Учебник - Электричество - Калашников С.Г. (1238776), страница 94
Текст из файла (страница 94)
3 191. Движение ионов в электролитах Электролитическая диссоциация происходит не только в растворах, но и во многих чистых жидкостях. Так, электролитами являются в расплавленном состоянии многие соли, кристаллы которых построены из ионов. Сюда относятся поваренная соль ХаС1, КС1, А8С1, АеВг, НаМОэ и многие другио. 120 В Стекло является сильно переохлаж- А денной жидкостью с очень большой вязкостью. Оно представляет собой также электролит, в котором ионы Ма+ ыиыо Хи з а обладают заметной подвижностью. На рис, 326 показан опыт, доказывающий ванную проводимость стекла. В тигле н~.ходится расплавленная чилийская селитра 1хаМОВ, в которую погружен стеклянный баллон лампы накаливания.
Для опыта необходимо брать лампу пустотную, а не наполненную инертным газом, Нить лампы раскаляется настоян- рис. 326. Прохождение ным токам, а второй электрод а (из иоиоиХа сквозь отекло угля), погруженный в расплав, присоединяется к положительному концу нити.
При этом раскаленная середина нити оказывается при отрицательном потенциале относительно расплава. При накаливании нити лампы амперметр А показывает наличие тока в цепи. 1хаХОз диссоцнирует на ионы Ха+ и ХО . Ионы Уа+ движутся от анода а к стеклу лампы и проходят сквозь стекло. Внутри лампы имеется чисто электронный ток термозлектронной эмиссии. Термозлектроны нейтрализуют заряд Ха+, отчего эти ионы превращаются в нейтральные атомы Ма, выделяющиеся на стенке баллона внутри лампы. Под влиянием высокой температуры этот натрий затем перегоняется на более холодные части баллона, где образуется ясно видимый зеркальный слой натрия.
Ионы в электролитах испытывают многочисленные соударения с другими молекулами, и поэтому их движение происходит с трением, которое имеет то же происхождение, чта и трение 442 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЭЛЕКТРОЛИТАХ ГЛ ХЧШ при движении больших макроскопических тел, движущихся в газе или жидкости. Как известно, сила трения, испытываемая телами при движении в жидкостях и газах, при малой скорости движения пропорциональна скорости.
Аналогично сила трения иона пропорциональна скорости и его упорядоченного движения и равна — уи, где 1" — коэффициент трения, различный для разных ионов и зависягций от рода растворителя и температуры. При наличии электрического поля ион приобретает такую скорость установившегося движения, 4' Л при которой сумма силы трения и силы сЕ со стороны поля равна нулю: еŠ— 7'и = О. Обозначая е/1 через Ь,имеем о = ЬЕ. (191. 1) Таким образом, электролитический ион ~ ~~ Й~'~ движется равномерно, со скоростью, пропорциональной напряженности поля.
Величина Ь (так же, как для ионов в газах и электронов в металлах) называется подвижное«пью ионов. Она равна скорости иона в поле с напряженностью, равной единице. Пользуясь тем, что некоторые ионы сообщают раствору определенную окраску, можно сделать видимым движение ионов и непосредственно измерить их скорость. Прибор для наблюдения движения таких «окрашенныхь ионов изображен на рис. 327.
К 1хобразной трубке А припаяна снизу изогнутая тонкая трубка Б, заканРис 327 Прибор дли чиВаюгцаяся сВерху Воронкой и снабженоири еиимх иоиои ная краном. В трубку А сначала наливают при закрытом кране водный раствор азотнокислого калия КрсОз, который диссоциирует на катионы К+ и анионы ХОз, а трубку Б заполняют через воронку водным раствором марганцевокислого калия КМп04, диссоциирующего на ионы К и Мп04. Затем, осторожно открывая кран, впускают в трубку А раствор КМп04. При тщательном выполнении атой операции в трубке А видна резкая граница между фиолетовым раствором КМп04 и бесцветным КЬ10з.
При пропускании тока ионы К+ в обоих растворах движутся от анода к катоду. Однако, так как ионы К+ не сообщают раствору окраски, за их движением следить нельзя. Ионы Мп04 движутся от като- 443 $192 ПРОВОДИМОСТЬ ЭЛЕКТРОЛИТОВ да к аноду и вместе с ними перемещается фиолетовая окраска. Поэтому в том колене, где находится катод, видимая граница раздела жидкостей понижается, а в другом колене повышается. Скорость перемещения этой границы равна скорости движения ионов и. Для успеха подобных опытов нужно, чтобы плотность тока была не слишком велика, так как в противном случае будет происходить заметное нагревание растворов и граница раздела будет размываться вследствие конвекции и диффузии. 8 192.
