Электрический ток в электролитах

Электролитами называются вещества, в которых электрический ток осуществляется ионной проводимостью. Ионной проводимостью называется упорядоченное движение ионов под действием внешнего электрического поля. Электролитами являются растворы кислот, щелочей и солей, а также расплавленные соли. Положительные ионы (ионы металлов, водородные ионы) под действием внешнего электрического поля движутся к отрицательно заряженному электроду – катоду, и поэтому называются катионы (идущие к катоду), отрицательные ионы (анионы = идущие к аноду) – кислотные остатки и гидроксильные группы ОН – движутся к положительно заряженному электроду - аноду.

Возникновение ионов в электролитах объясняется явлением электролитической диссоциации – распадом молекул растворенного вещества на катионы и анионы в результате взаимодействия с растворителем. Молекулы растворяемых веществ состоят из взаимосвязанных ионов противоположного знака (например, Na⁺Cl^-, H⁺Сl^-, Cu⁺⁺SO₄ ^-- и т.д.). Силы притяжения между этими ионами обеспечивают целостность таких молекул. Взаимодействие этих молекул с полярными молекулами растворителя, например, воды, приводит к ослаблению взаимного притяжения противоположных заряженных ионов в e раз, где e - диэлектрическая проницаемость растворителя. При тепловом хаотическом движении молекул растворенных веществ и растворителей происходят их столкновения, которые и приводят к распаду растворенных молекул на ионы.

Ионы в электролитах движутся хаотически до тех пор, пока в жидкость не опускаются электроды. Тогда на хаотическое движение ионов накладывается их упорядоченное движение к соответствующим электродам и в жидкости возникает электрический ток. Электрический ток в электролитах имеет много сходных черт с током в металлах. В электролитах и металлах, в отличие от газов, носители заряда образуются независимо от электрического тока. Заряд положительных ионов в каждом объеме электролита равен заряду отрицательных ионов, и поэтому объемный заряд в электролитах, также как и в металлах, равен нулю. Концентрация ионов (положительных и отрицательных), как правило, одинакова в разных точках электролита и поэтому диффузия ионов не играет никакой роли в образовании тока.

В силу указанных причин выражение для плотности тока в электролитах имеет тот же вид, что и для плотности тока в металлах. Плотность тока, создаваемая движением положительных ионов, равна j ₊ = n ₊ e v ₊, где n ₊ - концентрация положительных ионов, e – заряд иона, v ₊ - скорость упорядоченного движения ионов. Аналогично для плотности отрицательных ионов можно записать: j _- = n _- e v _- . Полная плотность тока j = j ₊ + j _- = n ₊ e v ₊ + n _- e v _-.

Поскольку концентрации катионов и анионов в электролите одинаковы (молекула диссоциирует на два иона), поэтому n ₊ = n _- = a n, где a - коэффициент диссоциации (отношение числа молекул, диссоциировавших на ионы, к общему числу молекул вещества), n – число молекул в единице объема электролита. Скорости ионов можно выразить через напряженность электрического поля в электролите: v ₊ = b ₊ E, v _- = b _- E (коэффициент пропорциональности b между скоростью носителя и приложенной напряженностью поля называется подвижностью иона).

Поэтому j = n e a (b ₊ + b _-) E.

Плотность тока оказывается пропорциональной напряженности поля E, а следовательно, для электролитов, так же как и для металлов справедлив закон Ома. Удельная электропроводность электролита равна g = n e a (b ₊ + b _-)

Прохождение электрического тока через электролиты сопровождается электролизом – выделением на электродах веществ, входящих в состав электролита.

Первый закон электролиза (первый закон Фарадея). Масса вещества, выделяющегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду q, прошедшему через электролит: m = k q = k I t (поскольку q = It, где I - сила постоянного тока, протекающего через раствор за время t).

Коэффициент пропорциональности k называется электрохимическим эквивалентом вещества. Он численно равен массе вещества, которая выделяется при прохождении через электролит единичного количества электричества.

