Глава 20. Электрический ток в различных средах

20.1. Электрический ток в электролитах. Законы электролиза Фарадея

Электролитами являются расплавы солей, являющиеся в твердом состоянии ионными кристаллами, растворы кислот, щелочей и солей в воде и некоторых других жидкостях.

В металлах и полупроводниках (проводники первого рода) протекание тока не сопровождается какими – либо химическими превращениями. В электролитах (проводники второго рода) протекание тока всегда сопровождается химическими превращениями.

Носителями тока в электролитах являются положительные и отрицательные ионы, на которые расщепляются (диссоциируют) молекулы растворенного вещества. Коэффициент диссоциации α показывает, какая доля молекул растворенного вещества находится в расщепленном состоянии.

Введем в электролит проводящие электроды и подадим на них напряжение. Положительные ионы (катионы) начнут двигаться к отрицательному электроду (катоду), а отрицательные ионы (анионы) – к положительному электроду (аноду) (рис. 20.1.1). В цепи возникнет электрический ток. Достигнув электродов, катионы и анионы получают или отдают недостающие электроны, превращаясь в нейтральные молекулы. Таким образом, наблюдается явление электролиза – выделение на электродах составных частей электролита.

Электролиз подчиняется следующим законам:

1. Масса вещества, выделившегося на каждом электроде, прямо пропорциональна заряду, протекшему через электролит (первый закон Фарадея):

,

где электрохимический эквивалент, зависящий от природы вещества.

2. Электрохимический эквивалент пропорционален химическому эквиваленту (второй закон Фарадея):

,

где А – атомный вес, Z – валентность элемента, число Фарадея.

Электролиз широко применяется в гальванопластике и гальваностегии, электрометаллургии, электрополировке металлов и т.п.

П ример 20.1.1. Никелирование пластинки производится при плотности тока . С какой скоростью растет толщина никеля? Молярная масса никеля , валентность , плотность .

Р Дано: , , , . Ешение:

П усть площадь пластинки, толщина покрытия. Тогда скорость нарастания слоя покрытия . По первому закону Фарадея масса выделившегося никеля .

С другой стороны .Тогда и скорость нарастания никеля . Так как , то и

Ответ: .

20.2. Электрический ток в газах

В обычных условиях газы состоят из нейтральных атомов и молекул и не содержат свободных зарядов, которые могут быть носителями тока (электронов и ионов). Для получения электрического тока в газах, их нужно ионизировать, то есть создать в них носители тока. Ионизация газов может происходить под действием различных ионизаторов (нагревание, ультрафиолетовое или рентгеновское излучение, корпускулярное – потоки электронов, протонов, α – частиц – излучение и т.д.). Под действием ионизатора происходит вырывание из электронной оболочки атома (молекулы) одного или нескольких электронов, что приводит к появлению свободных электронов и положительно заряженных ионов. Электроны могут присоединяться к нейтральным атомам, превращая их в отрицательно заряженные ионы. Следовательно, носителями тока в газах являются электроны и ионы.

Процесс, обратный ионизации, называется рекомбинацией. При рекомбинации электроны и ионы, объединяясь, вновь образуют нейтральные молекулы. Постоянный электрический ток в газе возможен лишь тогда, когда процессы ионизации превалируют над процессами рекомбинации.

Прохождение электрического тока через газы называется газовым разрядом.

Различают несамостоятельный и самостоятельный газовые разряды. Для поддержания несамостоятельного разряда всегда требуется внешний ионизатор: если прекратить действие ионизатора, то прекратится и разряд. Самостоятельный газовый разряд сохраняется после прекращения действия внешнего ионизатора и поддерживается за счет внутренних процессов ионизации, которые протекают в газе при приложении электрического поля.

Типичная вольтамперная характеристика газового разряда показана на рис.

2 0.2.1. На участке ОА сила тока пропорциональна напряжению (выполняется закон Ома). При дальнейшем увеличении напряжения закон Ома перестает выполняться (участок АВ), ток постепенно достигает насыщения (участок ВС). Это свидетельствует о том, что все электроны и ионы, создаваемые внешним ионизатором за единицу времени, за то же время достигают электродов. Если в режиме ОС прекратить действие ионизатора, то прекратится и разряд. Следовательно, участок ОС вольтамперной характеристики соответствует несамостоятельному разряду. При дальнейшем увеличении напряжения между электродами сила тока медленно (участок СD), а затем резко (участок DЕ) возрастает. Если в режиме СЕ прекратить действие ионизатора, то разряд не прекратится. Следовательно, участок СЕ соответствует самостоятельному разряду. В таблице 20.2.1 приведены основные типы самостоятельного газового разряда.

Таблица 20.2.1