Объяснение:
Важнейшее применение электролиз находит в металлургической, химической промышленности и в гальванотехнике.
В химической промышленности методом электролиза получают различные продукты; к числу их относятся фтор, хлор, едкий натр, водород высокой степени чистоты, многие окислители, в частности пероксид водорода, пероксодисерную кислоту. Развивается электросинтез органических соединений.
В металлургической промышленности электролизом расплавленных соединений и водных растворов получают металлы (Си, Bi, Sn, Pb, Ni, Cd, Zn), а также производят электролитическое рафинирование — очистку металлов от вредных примесей и извлечение ценных компонентов.
Электролизом расплавов получают металлы, имеющие сильно отрицательные электродные потенциалы, и некоторые их сплавы.
При высокой температуре электролит и продукты электролиза могут вступать во взаимодействие друг с другом, с воздухом, а также с материалами электродов и электролизера.
Электролитом обычно служат не индивидуальные расплавленные соединения, а их смеси. Важнейшим преимуществом смесей является их относительная легкоплавкость, позволяющая проводить электролиз при более низкой температуре.
В настоящее время электролизом расплавов получают алюминий, магний, натрий, литий, бериллий и кальций. Электролизом расплавленных сред получают некоторые тугоплавкие металлы.
Электролитическому рафинированию металлы подвергают для удаления из них примесей и для перевода содержащихся в них компонентов в удобные для переработки продукты. Из металла, подлежащего очистке, отливают пластины и помещают их в качестве анодов в электролизер. При прохождении тока металл подвергается анодному растворению — переходит в виде катионов в раствор. Далее катионы металла разряжаются на катоде, образуя осадок чистого металла. Содержащиеся в аноде примеси либо остаются нерастворенными, выпадая в виде анодного шлама, либо переходят в электролит, откуда периодически или непрерывно удаляются.
Электролитическому рафинированию подвергают медь, никель, свинец, олово, серебро, золото.
К гальванотехнике относятся гальваностегия и гальванопластика. Процессы гальваностегии представляют собой нанесение путем электролиза на поверхность металлических изделий слоев других металлов для предохранения этих изделий от коррозии, для придания их поверхности твердости, а также в декоративных целях. Из многочисленных применяемых в технике гальванотехнических процессов важнейшими являются хромирование, цинкование, кадмирование, никелирование, меднение и др.
Сущность гальванического нанесения покрытий состоит в следующем. Хорошо очищенную и обезжиренную деталь, подлежащую защите, погружают в раствор, содержащий соль того металла, которым ее необходимо покрыть, и присоединяют в качестве катода к цепи постоянного тока; при пропускании тока на детали осаждается слой защищающего металла. Наилучшая защита обеспечивается мелкокристаллическими плотными осадками. Такие осадки обладают, кроме того, лучшими механическими свойствами.
Гальванопластикой называются процессы получения точных металлических копий с рельефных предметов электроосаждением металла. Путем гальванопластики изготовляют матрицы для прессования различных изделий, матрицы для тиснения кожи и бумаги, печатные радиотехнические схемы. К гальванотехнике относятся также другие виды электрохимической обработки поверхности металлов: электрополирование стали, оксидирование алюминия, магния. Последнее представляет собой анодную обработку металла, в ходе которой определенным образом изменяется структура оксидной пленки на его поверхности. Это приводит к повышению коррозионной стойкости металла. Кроме того, металл приобретает при этом красивый внешний вид.
Неравномерное распределение неравновесных носителей зарядов сопровождается их диффузией в сторону меньшей концентрации. Такое движение обусловливает появление электрического тока, называемого диффузионным. Этот ток, так же как и ток проводимости, может быть электронным и дырочным. Главной характеристикой диффузии служит плотность диффузионного тока iдиф - количество носителей заряда, переносимых в единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению переноса. Плотности диффузионных токов определяются законом Фика:
Плотность диффузионного тока
Где
q - заряд носителя;
Dn, Dp - коэффициенты диффузии;
dn/dx, dp/dx - градиенты концентрации;
Градиент концентрации характеризует, насколько сильно изменяется концентрация носителей вдоль оси x (т.е. каково изменение концентрации на единицу длины). Если разности нет, то градиент равен нулю и ток диффузии не возникает. Чем больше изменение концентрации на данном расстоянии, тем больше ток диффузии.
Коэффициенты диффузии - это количество носителей заряда, пересекающих в единицу времени единичную площадку, перпендикулярную к выбранному направлению, при градиенте концентрации в этом направлении, равном единице. Эти величины связаны с параметрами дрейфового движения соотношением Эйнштейна:
Связь коэффициентов диффузии с подвижностью носителей (соотношения Эйнштейна)
Где
D - коэффициент диффузии;
μ - подвижность заряженных частиц;
Эти условия выполняются только для невырожденных полупроводников.
φт называется тепловым потенциалом.
Влияние температуры на коэффициент диффузии. Как видно из приведённой формулы, с увеличением температуры возрастает температурный потенциал. Это приводит к увеличению значения коэффициента диффузии.
Зависимость коэффициента диффузии от температуры
Где D0 - коэффициент диффузии при температуре T0.
От типа заряда коэффициент диффузии зависит, так как у электронов и дырок разные значения подвижности. Всё зависит от конкретного случая, см. подвижность носителей заряда. В первую очередь подвижность зависит от эффективной массы носителей заряда. Кроме того, как правило, подвижность электронов выше, чем подвижность дырок. Материал полупроводника также влияет на подвижность заряженных частиц. Так, в германии подвижность частиц выше, чем в кремнии, следовательно, для германия коэффициент диффузии будет выше. Зависимость от концентрации примесей можно определить следующим образом:
Зависимость коэффициента диффузии от концентрации примесей
Где D0 - коэффициент диффузии при концентрации примесей N0.
Диффузионная длина - это расстояние, на котором плоский диффузионный поток неравновесных носителей заряда (в отсутствие электрического поля) уменьшается в e раз. Имеет смысл среднего расстояния, на которое смещаются носители заряда вследствие диффузии за время их жизни:
Диффузионная длина
Из данной формулы видно, что диффузионная длина зависит от коэффициента диффузии. Изменение различных условий приводит к изменению коэффициента диффузии, вследствие чего изменяется диффузионная длина.
