой равномерно заряженные сферы. А поскольку поле сферы равно нулю внутри этой сферы, то суммарное поле в полости (в области 1) равно полю точечного заряда, т.е. не равно нулю. Внутри металлического тела (в области 2) поле равно нулю, как и внутри любого проводника. Снаружи шара поля индуцированных зарядов компенсируют друг друга, поэтому суммарное поле равно полю точечного заряда, т. е. не равно нулю. Поэтому правильный ответ в этой задаче — 2.

В задаче 19.2.10 на внешней и внутренней поверхности сферической оболочки будут индуцироваться такие заряды, что суммарное поле (внешнее плюс поле индуцированных зарядов) внутри оболочки будет равняться нулю. Пусть на внутренней поверхности будет индуцирован заряд — , тогда на внешней поверхности будет индуцирован заряд . Поле внутри оболочки (в области 2) будет создаваться только точечным зарядом и зарядами внутренней поверхности (заряд внешней поверхности благодаря ее сферичности в этой области электрического поля не создает). С другой стороны это поле равно нулю. Отсюда заключаем, что заряд внутренней поверхности оболочки противоположен по знаку центральному точечному заряду и равен ему по величине . Следовательно, заряд внешней поверхности оболочки центральному заряду (ответ 1).

Теория электролитической диссоциации (ТЭД) — что это такое? Основные положения и примеры

Что такое электролитическая диссоциация

Как известно, электрический ток — это направленное движение свободных электронов или ионов, т. е. заряженных частиц. В растворах электролитов, проводящих ток, за это отвечают свободные ионы.

В 1882 году шведский химик С. Аррениус при изучении свойств растворов электролитов обратил внимание, что они содержат больше частиц, чем было в сухом веществе. Например, в растворе хлорида натрия 2 моля частиц, а NaCl в сухом виде содержит лишь 1 моль.

Это позволило ученому сделать вывод, что при растворении таких веществ в воде в них появляются свободные ионы. Так были заложены основы теории электролитической диссоциации (ТЭД) — в химии она стала одним из важнейших открытий.

Электролитическая диссоциация — это процесс, в ходе которого молекулы электролитов взаимодействуют с водой или другим растворителем и распадаются на ионы. Она может иметь обратимый или необратимый характер. Обратный процесс называется моляризацией.

Благодаря диссоциации растворы электролитов обретают способность проводить ток. Сванте Аррениус не смог объяснить, почему разные вещества сильно отличаются по электропроводности, но это сделал Д. И. Менделеев. Он подробно описал процесс распада электролита на ионы, который объясняется его взаимодействием с молекулами воды (или другого растворителя).

Схема электролитической диссоциации: KA ⇄ K⁺ (катион) + A^— (анион).

Уравнение диссоциации на примере хлорида натрия: NaCl ⇄ Na⁺ + Cl^—.

Говорите правильно 🤓

Иногда можно встретить выражение «теория электрической диссоциации», но так говорить не стоит. В этом случае можно подумать, что распад молекул на ионы обусловлен действием электротока. На самом деле процесс диссоциации не зависит от того, проходит ток в данный момент через раствор или нет. Все, что нужно — это контакт электролита с водой (растворителем).

Практикующий детский психолог Екатерина Мурашова

Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков

Механизм электролитической диссоциации

При контакте с водой или другими растворителями диссоциации подвержены все вещества с ионной связью. Также распадаться на ионы могут вещества с ковалентной полярной связью, которая под действием воды переходит в ионную, а после разрушается.

Механизм диссоциации электролитов удобно рассматривать на примере хлорида натрия NaCl. Его кристаллическая решетка образована катионами натрия Na⁺ и анионами хлора Cl^—, которые удерживаются вместе благодаря ионной связи. При растворении в воде каждый кристалл хлорида натрия окружают ее молекулы.

