Компания «Ваш репетитор» Электродинамика

14
Электрический ток в электролитах
Электролитом мы называем раствор (или расплав) вещества, через который может идти элек-
трический ток; при этом исходное вещество проводником тока не является.
Например, кристаллы поваренной соли NaCl не проводят ток. Дистиллированная вода —
тоже диэлектрик. Однако при растворении соли в воде получается среда, через которую ток
отлично проходит! Следовательно, солёная вода будет электролитом
23
.
Электролитами оказываются растворы солей, кислот и оснований. Прохождение тока через
эти растворы означает, что в них имеются свободные заряды. Откуда же они там берутся, если
ни в воде, ни в исходном веществе свободных зарядов не было?
14.1
Электролитическая диссоциация
Механизм, обеспечивающий появление свободных зарядов в электролите, называется электро-
литической диссоциацией. Мы ограничимся рассмотрением электролитической диссоциации в
растворах.
Вообще, диссоциация — это распад молекулы на составные части под влиянием тех или иных
факторов. В процессе электролитической диссоциации молекулы растворяемого вещества рас-
падаются на положительные и отрицательные ионы в результате действия электрических
сил со стороны молекул воды.
Многие свойства воды объясняются тем, что её молекулы являются полярными, то есть в
электрическом отношении ведут себя как диполи (напомним, что диполь — это система двух
одинаковых по модулю и противоположных по знаку зарядов, расположенных на небольшом
расстоянии друг от друга). Полярность молекул H
2
O обусловлена их геометрическим устрой-
ством (рис.
52
)
24
.
Рис. 52. Молекулы воды
Угол, образованный линиями центров атома кислорода и двух атомов водорода, составляет
примерно 104,5
◦
. Кроме того, электронные оболочки смещены в сторону кислорода. В результа-
те центры положительных и отрицательных зарядов оказываются пространственно разделён-
ными: «минусы» преобладают в кислородной части молекулы воды, а «плюсы» — в водородной
части.
Будучи диполями, молекулы воды создают вокруг себя электрическое поле и действуют
электрическими силами как друг на друга, так и на молекулы примесей
25
.
Почему же соли, кислоты и основания распадаются в воде на ионы? Всё дело в том, что
молекулы этих веществ также являются полярными. Давайте вернёмся к нашему примеру с
растворением поваренной соли NaCl.
23
Вот почему запрещено купаться во время грозы — в водоёмах всегда растворено некоторое количество солей.
При ударе молнии по воде пойдёт электрический ток.
24
Изображение с сайта
howyourbrainworks.net
.
25
Притягиваясь друг к другу противоположно заряженными частями, молекулы воды создают весьма прочные
связи. Вот почему столь велики удельная теплоёмкость и удельная теплота парообразования воды — на разрыв
этих связей требуется значительная энергия.
67

У атома натрия на внешнем электронном уровне находится один электрон. Он слабо связан с
атомом и всегда готов покинуть место своего обитания. У атома хлора на внешнем электронном
уровне семь электронов — одного как раз не хватает до полного комплекта. Атом хлора всегда
готов захватить себе недостающий электрон.
Поэтому при образовании молекулы NaCl внешний электрон атома натрия уходит к атому
хлора, и в результате молекула становится полярной — она состоит из положительного иона
Na
+
и отрицательного иона Cl
−
. Эта молекула схематически изображена на рис.
53
(атом хлора
крупнее, чем атом натрия).
Na
+
Cl
−
Рис. 53. Молекула NaCl
Иными словами, с электрической точки зрения молекула NaCl также оказывается диполем.
Взаимодействие двух сортов диполей — молекул H
2
O и NaCl — как раз и вызывает процесс
растворения.
На рис.
54
мы видим, как протекает этот процесс
26
. Более крупные зелёные шарики изоб-
ражают ионы хлора, более мелкие серые — ионы натрия.
Рис. 54. Электролитическая диссоциация: растворение NaCl в воде
Левая часть рисунка показывает ситуацию до начала растворения. Крупица соли в виде
небольшого кубического кристаллика
27
только что оказалась в воде.
Сразу же начинается «электрическая атака» со стороны молекул воды. Отрицательно за-
ряженные (кислородные) части молекул H
2
O обращаются к положительным ионам натрия, а
положительные (водородные) части молекулы воды — к отрицательным ионам хлора. Молеку-
лы NaCl начинают «растягиваться» разнонаправленными электрическими силами притяжения
к молекулам-диполям воды, и связь между ионами натрия и хлора, скрепляющая молекулу
соли, ослабевает.
В конце концов эта связь становится настолько слабой, что удары соседних частиц, совер-
шающих тепловое движение, разрушают молекулу NaCl. Она распадается на положительный
ион Na
+
и отрицательный ион Cl
−
.
26
Изображение с сайта
intro.chem.okstate.edu
.
27
Кристаллическая решётка поваренной соли имеет кубическую структуру. В вершинах куба в шахматном
порядке, крест-накрест расположены атомы натрия и хлора.
68

