Электрический ток в электролитах
Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. К электролитам относятся многие соединения металлов с металлоидами в расплавленном состоянии, а также некоторые твердые вещества. Однако основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований.
Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением веществ на электродах. Это явление получило название электролиза.
Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией. Например, хлорид меди CuCl2 диссоциирует в водном растворе на ионы меди Cu++ и хлора Cl−.
При подключении электродов к источнику тока ионы под действием электрического поля начинают упорядоченное движение: положительные ионы меди движутся к катоду, а отрицательно заряженные ионы хлора – к аноду.
Достигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными электронами катода и превращаются в нейтральные атомы, оседающие на катоде. Ионы хлора, достигнув анода, отдают но одному электрону. После этого нейтральные атомы хлора соединяются попарно и образуют молекулы хлора Cl2. Хлор выделяется на аноде в виде пузырьков.
Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М. Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе: масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через электролит:
Величину k называют электрохимическим эквивалентом.
Масса выделившегося на электроде вещества равна массе всех ионов, пришедших к электроду:
Здесь m0 и q0 – масса и заряд одного иона. Таким образом, электрохимический эквивалент k равен отношению массы m0 иона данного вещества к его заряду q0.
Так как заряд иона равен произведению валентности вещества n на элементарный заряд e (q0 = ne), то выражение для электрохимического эквивалента k можно записать в виде:
Здесь NA – постоянная Авогадро, M = m0NA – молярная масса вещества, F = eNA – постоянная Фарадея. Величина постоянной Фарадея равна: F = 96486 Кл/моль.
Постоянная Фарадея численно равна заряду, который необходимо пропустить через электролит для выделения на электроде одного моля одновалентного вещества. Закон Фарадея для электролиза приобретает вид:
Явление электролиза широко применяется в современном промышленном производстве.
Электрический ток в газах
Опыт оказывает, что в обычном состоянии воздух не проводит электрического тока. Однако если воздух нагреть, например, пламенем горелки или осветить его ультрафиолетовым излучением, то он начинает проводить электрический ток. Электрический ток в газах, возникающий при каких-либо воздействиях на газ, называется несамостоятельным электрическим разрядом.
Для того чтобы газ стал проводником, в нем должны появиться свободные электрические заряды. Это можно сделать, превратив часть нейтральных молекул газа в ионы. Для этого надо вырвать часть электронов из атомов, то есть ионизировать часть молекул газа. Для того, чтобы вытащить электрон из атома, необходимо совершить работу против сил кулоновского взаимодействия электрона с атомным ядром. Минимальная энергия, которую надо затратить, чтобы вытащить электрон из атома, называется энергией ионизации. Существует несколько механизмов ионизации. Рассмотрим коротко некоторые из них.
Термическая ионизация. В теории идеального газа считается, что столкновения молекул газа являются абсолютно упругими. При таких столкновениях механическая энергия сталкивающихся молекул сохраняется и никакой ионизации молекул не происходит. При обычных температурах именно так и получается, так как кинетической энергии сталкивающихся молекул не хватает, чтобы вырвать электрон из атома. Однако при повышении температуры газа кинетическая энергия молекул возрастает и когда она превысит энергию ионизации молекул газа, часть столкновений станут неупругими и будут сопровождаться ионизацией молекул. С дальнейшим повышением температуры все большая часть столкновений будет приводить к ионизации.
Явление возникновения свободных электронов и ионов при столкновениях молекул газа при высокой температуре называется термической ионизацией. Частично или полностью ионизированный газ называется плазмой.
При высоких температурах степень ионизации газа очень быстро увеличивается с повышением температуры. При низких температурах (порядка комнатной и ниже) все газы являются диэлектриками. При высоких температурах (тысячи градусов и выше) все газы становятся проводниками.
Фотоионизация. Энергия необходимая для ионизации молекул газа может быть получена при облучении газа излучением. Правда для этого требуется излучение, обладающее большой энергией – ультрафиолетовое или рентгеновское. Ионизация газа под действием излучения называется фотоионизацией. Газ, ионизированный излучением, также становится проводником.
Ионизация электронным ударом. Самостоятельный разряд.
Опыт показывает, что если газ поместить в электрическое поле и увеличивать напряженность поля, то в некоторый момент в газе возникнет электрический ток и без внешних воздействий. Электрический ток в газе, протекающий без внешних ионизаторов, называется самостоятельным разрядом.
Основной механизм ионизации газа при самостоятельном разряде – ионизация электронным ударом. Пусть газ находится в электрическом поле. Если в газе имеется свободный электрон, то он начнет разгоняться под действием электрического поля, приобретая кинетическую энергию. При столкновении с молекулой газа электрон теряет энергию и после столкновения опять начинает разгоняться до следующего столкновения с другой молекулой газа. Если энергия, приобретаемая электроном между двумя последовательными столкновениями, меньше, чем энергия ионизации молекул газа, то никакой ионизации при таких столкновениях не происходит. Если средняя длина свободного пробега электрона равна λ, то энергия, приобретаемая им на длине свободного пробега равна
Здесь Е – напряженность электрического поля. Если при увеличении напряженности поля w станет больше энергии ионизации молекул газа, то в результате столкновения с молекулами электрон будет вызывать ионизацию газа.