Отметим, что молекулы воды — это диполи. На одном конце они несут атомы водорода с частичным положительным зарядом, а на другом — атомы кислорода с частичным отрицательным. Соответственно, атомы кислорода притягиваются к катионам натрия, а атомы водорода — к анионам хлора. Эта сила электростатического притяжения ослабляет и в итоге разрывает ионную связь между натрием и хлором. Вещество диссоциирует на ионы.

После распада хлорида натрия образовавшиеся ионы Na⁺ и Cl^— окружают молекулы воды, создавая гидратную оболочку. Ионы с такой оболочкой называют гидратированными.

Если вместо воды был использован другой растворитель — например, этанол, его молекулы создают сольватную оболочку. В этом случае ионы называются сольватированными.

Сущность процесса электролитической диссоциации передает схема:

Электролиты и неэлектролиты

Хотя электролитическая диссоциация происходит независимо от действия электротока, между этими явлениями есть связь. Чем выше способность вещества распадаться на ионы при взаимодействии с растворителем, тем лучше оно проводит электроток. По такому критерию известный физико-химик М. Фарадей выделил электролиты и неэлектролиты.

Электролиты — это вещества, которые после диссоциации на ионы в растворах и расплавах проводят электроток. Обычно в их молекулах ионные или полярные ковалентные связи.

Неэлектролиты — это вещества, которые не распадаются на ионы в растворах и расплавах, а значит, не обладают проводимостью в растворенном виде. Для них характерны ковалентные неполярные или слабополярные связи.

Степень диссоциации

В зависимости от того, сколько молекул диссоциировало на ионы, вещество может быть сильным или слабым электролитом. Этот показатель называется степенью диссоциации, его измеряют от 0 до 1 либо в процентах.

Степень диссоциации — это отношение количества распавшихся на ионы молей вещества к исходному количеству молей.

или .

Если в растворе на ионы распадаются все 100% электролита, .

По силе электролиты делятся на следующие группы:

• слабые — ;

• средние — ;

• сильные — .

Важно!

Молекулы сильных электролитов необратимо распадаются на ионы, поэтому в уравнениях нужно ставить знак =. Реакции со слабыми электролитами обратимы, поэтому ставится знак ⇄.

Бесплатные занятия по английскому с носителем

Занимайтесь по 15 минут в день. Осваивайте английскую грамматику и лексику. Сделайте язык частью жизни.

Ступенчатая диссоциация

В отдельных случаях вещества расщепляются на ионы в несколько этапов или ступеней. Например, такая реакция характерна для основных и кислых солей, многоосновных кислот. Ступенчатая диссоциация может включать два этапа и более, при этом на первой ступени концентрация ионов всегда больше, чем на последующих.

Пример 1

Ортофосфорная кислота диссоциирует в 3 ступени. На первой из них наблюдается максимальная концентрация дигидрофосфат-ионов, а на последней остается минимальное количество фосфат-ионов (диссоциация почти не идет). Данная кислота не относится к сильным электролитам, поэтому реакция обратима.

1. H₃PO₄ ⇄ H⁺ + H₂PO₄^—

2. H₂PO₄^— ⇄ H⁺ + HPO₄^2-

3. HPO₄^2- ⇄ H⁺ + PO₄^3-

Суммарное уравнение: H₃PO₄ ⇄ 3H⁺ + PO₄^3-.

Пример 2

Кислая соль Ca(HCO₃)₂ диссоциирует в 3 ступени. Поскольку это сильный электролит, на первом этапе реакция необратима. На втором этапе распадается на ионы слабый кислотный остаток HCO₃^— и слабый электролит, поэтому реакция обратима.

1. Ca(HCO₃)₂ = Ca²⁺ + 2HCO₃^—

2. HCO₃^— ⇄ H⁺ + CO₃^2-

3. H⁺ + H₂O = H₃O⁺

Суммарное уравнение: Ca(HCO₃)₂ + 2H₂O = Ca²⁺ + 2H₃O⁺ + 2CO₃^2-.

