2.6. Электрический ток в водных растворах

 

Вода проводит электрический ток гораздо лучше, чем масла и другие неполярные жидкости, поэтому говорят, что у нее электрическая проводимость больше, чем у неполярных жидкостей. Проводимость в водных растворах определяется как скорость переноса заряда вследствие миграции ионов под воздействием приложенной разности потенциалов. Таким образом, проводимость воды целиком зависит от присутствия в растворе заряженных атомов или молекул (ионов). Электроны, которые являются носителями электрического тока в металлах и полупроводниках, в водных растворах не принимают непосредственного участия в создании электрического тока. В чистой воде присутствуют ионы Н₃О⁺ и ОH¯. Их концентрация в этом случае очень мала (10^–7 М при 25 °С), поэтому электрическая проводимость чистой воды, хотя и существенно выше, чем у неполярных жидкостей, все же относительно мала. Проводимость сильно возрастает после добавления электролитов, которые при растворении не остаются в виде целых молекул, а диссоциируют на катионы и анионы.

Роль ионов в проведении электрического тока иллюстрирует рис. 2–22, где изображены два электрода, погруженные в раствор хлористого калия и соединенные проводами с источником электродвижущей силы, или ЭДС, через два зажима, которые помечены соответственно + и —. Под действием ЭДС ток (представляющий собой движение положительных электрических зарядов в одном направлении) проходит через раствор электролита от одного электрода к другому.

 

Рис. 2.22. Прохождение тока через раствор электролита. Цветные стрелки показывают направление тока, светлые – направление движения ионов.

 

 

Таблица 2–4. Подвижность некоторых ионов в электрическом поле при 25°С, экстраполированная к условиям бесконечного разбавления (Lehninger, 1975)

Ион	Подвижность ·10 4, см2/В·с
H+	36,3
Na +	5,2
К +	7,62
NH4+	7,60
Mg2+	5,4
Li +	4,0

 

Что же такое электрический ток? В проводнике его носителем являются электроны, перемещающиеся от внешней оболочки одного атома металла к соседней, затем к следующей и т. д. В растворе КCl электрический заряд переносится преимущественно ионами К⁺ и Cl¯ (а также за счет перемещения ионов ОН¯,  Н₃О⁺ и Н⁺, однако их вклад настолько незначителен, что им можно пренебречь). Когда к раствору электролита приложена разность потенциалов (напряжение), катионы (К ⁺) мигрируют по направлению к катоду (электрод с отрицательным потенциалом), а анионы (Cl¯) – к аноду (электрод с положительным потенциалом). Скорость, с которой ион того или иного вида мигрирует в растворе, называется его подвижностью в электрическом поле. Последняя определяется массой гидратированного иона и величиной переносимого им заряда (ион может быть одно–, двух– или трехвалентным). Подвижности некоторых распространенных ионов приведены в табл. 2–4. Следует помнить, что ионный ток в каком–то смысле аналогичен «эффекту домино», при котором каждая костяшка (ион) смещается лишь на небольшое расстояние, достаточное для того, чтобы подтолкнуть следующую. Однако в отличие от механического взаимодействия, как между костяшками домино, взаимодействие между ионами имеет электростатическую природу, при этом одноименные заряды взаимно отталкиваются.

За направление тока в растворе принимается направление перемещения катионов. Поток анионов движется в противоположном направлении. Скорость, с которой положительные заряды смещаются относительно какой–либо фиксированной точки в растворе, плюс скорость, с которой отрицательные заряды смещаются в противоположном направлении, определяют силу электрического тока. Ток представляет собой количество заряда, переносимого через поперечное сечение за единицу времени, и аналогичен, таким образом, объему воды, протекающему в единицу времени через поперечное сечение трубопровода (рис. 2–23, Б).

 

Рис. 2.23 Аналогия между током электронов в проводнике (А) и течением воды в трубопроводе (Б).

 

Электрический ток всегда встречает некоторое сопротивление на своем пути точно так же, как вода встречает механическое сопротивление при своем движении по трубопроводу, например из–за трения. Чтобы заряды могли преодолеть электрическое сопротивление, должна существовать действующая на эти заряды электростатическая сила. Такая сила (аналогичная гидростатическому давлению в водопроводной сети) появляется, если имеется перепад электрического «давления», или потенциала Е, между двумя концами участка электрической цепи, обладающего активным сопротивлением (рис. 2–23, А). Разность потенциалов, или напряжение, возникает между разделенными отрицательными (—) и положительными (+) зарядами. Такая разность потенциалов, или ЭДС, связана с током I  и сопротивлением Rсоотношением, называемым законом Ома (см. дополнение 2–1). Чтобы ток (число единиц заряда, прошедших через какое–то сечение в электрической цепи в единицу времени) остался неизменным при удвоении сопротивления, требуется удвоить напряжение (рис. 2–24, А).Аналогичным образом сила тока уменьшится в два раза, если сопротивление в цепи удвоится, а напряжение останется прежним (рис. 2–24, Б).

 

Рис. 2.24. Иллюстрация описываемой законом Ома взаимосвязи между электрическими величинами. А. Ток остается неизменным, если одновременно удваиваются и напряжение, и сопротивление. Б. Сила тока уменьшается в два раза, если удваивается только сопротивление.

 

 

Сопротивление току в растворе определяют три основных фактора.

1. Количество носителей заряда в растворе (т. е. концентрация ионов). Чем более разбавлен раствор электролита, тем больше его сопротивление и, следовательно, тем меньше его проводимость (см. дополнение 2–1). Это легко понять, поскольку все меньше остается в растворе ионов – носителей заряда.

2. Чем меньше площадь поперечного сечения раствора в плоскости, перпендикулярной направлению тока, тем больше сопротивление, которое последнему приходится преодолевать. Здесь опять можно провести аналогию с влиянием поперечного сечения трубопровода на течение в нем воды.

3. Полное   электрическое   сопротивление   при прохождении тока через раствор увеличивается с расстоянием. Сопротивление, преодолеваемое током на участке длиной 2 см в растворе электролита, в два раза больше сопротивления на участке длиной 1 см в том же растворе.

Ионы – носители тока – распределены равномерно по всему раствору. Ток, проходящий между двумя электродами, представлен не только прямолинейными траекториями ионов, но и искривленными, дугообразными траекториями между электродами (рис. 2–25). Это связано с тем, что в процесс вовлекается больше ионов, чем присутствует в объеме, включающем лишь прямолинейные траектории между электродам; это уменьшает эффективное сопротивление при прохождении электрического тока.

Роль электрических явлений в физиологии животных очень велика; в этом мы убедимся, познакомившись с материалом последующих глав. Знакомство с основами электричества поможет нам также разобраться, как работают лабораторные приборы.

 

Рис. 2.25. При прохождении тока через раствор электролита ионы движутся таким образом, чтобы плотность тока была минимальна.