В правой части рис.
54
мы видим результат такого распада: вырванные из кристаллической
решётки ион хлора и ион натрия отправляются «в свободное плавание», окружённые прице-
пившимися к ним молекулами воды. Обратите внимание, что молекулы воды прилипли к отри-
цательному иону хлора своими положительными водородными частями, а к положительному
иону натрия, наоборот, повернулись их отрицательные кислородные части.
Таким образом, при растворении соли NaCl в воде появляются свободные заряды: положи-
тельные ионы Na
+
и отрицательные ионы Cl
−
(рис.
55
). Это и является необходимым условием
прохождения тока через раствор.
+
Na
+
Na
+
Na
−
Cl
−
Cl
−
Cl
Рис. 55. Раствор NaCl в воде
Описанный выше процесс растворения совершенно аналогично протекает и в случае других
примесей. Так, щёлочь KOH распадается в водном растворе на положительные ионы калия K
+
и
отрицательные ионы гидроксильной группы OH
−
. Молекула серной кислоты H
2
SO
4
при распаде
даёт два положительных иона H
+
и отрицательно заряженный ион кислотного остатка SO
2−
4
. В
растворе медного купороса CuSO
4
появляются положительные ионы меди Cu
2+
и отрицательно
заряженные ионы SO
2−
4
.
Все ли молекулы растворяемого вещества распадутся на ионы? Это зависит от ряда условий.
Степенью диссоциации называется отношение числа распавшихся молекул к общему началь-
ному числу молекул. При полном растворении вещества степень диссоциации равна 1.
Наряду с диссоциацией имеет место и обратный процесс: рекомбинация. А именно, две ча-
стицы противоположного знака могут встретиться и снова образовать нейтральную молекулу
(рекомбинировать). С течением времени в растворе устанавливается состояние динамического
равновесия: среднее число диссоциаций в единицу времени равно среднему числу рекомбина-
ций, в результате чего концентрация раствора остаётся неизменной (вспомните аналогичную
ситуацию с насыщенным паром: при динамическом равновесии пара и жидкости среднее чис-
ло вылетевших из жидкости молекул равно среднему числу молекул, вернувшихся обратно из
пара в жидкость, так что концентрация насыщенного пара неизменна).
Процессы диссоциации-рекомбинации записываются в виде следующих уравнений, отража-
ющих состояние динамического равновесия:
NaCl
Na
+
+ Cl
−
;
H
2
SO
4
2H
+
+ SO
2−
4
;
CuSO
4
Cu
2+
+ SO
2−
4
.
Изменение внешних условий может нарушить текущее динамическое равновесие и сместить
его в ту или иную сторону. Например, при повышении температуры увеличивается скорость
диссоциации, и концентрация положительных и отрицательных ионов в растворе возрастает.
69

