ТОК В ЖИДКОСТЯХ
Происхождение электрического тока (движение электрических зарядов) через раствор существенно отличается от движения электрических зарядов по металлическому проводнику.
Различие, прежде всего в том, что зарядоносителями в растворах являются не электроны, а ионы, т.е. сами атомы или молекулы, потерявшие или захватившие один или несколько электронов.
Естественно, это движение, так или иначе, сопровождается изменением свойств самого вещества.
Рассмотрим электрическую цепь, элементом которой является сосуд с раствором поваренной соли и с вставленными в него электродами любой формы из пластины. При подключении к источнику питания в цепи появляется ток, представляющий собой в растворе движение тяжелых заряженных частиц – ионов. Появление ионов уже означает возможность химического разложения раствора на два основных элемента – Na и Cl. Натрий, потерявший электрон, представляет собой положительно заряженный ион, движущийся к электроду, который подключен к отрицательному полюсу источника питания, электрической цепи. Хлор, “узурпировавший” электрон, представляет собой отрицательный ион.
Отрицательные ионы хлора движутся к электроду, который подключен к положительному полюсу источника питания эл. цепи.
Образование положительных и отрицательных ионов происходит вследствие самопроизвольного распада молекулы поваренной соли в водном растворе (электролитическая диссоциация). Движение ионов обусловлено напряжением, поданным на электроды, опущенные в раствор. Достигнув электродов, ионы забирают или отдают электроны, образуя соответственно молекулы Cl и Na. Подобные явления наблюдаются в растворах многих других веществ. Молекулы этих веществ, подобно молекулам поваренной соли, состоят из противоположно заряженных ионов, на которые они и распадаются в растворах. Количество распавшихся молекул, точнее, число ионов, характеризует электрическое сопротивление раствора.
Ещё раз подчеркнём, что происхождение электрического тока по цепи, элементом которой является раствор, вызывает перемещение вещества этого элемента электрической цепи, и, следовательно, изменение его химический свойств, в то время, как при прохождении электрического тока по металлическому проводнику никаких изменений в проводнике не происходит.
От чего зависит количество вещества, выделяющегося при электролизе на электродах? Впервые на этот вопрос ответил Фарадей. Фарадей показал экспериментально, что масса выделяемого вещества связана с силой тока и временем его протекания t соотношением (закон Фарадея):
M = kq
Масса выделяющегося вещества при электролизе вещества прямо пропорциональна количеству прошедшего через электролит электричества и не зависит от других причин, кроме рода вещества.
Указанную закономерность можно проверить на следующих опытах. Нальём в несколько ванн один и тот же электролит, но разной концентрации. Опустим в ванны электроды, имеющие разную площадь, и расположим их в ванных на разных расстояниях. Соединим все ванны последовательно и пропустим через них ток. Тогда через каждую из ванн, очевидно, пройдёт одинаковое количество электричества. Взвесив катоды до и после опыта, мы обнаружим, что на всех катодах выделилось одинаковое количество вещества. Соединив все ванны параллельно и пропустив через них ток, можно убедиться, что количество вещества, выделившегося на катодах, прямо пропорционально количеству электричества, прошедшему через каждую из них. Наконец, соединив последовательно ванны с различными электролитами, легко установить, что количество выделившегося вещества зависит от рода этого вещества.
Величина, характеризующая зависимость количества выделяющегося при электролизе вещества от его рода, называется электрохимическим эквивалентом и обозначается буквой к. Электрохимический эквивалент вещества измеряется массой вещества, выделяющегося на электроде при прохождении через электролит единицы количества электричества.
Масса вещества, выделяющегося при электролизе, представляет собой общую массу всех разрядившихся на электроде ионов. Подвергая электролизу разные соли, можно на опыте установить количество электричества, которое должно пройти через электролит, чтобы выделился один килограмм – эквивалент данного вещества. Такие опыты впервые проделал Фарадей. Он нашел, что для выделения одного килограмм – эквивалента любого вещества при электролизе требуется одинаковые количества электричества, равные 9,65•10 7 к.
Количество электричества, необходимое для выделения при электролизе килограмм – эквивалента вещества, называется числом Фарадея и обозначается буквой F:
F = 9,65•10 7 к.
В электролите ион оказывается окруженным молекулами растворителя (воды), обладающими значительными дипольными моментами. Взаимодействуя с ионом, дипольные молекулы поворачиваются к нему своими концами, имеющими заряд, знак которого противоположен заряду иона, поэтому упорядочное движение иона в электрическом поле затрудняется, и подвижность ионов значительно уступает подвижности электронов проводимости в металле. Так как и концентрация ионов обычно не велика по сравнению с концентрацией электронов в металле, то электрическая проводимость у электролитов всегда существенно меньше электрической проводимости металлов.
