Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лекции 1 семестр 2007.doc
Скачиваний:
80
Добавлен:
22.11.2019
Размер:
2.17 Mб
Скачать

Законы Фарадея

Рассмотрим электролиз с количественной точки зрения. При электролизе на электродах происходит выделение вещества. Определим массу вещества, выделившегося на электроде за время t. Очевидно, что она равна произведению массы одного иона m0 на число ионов N достигших электрода за время t:

(23.3)

Массу одного иона можно вычислить так же, как и массу атома или молекулы m0=/NА, где μ – молярная масса вещества, а NA – число Авогадро, т.е. число ионов в одном моле. Число же ионов, достигших электрода, равно полному заряду Q, прошедшему через электролит, делённому на заряд одного иона N=Q/q=Q/(ne), где n  валентность иона, а e – элементарный заряд (заряд одновалентного иона). Подставляя выражения для массы и числа ионов в формулу (23.3) получим

. (23.4)

Произведение NA·e = F – называют постоянной Фарадея, а дробь /n – химическим эквивалентом. Уравнение (23.4) называют объединённым законом электролиза.

Постоянная Фарадея численно равна заряду 1 моля одновалентных ионов. Согласно опытным данным число F = 9,65·104 Кл/моль. Так как заряд одновалентного иона равен заряду электрона, то, зная число Фарадея, можно легко определить заряд электрона:

. (23.5)

Необходимо отметить, что значение заряда электрона, полученное из объединённого закона электролиза совпадает со значениями заряда электрона, полученного другими способами.

Выражение (23.4) содержит в себе два закона, которые Фарадей сформулировал в 1833 г. на базе ряда экспериментов.

Первый закон Фарадея: масса выделившегося на электроде вещества пропорциональна электрическому заряду, протекающему через электролит

, (23.6)

где М – масса вещества, Q – заряд, I = Q/t – сила постоянного тока, t – время протекания тока. Величина k=M/Q показывает, какая масса вещества выделится на электроде при прохождении через электролит заряда, равного одному кулону. Она называется электрохимическим эквивалентом вещества. Электрохимический эквивалент имеет простой физический смысл. Так как М=m0·N, а Q=q·N, то

(23.7)

равно отношению массы иона к его заряду.

Второй закон Фарадея: электрохимические эквиваленты веществ прямо пропорциональны их химическим эквивалентам

, (23.8)

где   молярная масса иона, n – его валентность, F – число Фарадея.

Лекция № 24 Электрический ток в газах.

В обычных условиях газы состоят из нейтральных молекул и не содержат свободных зарядов, следовательно являются диэлектриками. Проводимость газа возникает, если ионизировать часть его молекул, отделить один или несколько электронов от атомов. При этом могут возникать как положительные ионы и свободные электроны, так и отрицательные ионы. Отрицательные ионы возникают, если электрон присоединяется к одной из нейтральных молекул.

Для ионизации газа необходимо совершить работу. Электроны в атоме движутся в электрическом поле положительного ядра. Ядро притягивают электроны. Поэтому, чтобы оторвать электрон от ядра атома и удалить его в точку, где сила взаимодействия между ними равна 0, нужно совершить работу

. (24.1)

Эту работу называют работой ионизации. Для вырывания первого электрона работа ионизации всегда меньше, чем для последующих. Ионизация газа может происходить под влиянием внешних воздействий: нагрев газа, рентгеновское излучение, гамма излучение, бомбардировка атомов электронами и другими частицами. При наличии внешнего поля в ионизированном газе возникает ток, обусловленный движением разноимённых ионов во взаимно противоположных направлениях и движением электронов. Возникновение электрического тока в газе называют газовым разрядом. В обычных условиях газ подвергается облучению космическими и радиоактивными лучами, поэтому он обладает незначительной проводимостью. Одновременно с ионизацией в газе протекает и обратный процесс - рекомбинация, т.е. объединение ионов и электронов с образованием нейтральных молекул.