14.2
Ионная проводимость
В металлах, как вы помните, имеется лишь один тип свободных зарядов — это свободные
электроны. В электролитах ситуация иная: здесь возникают свободные заряды двух типов.
1. Положительные ионы, образовавшиеся из атомов металлов или водорода.
2. Отрицательные ионы — атомные или молекулярные кислотные остатки (например, Cl
−
или SO
2−
4
), а также гидроксильная группа OH
−
.
Второе отличие от металлов заключается в том, что носители свободных зарядов в электро-
лите могут иметь заряд, равный по модулю как элементарному заряду e, так и целому числу
элементарных зарядов ze. Здесь z — валентность атома или группы атомов; например, при
растворении медного купороса имеем z = 2.
Если внешнего электрического поля нет, то свободные заряды электролита совершают лишь
хаотическое тепловое движение наряду с окружающими молекулами. Но при наложении внеш-
него поля положительные и отрицательные ионы начинают упорядоченное движение.
Поместим в сосуд с электролитом два электрода; один из электродов присоединим к поло-
жительной клемме источника тока, а другой — к отрицательной (рис.
56
). Когда речь идёт о
прохождении тока через электролиты, положительный электрод называют анодом, а отрица-
тельный — катодом
28
.
Катод
Анод
+
−
+
+
+
−
−
−
Рис. 56. Ионная проводимость электролита
В электрическом поле, возникшем между электродами, положительные ионы электролита
устремляются к «минусу» катода, а отрицательные ионы — к «плюсу» анода. Таким образом,
электрический ток в электролите образуется в результате встречного движения ионов:
положительных — к катоду, отрицательных — к аноду. Поэтому проводимость электролитов
называется ионной (в отличие от электронной проводимости металллов).
На положительном аноде имеется недостаток электронов. Отрицательные ионы, достигнув
анода, отдают ему свои лишние электроны; эти электроны отправляются по цепи к «плюсу»
источника.
Наоборот, на отрицательном катоде — избыток электронов. Положительные ионы, придя на
катод, забирают у него электроны, и это количество ушедших электронов немедленно воспол-
няется их доставкой на катод с «минуса» источника.
Таким образом, в той части цепи, которая состоит из источника тока и металлических
проводников, возникает циркуляция электронов по маршруту «анод → источник → катод».
Цепь замыкается электролитом, где электрический ток обеспечивается двусторонним движе-
нием ионов.
28
Имеется народная мудрость для запоминания знаков анода и катода: Андрей — парень положительный,
Катька — девка отрицательная ;-)
70

14.3
Электролиз
Положительные и отрицательные ионы, будучи носителями свободных зарядов, в то же время
являются частицами вещества. Поэтому важнейшее отличие тока в электролитах от тока в
металлах состоит в том, что электрический ток в электролите сопровождается переносом
вещества.
Явление переноса вещества при прохождении электрического тока через электролит назы-
вается электролизом. Законы электролиза были экспериментально изучены Фарадеем.
В процессе электролиза происходит разложение растворённого вещества на составные части
и выделение этих частей на электродах. Так, в растворе медного купороса CuSO
4
положитель-
ные ионы меди Cu
2+
идут на катод, в результате чего катод покрывается медью. Кислотный
остаток SO
2−
4
выделяется на аноде.
Естественным образом возникает вопрос о нахождении массы m вещества, выделяющего-
ся на электроде за определённое время t. Эта масса, очевидно, совпадает с массой данного
вещества, перенесённого током за время t через электролит.
Пусть m
1
— масса одного иона этого вещества, q
1
= ze — заряд иона (z — валентность
вещества). Предположим, что за время t через электролит прошёл заряд q. Число ионов, при-
шедших на электрод, тогда равно N = q/q
1
. Масса выделившегося на электроде вещества равна
суммарной массе пришедших ионов:
m = m
1
N = m
1
q
q
1
= kq.
(69)
Величина k = m
1
/q
1
является характеристикой вещества и называется его электрохимиче-
ским эквивалентом. Значения электрохимических эквивалентов различных веществ приводят-
ся в таблицах.
При протекании через электролит постоянного тока I за время t проходит заряд q = It.
Подставляя это в формулу (
69
), получим первую формулу Фарадея:
m = kIt.
(70)
Первый закон Фарадея. Масса выделяющегося на электроде вещества пропорциональна
силе тока, протекающего через электролит, и времени прохождения тока.
Теперь преобразуем выражение для электрохимического эквивалента, введя молярную мас-
су вещества:
k =
m
1
q
1
=
µ/N
A
ze
=
µ
zeN
A
.
Подставляя это выражение в (
70
), получим вторую формулу Фарадея:
m =
µ
zeN
A
It.
(71)
Второй закон Фарадея. Масса выделяющегося на электроде вещества прямо пропорцио-
нальна молярной массе этого вещества и обратно пропорциональна его валентности.
В формуле (
71
) мы видим произведение двух констант e и N
A
. Оно также является констан-
той и называется постоянной Фарадея:
F = eN
A
= 96485
Кл
моль
.
Формула (
71
) с постоянной Фарадея запишется так:
m =
µ
zF
It.
71