Вследствие сильного нагревания током в электролитах достижимы лишь незначительные плотности тока, т.е. небольшие напряженности электрического поля. При повышении температуры электролита упорядоченная ориентация диполей растворителя ухудшается под влиянием усилившегося беспорядочного движения молекул, поэтому дипольная оболочка частично разрушается, подвижность ионов и проводимость раствора увеличивается. Зависимость удельной электрической проводимости от концентрации при неизменной температуре сложна. Если растворение возможно в любых пропорциях, то при некоторой концентрации электрическая проводимость имеет максимум. Причина этого такова: вероятность распада молекул на ионы пропорциональна числу молекул растворителя и числу молекул растворимого вещества в единице объёма. Но возможен и обратный процесс: (рекомбинация ионов в молекулы), вероятность которого пропорциональна квадрату числа пар ионов. Наконец, электрическая проводимость пропорциональна числу пар ионов в единице объёма. Поэтому, при малых концентрациях диссоциация полная, но общее число ионов мало. При очень больших концентрациях диссоциация слабая и число ионов также невелико. Если растворимость вещества ограничена, то обычно максимума электрической проводимости не наблюдается. При замораживании вязкость водного раствора резко возрастает, подвижность ионов резко уменьшается, и удельная электрическая проводимость падает в тысячу раз. При затвердевании же жидких металлов подвижность электронов и удельная электрическая проводимость почти не изменяется.
Электролиз широко применяется в различных электрохимических производствах. Важнейшие из них: электролитическое получение металлов из водных растворов их солей и из их расплавленных солей; электролиз хлористых солей; электролитическое окисление и восстановление; получение водорода электролизом; гальваностегия; гальванопластика; электрополировка. Методом рафинирования получают чистый металл, очищенный от примесей. Гальваностегия – покрытие металлических предметов другим слоем металла. Гальванопластикой – получение металлических копий с рельефных изображений каких-либо поверхностей. Электрополировка – выравнивание металлических поверхностей.
ПЛАЗМА
Плазма – это частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Таким образом, плазма в целом является электрически нейтральной системой.
Количественной характеристикой плазмы является степень ионизации. Степенью ионизации плазмы a называют отношение объемной концентрации заряженных частиц к общей объемной концентрации частиц. В зависимости от степени ионизации плазма подразделяется на слабо ионизованную (a составляет доли процентов), частично ионизованную (a порядка нескольких процентов) и полностью ионизованную (a близка к 100%). Слабо ионизованной плазмой в природных условиях являются верхние слои атмосферы – ионосфера. Солнце, горячие звезды и некоторые межзвездные облака – это полностью ионизованная плазма, которая образуется при высокой температуре.
Средние энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут значительно отличаться одна от другой. Поэтому плазму нельзя охарактеризовать одним значением температуры Т; различают электронную температуру Т е, ионную температуру Т i (или ионные температуры, если в плазме имеются ионы нескольких сортов) и температуру нейтральных атомов Тa (нейтральной компоненты). Подобная плазма называется неизотермической, в отличие от изотермической плазмы, в которой температуры всех компонентов одинаковы.
Плазма также разделяется на высокотемпературную и низкотемпературную. Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.
Плазма обладает рядом специфических свойств, что позволяет рассматривать ее как особое четвертое состояние вещества.
Из-за большой подвижности заряженный частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей плазмы, вызванное скоплением частиц одного знака заряда, быстро ликвидируется. Возникающие электрические поля перемещают заряженные частицы до тех пор, пока электрическая нейтральность не восстановится и электрическое поле не станет равным нулю. В отличие от нейтрального газа, между молекулами которого существуют короткодействующие силы, между заряженными частицами плазмы действуют кулоновские силы, сравнительно медленные убывающие с расстоянием. Каждая частица взаимодействует сразу с большим количеством окружающих частиц. Благодаря этому наряду с хаотическим тепловым движением частицы плазмы могут участвовать в разнообразных упорядоченных движениях. В плазме легко возбуждаются разного рода колебания и волны.
Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ионизации. При высокой температуре полностью ионизованная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.
Низкотемпературная плазма применяется в газоразрядных источниках света – в светящихся трубках рекламных надписей, в лампах дневного света. Газоразрядную лампу используют во многих приборах, например, в газовых лазерах – квантовых источниках света.
Высокотемпературная плазма применяется в магнитогидродинамических генераторах.
Недавно был создан новый прибор – плазмотрон. В плазмотроне создаются мощные струи плотной низкотемпературной плазмы, широко применяемые в различных областях техники: для резки и сварки металлов, бурения скважин в твердых породах и т.д.