Проводимость электролитов у+ — — п».еи», где пч. -- концентрация положительных ионов, е -- заряд иона, и+ — дрейфовая скорость положительных ионов. Аналогично для плотности тока отрицательных ионов можно написать =и еи Полная плотность тока 2 = у+ + 2 = п».еи». + и еи Как уже говорилось, концентрации положительных и отрицательных ионов в электролитах одинаковы (мы везде предполагаем, что молекулы диссоциируют на два иона), и поэтому и» =и =сап, где сс — коэффициент диссоциации, а п — число молекул в единице объема электролита. Далее скорости ионов можно выразить через нх подвижности и напряженность электрического поля в электролите: и» вЂ”вЂ” Ь».Е, и = Ь Е.
Поэтому у' = пес»(Ь, + Ь )Е. (192.1) Электрический ток в электролитах имеет много сходных черт с током в метвллах. В электролитэх и металлах, в отличие от газов, носители заряда образуются независимо от электрического тока. Далее, заряд положительных ионов в каждом объеме электролита равен заряду отрицательных ионов, и поэтому объемный заряд в электролитах, так же как и в металлах, равен нулю. Наконец, вдали от электродов концентрация ионов (положительных и отрицательных), как правило, одинакова в разных точках электролита.
Вследствие этого градиент концентрации ионов внутри электролитов равен нулю и диффузия ионов не играет роли в образовании тока. Плотность тока, создаваемая дрейфом положительных ионов, равна ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЭЛЕКТРОЛИТАХ ГЛ. ХИП1 Плотность тока оказывается пропорциональной напряженности поля, а следовательно, для электролитов, так же как и для ме- таллов, справедлив закон Ома. Удельная электрическая прово- димость электролита равна Л = пегх(Ь+ + Ь ). (192.2) Она тем больше, чем выше коэффициент диссоциации сг (чем больше концентрация ионов по) и чем больше подвижности ио- новЬ» иЬ .
Входящая в эту формулу концентрация молекул п известна, а коэффициент диссоциации гх можно определить из независимых измерений, например из опытов с осмотическим давлением. Поэтому, измеряя удельную электрическую проводимость Л электролитов, можно определить сумму подвижностей ионов. В 3 55 мы уже говорили, что сопротивление электролитов при нагревании умсныпается, т.е, электролиты имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Это происходит по двум причинам: во-первых, при увеличении температуры увеличивается коэффициент диссоциации об во-вторых, при нагревании вязкость жидкостей уменьшается и поэтому подвижность ионов увеличивается.
3 193. ~Хисла переноса. Подвижности ионов в электролитах 1 ! 1 При электролизе положительные ионы (катионы) уходят от анода к катоду, а отрицательные ноны (анионы) удаляются от катода. Поэтому концентрация электролита в приэлектродных областях изменяется. Гитторф енГе в середине нроша б лого века показал, что, ! ! определяя эти измене- ния концентрации, мож- ООООООЬООО обоих знаков. о е ! Рассмотрим сначала это явление качествен! ! ! но, для чего обратимся О+!О+ О».
О+ О О» Ое 0» 0" к схеме рис. 328. до О-ОООЙОЙОО электролиза концентрация анионов и катионов одинакова во всех частях 1 электролита (рис. 328, вверху). Между анодом Рис. 328 Объяснение изменения концентрации и линией а имеется чеэлектролита у электродов тыре парга ионов (че- тыре молекулы), между б и катодом — такое же число, а в средней части между а и б — две молекулы. При электролизе положительные ионы движутся слева направо, з 193 ЧИОЛА ПЕРЕНОСА. ПОДВИЖНОСТИ ИОНОВ 445 а отрицательные — справа налево. Положилг, что скорость движения катионов и+ в полтора раза больше скорости анионов е и что за время электролиза три положительных иона встретили катод и выделились на нем (рис.
328, внизу). Тогда за то же время анод встретят два отрицательных иона, Кроме того, у катода вследствие движения отрицательных ионов окажутся непарными два положительных иона, которые также выделятся у катода. Поэтому всего у катода выделится 3 + 2 = Ь ионов. У анода вследствие движения положительных ионов окажутся непарными три отрицательных иона, а следовательно, у анода будет выделено всего 2+ 3 = 5 ионов, т.е. такое же число, как у катода.
В средней части электролита (между а и б) концентрация электролита не изменилась. Так же как н до электролиза, здесь имеются две пары ионов или две молекулы. В пространстве же у катода (справа от б) было четыре молекулы, а после электролиза осталось только две. У анода (слева от а) вместо четырех первоначальных осталась лишь одна молекула.
Мы видим, что у электродов происхпдит уменьшение концентрации электролита и притом в неодинаковой степени. Изменение концентрации больше у того электрода (в нашем случае — у анода). от которого уходят более быстрые ионы (на рнс. 328 —. положительные катионы). К сказанному необходимо сделать следующее замечание. В схеме рис. 328 мы предполагали, что каждый ион выделяется при электролизе, т,е. никаких вторичных химических реакций нет. В этом случае концентрация у каждого из электродов уменыпалась пропорционально скорости уходящего иона.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