15
Электрический ток в газах
При обычных условиях газы состоят из электрически нейтральных атомов или молекул; сво-
бодных зарядов в газах почти нет. Поэтому газы являются диэлектриками — электрический
ток через них не проходит.
Мы сказали «почти нет», потому что на самом деле в газах и, в частности, в воздухе всегда
присутствует некоторое количество свободных заряженных частиц. Они появляются в резуль-
тате ионизирующего воздействия излучений радиоактивных веществ, входящих в состав земной
коры, ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца, а также космических лучей —
потоков частиц высокой энергии, проникающих в атмосферу Земли из космического простран-
ства. Впоследствии мы вернёмся к этому факту и обсудим его важность, а сейчас заметим
лишь, что в обычных условиях проводимость газов, вызванная «естественным» количеством
свободных зарядов, пренебрежимо мала, и её можно не принимать во внимание.
На изолирующих свойствах воздушного промежутка основано действие переключателей в
электрических цепях (рис.
57
).
K
Рис. 57. Ключ K
Размыкание электрической цепи — это создание с помощью ключа K промежутка воздуха
между её контактами. Пройти сквозь этот промежуток электрический ток не сможет. Напри-
мер, небольшого воздушного зазора в выключателе оказывается достаточно, чтобы разомкнуть
электрическую цепь в вашей комнате и погасить свет.
Можно, однако, создать такие условия, при которых электрический ток в газовом проме-
жутке появится. Давайте рассмотрим следующий опыт.
Зарядим пластины воздушного конденсатора
29
и подсоединим их к чувствительному гальва-
нометру (рис.
58
, слева). При комнатной температуре и не слишком влажном воздухе гальвано-
метр не покажет заметного тока: наш воздушный промежуток, как мы и говорили, не является
проводником электричества.
+
−
Тока нет
+
−
Ток есть
Пламя
Рис. 58. Возникновение тока в воздухе
Теперь внесём в зазор между пластинами конденсатора пламя горелки или свечи (рис.
58
,
справа). Ток появляется! Почему?
29
Разумеется, напряжение на конденсаторе предполагается не очень высоким, чтобы не наступил пробой
воздуха. О том, что такое пробой газового промежутка, речь пойдёт ниже.
72

15.1
Свободные заряды в газе
Возникновение электрического тока между пластинами кондесатора означает, что в воздухе
под воздействием пламени появились свободные заряды. Какие именно?
Опыт показывает, что электрический ток в газах является упорядоченным движением за-
ряженных частиц трёх видов. Это электроны, положительные ионы и отрицательные ионы.
Давайте посмотрим, каким образом эти заряды могут появляться в газе.
При увеличении температуры газа тепловые колебания его частиц — молекул или атомов —
становятся всё интенсивнее. Удары частиц друг о друга достигают такой силы, что начинается
ионизация — распад нейтральных частиц на электроны и положительные ионы (рис.
59
).
+
e
−
e
−
+
Рис. 59. Ионизация
Степенью ионизации называется отношение числа распавшихся частиц газа к общему ис-
ходному числу частиц. Например, если степень ионизации равна 40%, то это означает, что 40%
исходных частиц газа распалось на положительные ионы и электроны.
Степень ионизации газа зависит от температуры и резко возрастает с её увеличением. У
водорода, например, при температуре ниже 10000
◦
C степень ионизации не превосходит 10%,
а при температуре выше 20000
◦
C степень ионизации близка к 100% (то есть водород почти
полностью ионизирован
30
).
Помимо высокой температуры имеются и другие факторы, вызывающие ионизацию газа.
Мы их уже вскользь упоминали: это радиоактивные излучения, ультрафиолетовые, рентге-
новские и гамма-лучи, космические частицы. Всякий такой фактор, являющийся причиной
ионизации газа, называется ионизатором.
Таким образом, ионизация происходит не сама по себе, а под воздействием ионизатора.
Одновременно идёт и обратный процесс — рекомбинация, то есть воссоединение электрона и
положительного иона в нейтральную частицу (рис.
60
).
+
e
−
e
−
+
Рис. 60. Рекомбинация
Причина рекомбинации проста: это кулоновское притяжение электронов и положительных
ионов. Устремляясь навстречу друг другу под действием электрических сил, положительный
ион и электрон встречаются и получают возможность образовать нейтральный атом (или ней-
тральную молекулу).
30
Частично или полностью ионизированный газ называется плазмой.
73