Как диссоциируют разные группы веществ

Диссоциация кислот

Приводит к образованию катионов водорода H⁺ и отрицательно заряженных кислотных остатков:

HCl = H⁺ + Cl^—

H₂SO₄ = 2H⁺ + SO₄^2-

HNO₂ ⇄ H₊ + NO^2-

Многоосновные кислоты диссоциируют ступенчато:

1. AlOHCl₂ = AlOH²⁺ + 2Cl^—

2. AlOH²⁺ ⇄ Al³⁺ + OH^—

Диссоциация оснований

Происходит с образованием гидроксильных групп OH^— и положительно заряженных ионов металла. Сильные электролиты в растворах диссоциируют полностью, а слабые — ступенчато и обратимо.

Сильные основания:

NaOH = Na⁺ + OH^—

Слабые основания:

1. Cu(ON)₂ ⇄ CuOH⁺ + OH^—

2. CuOH⁺ ⇄ Cu²⁺ + OH^—

Диссоциация солей

Ведет к образованию катионов металлов (или катиона аммония) и отрицательно заряженных кислотных остатков.

Средние соли в растворах полностью распадаются в одну ступень.

Na₃PO₄ = 3Na + PO₄^3-

Кислые соли распадаются ступенчато. На первом этапе отделяются катионы металла, а на втором — катионы водорода.

1. KHSO₄ = K⁺ + HSO₄^—

2. HSO₄^— ⇄ H⁺ + SO₄^2-

Основные соли также диссоциируют в две ступени. На первой отделяются кислотные остатки, а за ними — гидроксильные группы OH^—.

1. MgOHBr = MgOH⁺ + Br^—

2. MgOH⁺ ⇄ Mg²⁺ + OH^—

Молекулярное, полное и сокращенное ионные уравнения

С помощью молекулярных уравнений можно показать состав вещества с разложением его на молекулы. Полные ионные уравнения отражают реакцию диссоциации, т. е. расщепление молекул на ионы. Но в таком виде расписывают только сильные электролиты.

Не раскладывают на ионы:

• слабые электролиты;

• осадки;

• газы.

Рассмотрим это на примере взаимодействия между нитратом свинца и серной кислотой.

Молекулярное уравнение: Pb(NO₃)₂ + H₂SO₄ → 2HNO₃ + PbSO₄↓

Сульфат свинца PbSO₄ мы не будем раскладывать на ионы, поскольку это слабый электролит.

Полное ионное уравнение: Pb²⁺ + 2NO₃^— + 2H⁺ + SO₄^2- → 2H⁺ + 2NO₃^— + PbSO₄↓

Сократить это выражение очень просто — нужно убрать из обеих частей одинаковые ионы, которые не изменились в ходе реакции.

Сокращенное ионное уравнение: Pb²⁺ + SO₄^2- → PbSO₄↓

Как составить уравнение диссоциации

В левой части пишем молекулярную формулу вещества, а в правой — формулы образовавшихся катионов и анионов. Между ними ставим знак =, если это сильный электролит, или знак ⇄ — если средний или слабый. После этого нужно проставить коэффициенты перед ионами и проверить сумму катионов и анионов (она всегда равна 0).

Основные положения теории электролитической диссоциации

Итак, мы разобрались, что такое диссоциация в химии, а сейчас повторим ключевые моменты:

• При взаимодействии с водой или другими растворителями в электролитах разрывается химическая связь между частицами и они распадаются на ионы — происходит электролитическая диссоциация.

• Под действием электротока катионы перемещаются к положительно заряженному электроду, анионы — к отрицательно заряженному. Раствор электролита обладает проводимостью.

• Степень диссоциации зависит от типа электролита и от внешних условий. Для сильных электролитов она необратима, для слабых — это обратимая реакция.

• Химические свойства электролитов соответствуют свойствам ионов, которые образовались при диссоциации.