Энергию ионизации принято выражать в электрон-вольтах [эВ]. Один электрон-вольт равен энергии, которую приобретает электрон, пройдя ускоряющую разность потенциалов 1 В: 1 эВ = 1,6·10-19 Дж. Например, энергия ионизации атома водорода равна 13,6 эВ, атома кислорода – 12 эВ, атома азота – 16 эВ и так далее.
Самостоятельный разряд в газе развивается по следующему сценарию. Если в газе находится хотя бы один свободный электрон (а они всегда имеются) и если напряженность электрического поля такова, что энергия, приобретаемая электроном на длине свободного пробега больше энергии ионизации молекул газа, то при столкновении с молекулой электрон ионизирует ее. При этом появляется еще один электрон и уже два электрона начинают опять ускоряться. При следующем столкновении оба электрона ионизируют молекулы и получается уже четыре электрона. Процесс возникновения электронов нарастает лавинообразно и все они движутся к аноду. Получившиеся в результате ионизации положительные ионы также движутся к катоду. При столкновении с катодом ионы выбивают из него еще электроны. Этот процесс продолжается дальше до тех пор пока сила тока не ограничится внутренним сопротивлением источника и сопротивлением других элементов цепи.
Искровой разряд.
Если источник тока не в состоянии поддерживать возникший в газе самостоятельный разряд, то он быстро заканчивается. Такой кратковременный самостоятельный разряд называется искровым разрядом. Примерами искровых разрядов могут служить искры, возникающие при расчесывании волос, при разряде конденсаторов и так далее. Самыми большими искровыми разрядами являются молнии. Причиной возникновения молний является разделение зарядов в грозовых облаках. Разность потенциалов, возникающая при грозе между облаком и землей, достигает 20 – 100 МВ. Сила тока в молнии 10 – 20 кА. В процессе разряда температура в разрядном канале достигает 104 К. Расширение разогретого воздуха производит звуковые явления, называемые громом.
Коронный разряд.
Коронный разряд является разновидностью самостоятельного разряда при очень сильной неоднородности электрического поля. Например, если между острым концом одного проводника и плоской поверхностью другого проводника создать разность потенциалов, то возникнет сильно неоднородное электрическое поле, напряженность которого максимальна вблизи острия и быстро уменьшается при удалении от острия. При этом процесс ионизации воздуха наблюдается только на небольшом расстоянии от острия. Вокруг острия при этом наблюдается свечение, как бы образуя корону.
Коронный разряд возникает вокруг проводов линий электропередачи. Так как передача электроэнергии на большие расстояния происходит при очень больших напряжениях, то вблизи проводов линии электрическое поле очень сильное и возникает коронный разряд. При этом возникают легкие потрескивания воздуха, которые хорошо слышны вблизи линии. Коронные разряды приводят к потерям электроэнергии, и с этим явлением приходится бороться.
Дуговой разряд.
Еще одна разновидность самостоятельного разряда – дуговой разряд. Если два соприкасающихся угольных электрода подключить к источнику напряжения и слегка раздвинуть их, то между концами углей возникнет яркое свечение. Сами угли при этом раскаляются. Если посмотреть на угольную дугу сквозь темное стекло, то можно разглядеть, что свечение в основном исходит от раскаленных угольных электродов. Свечение самого разряда, представляющего собой яркий изогнутый шнур между электродами, значительно слабее. В дуговом разряде наибольшая температура достигает 4000 °С. Для возникновения дугового разряда достаточно невысокого напряжения 40 – 50 В. Но сила тока в дуге довольно большая – десятки и даже сотни ампер.
Дуговой разряд применяется при сварке и резке металлов, а также при плавке стали.
Тлеющий разряд.
Для возникновения самостоятельного разряда в газе при атмосферном давлении требуется очень большая напряженность электрического поля и соответственно очень большие напряжения. А в разреженном газе зажечь самостоятельный разряд можно гораздо легче. Дело в том, что в разреженном газе длина свободного пробега электронов значительно больше и для набора требуемой для ионизации газа энергии им требуется значительно меньшая напряженность электрического поля. Самостоятельный разряд, возникающий в газе при пониженном давлении, называется тлеющим разрядом. Тлеющий разряд можно зажечь в стеклянной трубке, создав в ней пониженное давление газа. При этом в трубке возникает свечение, цвет которого зависит от газа. Тлеющий разряд находит широкое применение в осветительной технике и рекламе. В получивших широкое применение лампах дневного света используется тлеющий разряд в парах ртути.