При неизменной интенсивности действия ионизатора устанавливается динамическое равно-
весие: среднее количество частиц, распадающихся в единицу времени, равно среднему количе-
ству рекомбинирующих частиц (иными словами, скорость ионизации равна скорости рекомби-
нации). Если действие ионизатора усилить (например, повысить температуру), то динамическое
равновесие сместится в сторону ионизации, и концентрация заряженных частиц в газе возрас-
тёт. Наоборот, если выключить ионизатор, то рекомбинация начнёт преобладать, и свободные
заряды постепенно исчезнут полностью.
Итак, положительные ионы и электроны появляются в газе в результате ионизации. От-
куда же берётся третий сорт зарядов — отрицательные ионы? Очень просто: электрон может
налететь на нейтральный атом и присоединиться к нему! Этот процесс показан на рис.
61
.
+
e
−
e
−
e
−
+
e
−
Рис. 61. Появление отрицательного иона
Образованные таким образом отрицательные ионы будут участвовать в создании тока на-
ряду с положительными ионами и электронами.
15.2
Несамостоятельный разряд
Если внешнего электрического поля нет, то свободные заряды совершают хаотическое тепловое
движение наряду с нейтральными частицами газа. Но при наложении электрического поля
начинается упорядоченное движение заряженных частиц — электрический ток в газе.
+
−
+
−
Ионизатор
+
+
−
e
Рис. 62. Несамостоятельный разряд
На рис.
62
мы видим три сорта заряженных частиц, возникающих в газовом промежутке
под действием ионизатора: положительные ионы, отрицательные ионы и электроны. Электри-
74

ческий ток в газе образуется в результате встречного движения заряженных частиц: поло-
жительных ионов — к отрицательному электроду (катоду), электронов и отрицательных
ионов — к положительному электроду (аноду).
С движением заряженных частиц в газовом промежутке всё ясно. А почему возникает ток
во внешней цепи?
Свободные электроны газа, попадая на анод, направляются по цепи к «плюсу» источника
тока. Отрицательные ионы отдают аноду лишний электрон и, став нейтральными частицами,
возвращаются в обратно газ; отданный же аноду электрон также устремляется к «плюсу» источ-
ника. Положительные ионы, приходя на катод, забирают оттуда электроны (и, превратившись
в нейтральные частицы, диффундируют обратно в газ), а возникший дефицит электронов на
катоде немедленно компенсируется их доставкой туда с «минуса» источника. В результате всех
этих процессов возникает упорядоченное движение электронов во внешней цепи. Это и есть
электрический ток, регистрируемый гальванометром.
Описанный процесс, изображённый на рис.
62
, называется несамостоятельным разрядом
в газе. Почему несамостоятельным? Потому для его поддержания необходимо постоянное дей-
ствие ионизатора. Уберём ионизатор — и ток прекратится, поскольку исчезнет механизм, обес-
печивающий появление свободных зарядов в газовом промежутке. Пространство между анодом
и катодом снова станет изолятором.
15.3
Вольт-амперная характеристика газового разряда
Зависимость силы тока через газовый промежуток от напряжения между анодом и катодом
(так называемая вольт-амперная характеристика газового разряда) показана на рис.
63
.
U
I
O
A
B
C
Рис. 63. Вольт-амперная характеристика газового разряда
При нулевом напряжении сила тока, естественно, равна нулю: заряженные частицы совер-

жүктеу/скачать 1,54 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: