ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
Электрохимия
Веприков В.И., кандидат технических наук, доцент филиала Донского государственного технического университета в г. Волгодонске Ростовской области
Веприков Ю.В., аспирант Института сферы обслуживания и предпринимательства (филиала) Донского государственного технического университета в г. Шахты Ростовской области Веприкова Ю.В., соискатель филиала Донского государственного технического университета в г. Волгодонске Ростовской области
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ПОСТОЯННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ВОДНОГО РАСТВОРА
ГИДРОСУЛЬФАТА МЕДИ
Исследуется влияние активации постоянным магнитным полем и лазерным излучением с разной энергией излучения на силу тока в водном растворе гидросульфата меди. В работе использовались диодные лазеры с постоянной мощностью Р = 100 мВт и с энергией излучения: (3,110-19; 3,710-19; 4,510-19) Дж, что соответствует длинам волн: 650 нм, 532 нм, 445 нм. Активация постоянным магнитным полем с индукцией в 50 мТл сила тока в растворе электролита увеличилась относительно силы тока в контрольном электролите в 1,13 раза; при активации красным лазером с энергией излучения в 3,110-19 Дж в ~1,02раза; при активации зелёным лазером с энергией излучения в 3,710-19Дж в ~1,05 раза; при активации синим лазером с энергией излучения в 4,510-19 Дж в ~1,12 раза.
Ключевые слова: лазерное излучение, магнитное поле, вольт-амперная зависимость раствора электролита.
THE STUDY OF THE INFLUENCE OF LASER RADIATION AND A CONSTANT MAGNETIC FIELD ON THE ELECTRICAL CONDUCTIVITY OF AN AQUEOUS SOLUTION OF HYDROSULPHATE OF COPPER
The e ffect of the activation of the static magnetic ^ field and laser radiation with different energy radiation on the strength of current in an aqueous solution of hydrosulphate of copper. We used a diode laser with constant power P = 100 mW and the energy of the radiation: (3,1 10-19; 3,710-19; 4,510-19) j, which corresponds to the wavelength: 650 nm, 532 nm, 445 nm. Activation of the static magnetic ^ field with an induction of 50 MT current in the electrolyte solution is increased relative to the current in the control electrolyte 1.13 times; when you activate the red laser radiation energy 3.110-19 j ~1.02 times; when you activate the green laser with the radiation energy 3.710-19 j ~1.05 times; when activated, a blue laser with a radiation energy of 4.510-19 j ~1.12 times
Keywords: laser radiation, magnetic field, current-voltage dependence of the electrolyte solution.
Постановка задачи исследования
Результаты применения магнитного поля и лазерных технологий для управления электрохимическими процессами публикуются в печати с 70-х годов прошлого века [1,
2]. Однако исследования относятся, в основном, к области электродных процессов [3]. Транспорт ионов вещества в объёме электролита является важнейшей стадией кинетики электрохимического процесса, поэтому исследования в этой области актуальны как в теоретическом, так и в прикладном плане. В данной работе анализ определяющих факторов, влияющих на транспорт ионов вещества в объёме раствора электролита, в первом приближении, основывал ся на модели раствора Дебая и Гюккеля. К основным факторам, влияющих на скорость транспорта относятся сила трения и концентрация ионов [4,5]. Поэтому основной целью работы была экспериментальная поверка методов воздействия на определяющие факторы транспорта ионов для увеличения скорости их движения
В модели Дебая и Гюккеля каждый ион, мигрирующий в объёме электрохимической ячейки, окружён ионной атмосферой с радиусом обратным характеристической длине R = 1/х, создающей при разрушении ионной атмосферы заряд противоположного знака позади центрального иона и тормозящего движение [4,5]. Рабочей гипотезой влияния постоянного магнитного поля на увеличение электропроводности является действие силы Лоренца [6,7] на заряды противоположного знака центрального иона и ионной атмосферы, приводящее к разрушению ионной атмосферы и уменьшению релаксационного торможения.
В основу применения лазерных технологий для активации раствора электролита положено предположение о влиянии энергии излучения лазера на степень электролитической диссоциации, которая должна возрастать с увеличением энергии излучения [7,8]. Степень диссоциации зависит от ряда факторов, которые в эксперименте являются постоянными: концентрации раствора, природы растворителя, температуры [9,10]. Переменным фактором, воздействие которого предполагает нарушение динамического равновесия между диссоциироваными и недиссоциированными молекулами раствора электролита является лазерная активация.
Экспериментальная часть
Элементы установки: кондуктометр WTW inoLab Cond 720 Set; электрохимическая ячейка для измерения электропроводности WTW TetraCon 325 с графитовыми электродами (постоянная ячейки K = 0,475 см-1); диодные лазеры: красный Р = 100 мВт, с длиной волны X = 650 нм, зелёный Р = 100 мВт с длиной волны X = 532 нм, синий Р = 100 мВт с длиной волны X = 445 нм; тесламетр ЭМ 4305; источник питания переменного тока APS-4331; источник постоянного магнитного поля - неодимовый магнит из сплава NdFeB.
Эксперимент проводился при температуре t = 200С, давлении Р = (758 ± 3) мм рт. ст. на 20% водном растворе гидросульфата меди (CuS04 5H20). При приготовлении раствора использовалась дистиллированная вода с показателями качества: удельная электропроводность как характеристика деминерализации равна 5,5 мкСм/см, водородный показатель рН = 5,8. После каждого вида измерений электроды промывались техническим этиловым спиртом (гост 17299-78) и дистиллированной водой.