Вопросы для самопроверки

1. Чем электролиты отличаются от неэлектролитов? Приведите примеры тех и других веществ.

2. Согласно теории диссоциации что является причиной распада электролитов на ионы?

3. Что такое степень диссоциации и как она измеряется?

4. В каких случаях электролитическая диссоциация кислот бывает ступенчатой?

5. При каких условиях в уравнении диссоциации ставится знак =, а при каких — знак ⇄?

6. Какие компоненты ионного уравнения не раскладываются на ионы?

Проводники

9.4.2: Электролиты и неэлектролиты – Химия LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• Анонимный
• LibreTexts

Цели обучения

• Дать определение электролитам и неэлектролитам
• Обсудите идею воды как «универсального растворителя».
• Объясните, как молекулы воды притягивают твердые ионы, когда они растворяются в воде.

Когда некоторые вещества растворяются в воде, они претерпевают физические или химические изменения, в результате которых в растворе образуются ионы. Эти вещества составляют важный класс соединений, называемых электролитами . Вещества, не дающие ионов при растворении, называются неэлектролитами . Если физический или химический процесс, который генерирует ионы, практически на 100% эффективен (все растворенные соединения дают ионы), то вещество известно как сильный электролит (хороший проводник). Если только относительно небольшая часть растворенного вещества подвергается процессу образования ионов, вещество является слабым электролитом (также не проводит электричество).

Вещества могут быть идентифицированы как сильные, слабые или неэлектролиты путем измерения электропроводности водного раствора, содержащего это вещество. Чтобы проводить электричество, вещество должно содержать свободно подвижные заряженные частицы. Наиболее знакомым является проведение электричества по металлическим проводам, и в этом случае подвижными заряженными объектами являются электроны. Растворы также могут проводить электричество, если они содержат растворенные ионы, причем проводимость увеличивается по мере увеличения концентрации ионов. Приложение напряжения к электродам, погруженным в раствор, позволяет оценить относительную концентрацию растворенных ионов либо количественно, измеряя протекание электрического тока, либо качественно, наблюдая за яркостью включенной в цепь лампочки (рис. \(\PageIndex {1}\)).

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Растворы неэлектролитов, таких как этанол, не содержат растворенных ионов и не могут проводить электричество. Растворы электролитов содержат ионы, обеспечивающие прохождение электричества. Электропроводность раствора электролита связана с прочностью электролита.

Вода и другие полярные молекулы притягиваются к ионам, как показано на рисунке \(\PageIndex{2}\). Электростатическое притяжение между ионом и молекулой с диполем называется ионно-дипольное притяжение . Они похожи на диполь-дипольные взаимодействия, которые обсуждались ранее, но часто сильнее из-за полного заряда ионов. Эти взаимодействия достаточно сильны, чтобы играть важную роль в растворении ионных соединений в воде.

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Когда хлорид калия (KCl) растворяется в воде, ионы гидратируются. Полярные молекулы воды притягиваются зарядами ионов K ⁺ и Cl ^— . Молекулы воды впереди и позади ионов не показаны.

Когда ионные соединения растворяются в воде, ионы в твердом веществе разделяются и равномерно распределяются по всему раствору, потому что молекулы воды окружают ионы и сольватируют их, уменьшая сильные электростатические силы между ними. Этот процесс представляет собой физическое изменение, известное как диссоциация. В большинстве случаев ионные соединения почти полностью диссоциируют при растворении, поэтому их относят к сильным электролитам.

Пример \(\PageIndex{1}\): определение ионных соединений

Какие соединения будут растворяться в растворе с разделением на ионы?

1. \(\ce{LiF}\)
2. \(\ce{P_2F_5}\)
3. \(\ce{C_2H_5OH}\)

Раствор

\(\ce{LiF}\) будет разделяться на ионы при растворении в растворе, потому что это ионное соединение.