Если газовый разряд поддерживается за счет внешнего источника ионизации, то его называют несамостоятельным. Электрический разряд в газе, сохраняющийся после прекращении действия ионизирующего источника называется самостоятельным.

Для исследования газового разряда можно использовать установку, схема которой изображена на рисунке 24.1. Стеклянную колбу с двумя электродами наполняют газом. Электроды подключают к источнику постоянного тока, напряжение которого можно изменять при помощи реостата. Ток возникает под воздействием внешнего ионизатора. Исследуется зависимость силы тока от напряжения. На экспериментальном графике зависимости силы тока I от напряжения U (вольтамперной характеристике) можно выделить 4 участка:

участок I – ток возрастает пропорционально напряжению, что соответствует закону Ома. Это объясняется тем, что с увеличением напряжения между электродами возрастает скорость упорядоченного движения ионов и электронов и за единицу времени через электроды проходит больший заряд. На этом участке одновременно протекают два процесса ионизация и рекомбинация.

участок II – линейный характер нарастания тока нарушается. Количество заряженных частиц, достигающих электродов за одну секунду примерно равно количеству частиц созданных ионизирующим источником за это же время.

участок III – сила тока достигает максимального значения. Все ионы и электроны, создаваемые внешним источником за 1 с, за это же время достигают электродов. Максимальный ток называют током насыщения. Сила тока насыщения пропорциональна мощность ионизатора.

участок IV – сила тока резко увеличивается, возникает самостоятельный разряд. Возрастание тока обусловлено явлением, названным ударной ионизации газа.

Рассмотрим подробнее процесс ударной ионизации. В естественных условиях в газе всегда имеется небольшое количество электронов и ионов. Они создаются космическими лучами и излучением радиоактивных веществ, содержащихся в атмосфере, почве, воде. Если напряжение достаточно велико, то электроны ускоренные электрическим полем под действием силы F=eE на расстоянии равным длине свободного пробега λ приобретают кинетическую энергию Ек достаточную для ионизации нейтральных молекул. Это условие можно записать при помощи следующего выражения

. (24.2)

Если условие (24.2) выполняется, то при столкновениях электронов с нейтральными молекулами (атомами) происходит ионизация, образуются вторичные электроны и ионы. Вторичные электроны по пути к электродам, ускоренные полем ионизуют новые молекулы, т.е. возникает электронная лавина и ток резко возрастает. Этот процесс изображён на рисунке 24.2.

Свободные электроны вызывают ударную ионизацию уже при напряжённости поля порядка 103 В/м. Что касается ионов, то они могут вызвать ударную ионизацию при напряжённости поля 105 В/м. Однако и при не слишком сильных полях положительные ионы играют очень важную роль в возникновении самостоятельного разряда. Ударная ионизация, производимая только одними электронами быстро прекращается. Для постоянного пополнения носителей заряда необходимы положительные ионы. Дело в том, что энергия этих ионов оказывается достаточной для выбивания электронов из металлического катода. Эти электроны в свою очередь разгоняются полем и производят ударную ионизацию нейтральных молекул. При этом в газоразрядной трубке имеется два встречных потока зарядов: электронов и положительных ионов. Напряжение, при котором начинается самостоятельный разряд, называют напряжением зажигания UЗ.

Кроме указанных явлений при самостоятельном газовом разряде наблюдаются следующие процессы. Сталкиваясь с молекулами газа, электроны и ионы, обладающие энергией недостаточной для ионизации молекул, переводят их в возбужденное состояние. Возвращаясь в исходное состояние молекулы излучают электромагнитные волны (возникает свечение). При рекомбинации положительных ионов и электронов также происходит излучение (рекомбинационное свечение). Свет, падая на катод может выбивать фотоэлектроны. Бомбардировка катода ионами может так его разогреть, что существенную роль начнет играть термоэлектронная эмиссия14 (например, в дуговом разряде).

Рисунок 24. 1