В ходе эксперимента постоянными оставались: соотношение площадей анода и катода Sa : Sk = 1:1, объём электролита V = 100 мл. Квалификация чистоты реактивов -"ч.д.а.".
Методика экспериментальных исследований
В контрольной группе раствор электролита активирующему воздействию не подвергался; в группе магнитной активации на электролит действовало постоянное магнитное поле, направленное северным (N) полюсом магнита в сторону раствора электролита, т.е. магниты NdFeB располагались под дном ёмкости, северным полюсом вверх; в группе
лазерной активации раствор электролита подвергался однократному действию лазерного активатора, время облучения 60 секунд, после чего производились измерения. Равномерность засветки объёма раствора электролита при малом диаметре лазерного луча (Б = 3 мм), достигалась применением рассеивающих насадок. Угол падения луча лазера к поверхности раствора составлял 90°. Ёмкость с раствором при облучении оборачивалась алюминиевой фольгой.
Для набора статистики было проведено семь серий экспериментов, в которых было выполнено 56 измерений. Результаты измерений математически обработаны для определения достоверности различий, усреднённые результаты по семи сериям экспериментов представлены в графической форме на четырёх диаграммах.
Таблица 1
Экспериментальные результаты зависимости силы тока от напряжения при
лазерной и магнитной активации
Напряжение Контрольные результаты Лазерная активация красный лазер Энергия излучения вкр = 3,110-19 Дж Лазерная активация зелёный лазер Энергия излучения вкр = 3,710-19 Дж Лазерная активация синий лазер Энергия излучения вкр = 4,510-19 Дж Магнитная активация Индукция магнитного поля В = 50 мТл
и, В Сила тока I, А Сила тока I, А Сила тока I, А Сила тока I, А Сила тока I, А
2,3 3,02 3,01 3,07 3,06 3,07
2,2 3,00 3,00 3,05 3,06 3,07
2,1 2,90 2,94 3,04 3,06 3,07
2,0 2,78 2,83 2,94 3,06 3,07
1,9 2,63 2,69 2,79 2,98 3,02
1,8 2,49 2,54 2,64 2,83 2,87
1,7 2,35 2,41 2,49 2,67 2,71
1,6 2,22 2,27 2,34 2,52 2,56
1,5 2,08 2,13 2,20 2,36 2,4
1,4 1,94 1,99 2,04 2,2 2,24
1,3 1,80 1,85 1,9 2,03 2,07
1,2 1,66 1,7 1,75 1,88 1,92
1,1 1,53 1,56 1,61 1,72 1,76
1,0 1,39 1,41 1,46 1,57 1,61
0,9 1,25 1,28 1,32 1,41 1,45
0,8 1,11 1,13 1,17 1,25 1,29
0,7 0,97 0,98 1,01 1,08 1,12
0,6 0,83 0,84 0,86 0,93 0,95
0,5 0,69 0,69 0,70 0,76 0,79
0,4 0,55 0,57 0,55 0,61 0,63
0,3 0,40 0,42 0,4 0,45 0,47
0,2 0,26 0,27 0,26 0,3 0,3
0,1 0,12 0,12 0,12 0,14 0,14
2,3 3,02 3,01 3,07 3,06 3,07
3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5 0
0,5
1,5
2,5
и,в
Рис.1. Зависимость силы тока в водном растворе электролита от энергии лазерного излучения и постоянного магнитного поля
Здесь: ряд 1 - контрольные измерения; ряд 2 - активация красным лазером; ряд 3 -активация зелёным лазером; ряд 4 - активация синим лазером; ряд 5 - активация
постоянным магнитным полем.
Выводы по результатам экспериментов
1. Активация постоянным магнитным полем увеличивает силу тока в растворе электролита относительно контрольного электролита в 1,13 раза;
активация энергией излучения в 3,110-19 Дж в ~1,02 раза; активация энергией излучения в 3,710-19 Дж в ~1,05 раза; активация энергией излучения в 4,5 10-19 Дж в —1,12 раза.
2. Подтверждением правильности рабочей гипотезы о влиянии энергии излучения лазера на степень электролитической диссоциации, и, соответственно, на силу тока в растворе электролита является последовательное увеличение силы тока: при активации энергией излучения 4,5 10-19 Дж в —1,06 раза выше силы тока при активации энергией излучения 3,710-19 Дж, и в —1,1 раза выше силы тока при активации энергией излучения 4,5 10-19 Дж.
3. Научная ценность, полученных результатов заключается в соответствии опытных данных теоретическим положениям, лежащим в основе эксперимента, что создаёт предпосылки их практического применения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ю.Я. Лукомский, Ю.Я. Гамбург Физико-химические основы электрохимии, 2-еизд., испр. Учебники и учеб. пособ.д/ высшей школы /Лукомский Ю.Я., Гамбург Ю.Д., ИД «Интеллект», 2013-448 с.
2. В.И. Классен, Омагничивание водных систем, Химия, Москва, 1982. 238 с.
3. Н.И. Белая, А.В. Белый, Л.Н. Полищук, Л.Н., В.И. Кожокарь, А.М. Михальчук Практикум по электрохимии. Донецк: ДонНУ, 2010-114 с.
4. Л.И. Антропов, Теоретическая электрохимия. М.: Высшая школа, 1984. 512 с.
5. А. В. Абраменков,[и др.] Практикум по физической химии. Кинетика и катализ. Электрохимия. Учебное пособие для вузов / ред. В. В. Лунин, Е. П. Агеев . - М. : Акаде
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.