ENTLab
РусскийҚАЗ
← Все темы: Физика

Физика · теория к ЕНТ

Носители заряда в средах и закон Фарадея

В разных веществах ток создают разные частицы: электроны, ионы, дырки. От этого зависят свойства тока и формулы, например закон Фарадея для электролиза.

Потренировать эту темуС полным доступом — тренировка по этой теме, без него — бесплатный тест по предмету.

Что проверяет ЕНТ по этой теме

Раздел: 03 Электричество и магнетизм

Пункт спецификации НЦТ: 12 Электрический ток в различных средах

По нашей оценке, в варианте в среднем 1 задание по этой теме из 40.

Спецификация ЕНТ 2026 по этому предмету: темы и задания

Что нужно уметь

  • Называть носители заряда в металлах, электролитах, газах, вакууме и полупроводниках.
  • Рассчитывать массу вещества при электролизе и электрохимический эквивалент по закону Фарадея.
  • Объяснять, как сопротивление металлов и полупроводников зависит от температуры.

Кратко о главном

  • Металлы. Носители — свободные электроны; при нагревании сопротивление растёт.
  • Закон Фарадея. В электролитах ток переносят ионы обоих знаков. Масса вещества на электроде m = kq = kIt, k — электрохимический эквивалент, кг/Кл.
  • Электрохимический эквивалент. k = \frac{M}{nN_Ae}, где M — молярная масса, кг/моль, n — валентность иона, N_A — постоянная Авогадро, e — элементарный заряд.
  • Газы. Носители — ионы и электроны, их создаёт ионизация. Без внешнего ионизатора несамостоятельный разряд гаснет.
  • Вакуум. Носители — электроны, их обычно испускает нагретый катод (термоэлектронная эмиссия).
  • Полупроводники. Носители — электроны и дырки; при нагревании сопротивление падает. Донорная примесь даёт n-тип, акцепторная — p-тип; p–n-переход проводит ток в основном в одну сторону.

Задания с разбором

Из банка заданий ENTLab, не из вариантов НЦТ. Сначала попробуй решить, потом открой разбор.

Две электролитические ванны с растворами, содержащими ионы \mathrm{Ag^{+}} и \mathrm{Zn^{2+}}, соединены последовательно. На катоде первой ванны выделилось 2{,}16 г серебра. Масса цинка, выделившегося за то же время на катоде второй ванны, равна (M_{Ag} = 108 г/моль, M_{Zn} = 65 г/моль)
  • A)1{,}30 г
  • B)2{,}16 г
  • C)0{,}65 г
  • D)2{,}60 г
Ответ и разбор

Верный ответ: C

При последовательном соединении через обе ванны проходит одинаковый заряд. Количество вещества серебра: \nu_{Ag} = \frac{m_{Ag}}{M_{Ag}} = \frac{2{,}16}{108} = 0{,}02 моль. Ион \mathrm{Ag^{+}} переносит заряд e, а ион \mathrm{Zn^{2+}} — заряд 2e, поэтому тот же заряд нейтрализует вдвое меньше ионов цинка: \nu_{Zn} = 0{,}01 моль. Масса цинка: m_{Zn} = \nu_{Zn} M_{Zn} = 0{,}01\cdot 65 = 0{,}65 г. Вариант 1{,}30 г получится, если не учесть, что ион цинка двухвалентный: 0{,}02\cdot 65 = 1{,}3. Вариант 2{,}16 г получится, если решить, что в ваннах выделяется одинаковая масса; на самом деле одинаков заряд, а не масса. Вариант 2{,}60 г получится, если умножить на валентность, а не разделить на неё: 0{,}02\cdot 2\cdot 65 = 2{,}6.
Электрохимический эквивалент алюминия (валентность 3) равен (M = 27 г/моль, N_A = 6{,}02\cdot 10^{23} моль^{-1}, e = 1{,}6\cdot 10^{-19} Кл)
  • A)\approx 0{,}093 мг/Кл
  • B)\approx 0{,}28 мг/Кл
  • C)\approx 93 мг/Кл
  • D)\approx 0{,}84 мг/Кл
Ответ и разбор

Верный ответ: A

Электрохимический эквивалент — масса вещества, выделяющаяся при прохождении заряда 1 Кл, то есть отношение массы одного иона к его заряду: k = \frac{m_0}{q_0}. Переводим молярную массу: M = 27 г/моль = 0{,}027 кг/моль. Масса одного иона: m_0 = \frac{M}{N_A} = \frac{0{,}027}{6{,}02\cdot 10^{23}} \approx 4{,}49\cdot 10^{-26} кг. Заряд иона алюминия: q_0 = 3e = 3\cdot 1{,}6\cdot 10^{-19} = 4{,}8\cdot 10^{-19} Кл. Тогда k = \frac{4{,}49\cdot 10^{-26}}{4{,}8\cdot 10^{-19}} \approx 9{,}3\cdot 10^{-8} кг/Кл. Так как 1 мг/Кл = 10^{-6} кг/Кл, k \approx 0{,}093 мг/Кл. Ответ A. Неверные варианты: B — заряд иона приняли равным e, не учтя валентность: \frac{4{,}49\cdot 10^{-26}}{1{,}6\cdot 10^{-19}} \approx 2{,}8\cdot 10^{-7} кг/Кл \approx 0{,}28 мг/Кл, ответ втрое больше; C — молярную массу не перевели в кг/моль: \frac{27}{6{,}02\cdot 10^{23}} \approx 4{,}49\cdot 10^{-23}, это число приняли за массу иона в кг, и k \approx 9{,}3\cdot 10^{-5} кг/Кл \approx 93 мг/Кл; D — умножили на валентность вместо деления: \frac{3\cdot 4{,}49\cdot 10^{-26}}{1{,}6\cdot 10^{-19}} \approx 8{,}4\cdot 10^{-7} кг/Кл \approx 0{,}84 мг/Кл.

Типичные ошибки

  • Не учитывают валентность: ион \mathrm{Zn^{2+}} переносит заряд 2e, поэтому при том же заряде цинка выделяется вдвое меньше молей, чем одновалентного серебра.
  • Оставляют молярную массу в г/моль, а k в мг/Кл. Переводи: 27 г/моль = 0{,}027 кг/моль, 1 мг/Кл = 10^{-6} кг/Кл.
  • Считают, что в последовательно соединённых ваннах выделяется одинаковая масса. Одинаков прошедший заряд, а массы относятся как электрохимические эквиваленты веществ.
  • Переносят свойство металлов на полупроводники: при нагревании полупроводника число носителей растёт, и его сопротивление уменьшается, а не растёт.

Вопросы по теме

Почему сопротивление полупроводника уменьшается при нагревании?
При нагревании всё больше электронов получают энергию для отрыва от атома. Появляются свободные электроны, а в чистом полупроводнике и столько же дырок; концентрация носителей быстро растёт, и сопротивление падает. В металле число свободных электронов почти не меняется, а колебания ионов решётки усиливаются и мешают электронам, поэтому его сопротивление растёт.
Как найти массу вещества, выделившегося при электролизе?
По закону Фарадея m = kIt, где I — сила тока, t — время, k — электрохимический эквивалент вещества. Если k не дан, его находят по формуле k = \frac{M}{nN_Ae}. Можно считать и через количество вещества: прошёл заряд q = It, ион валентности n несёт заряд ne, значит, выделилось \nu = \frac{q}{nN_Ae} моль вещества и m = \nu M.
Потренировать эту тему

ENTLab пишет теорию своими словами на основе спецификации НЦТ. Мы не НЦТ и никак с ним не связаны.