Второй закон электролиза (второй закон Фарадея). Электрохимические эквиваленты веществ прямо пропорциональны отношениям их атомных (молярных) масс А к валентности n: . Величина F называется числом Фарадея. Из объединенного закона электролиза Фарадея: следует, что постоянная Фарадея F численно равна электрическому заряду, который нужно пропустить через электролит для выделения на электроде массы любого вещества, равной в килограммах отношению A / n. F = 9,648.10⁴ Кл/моль.

Из объединенного закона электролиза определяется электрический заряд q любого иона: q = ± nF / N _A, где n - валентность иона, F - постоянная Фарадея, N _A - число Авогадро. Заряд одновалентного иона (n =1) равен по абсолютному значению заряду электрона: q = e = 1,602^.10^-19 Кл. Следовательно, число Фарадея можно представить в виде F = | e | N _A.

11. Электрический ток в газах.

Газы, в отличие от металлов и электролитов, состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и в нормальных условиях не содержат свободных носителей тока (электронов и ионов). Газы в нормальных условиях являются диэлектриками. Носители электрического тока в газах могут возникнуть только при ионизации газов – отрыве электронов от их атомов или молекул при воздействии некоторого энергетического фактора (ионизатора), например, сильного нагревания, ультрафиолетовых и рентгеновских излучений, радиоактивных излучений и т.д.

Несамостоятельным газовым разрядом называется электропроводность газов, вызванная внешними ионизаторами. Такой газовый разряд характеризуется кривой ОСА зависимости силы тока I от напряжения U между электродами. На рисунке изображена вольтамперная характеристика газового разряда. По мере увеличения напряжения, приложенного к электродам газоразрядной трубки, растет число заряженных частиц, достигающих электрода, и возрастает сила тока I вплоть до такого значения тока насыщения I _н, при котором все заряженные частицы, образующиеся действием внешнего ионизатора на газ в единицу времени достигают противоположных электродов. Ток насыщения достигается при внешнем напряжении U ≥ U _н.

Величину тока насыщения можно описать формулой I _н = eN _o, где e – абсолютное значение элементарного заряда, N _o – максимальное число пар одновалентных ионов, образовавшихся в объеме газа за 1 секунду. Ток насыщения, таким образом, является мерой ионизирующего действия внешнего ионизатора. Если на участке ОСА вольтамперной характеристики прекратить действие внешнего ионизатора, то несамостоятельный разряд прекратится.

Самостоятельный газовый разряд -этогазовый разряд, который продолжается после того, как прекращается действие внешнего ионизатора. При значениях напряжений U _з, значительно превышающих U _н, сила тока начинает резко возрастать (участок АВ). При больших напряжениях возникающие под действием внешнего ионизатора электроны, сильно ускоренные электрическим полем, сталкиваясь с нейтральными молекулами газа, ионизируют их, в результате чего образуются вторичные электроны и положительные ионы. Положительные ионы двигаются к катоду, а электроны – к аноду. Вторичные электроны вновь ионизируют молекулы газа и, следовательно, общее количество электронов и ионов будет возрастать по мере продвижения электронов к аноду лавинообразно. Это является причиной увеличения электрического тока на участке АВ. Описанный процесс называется ударной ионизацией.

Однако ударная ионизация под действием электронов недостаточна для поддержания разряда при выключении внешнего ионизатора. Для этого необходимо, чтобы электронные лавины “воспроизводились”, т.е. в газе под действием каких-то процессов возникали новые электроны. И, действительно, на участке АВ происходят многие процессы, приводящие к этому:

1) Ускоренные полем положительные ионы, ударяясь о катод, выбивают из него электроны (вторичная эмиссия, поверхностная ионизация),

2) Положительные ионы, сталкиваясь с молекулами газа, переводят их в возбужденное состояние; переход таких молекул в нормальное состояние сопровождается испусканием фотона, который в свою очередь ионизирует нейтральную молекул (фотонная ионизация молекулы).

3) Происходит выбивание электронов из катода под действием образовавшихся фотонов (фотоэффект)

4) При значительных напряжениях к отрицательному электроду устремляются положительные ионные лавины. Когда возникают, кроме электронных лавин еще и ионные, сила тока растет уже практически без увеличения приложенного напряжения – наступает пробой газового промежутка.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: