"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под редакцией Орлова В.А.
Электрический ток может проходить не только по металлам, но и через растворы, расплавы и газы. В электролитах заряд переносят положительные и отрицательные ионы, а в газах — электроны и ионы, появившиеся при ионизации. Движение ионов вызывает электролиз и выделение веществ на электродах. Для расчётов используют закон Фарадея, а газовый разряд объясняют столкновениями и ударной ионизацией.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электролит — жидкость или расплав, содержащие свободные положительные и отрицательные ионы. При электролитической диссоциации молекулы или частицы вещества распадаются на ионы под действием растворителя либо нагревания. Это объясняет, почему раствор соли проводит ток.
Электролиз — выделение веществ на электродах при прохождении тока через электролит. Положительные ионы, или катионы, движутся к катоду, а отрицательные ионы, или анионы, — к аноду. Электролиз связывает электрический ток с химическими превращениями.
Газовый разряд — прохождение электрического тока через газ при наличии в нём свободных заряженных частиц. Такими частицами служат электроны и ионы. Понятие помогает описывать свечение газа, искру и работу некоторых приборов.
Ионизация газа — образование свободных электронов и ионов при отрыве электронов от атомов или молекул. Нейтральная частица превращается в положительный ион и электрон. Без достаточного числа таких носителей обычный газ почти не проводит ток.
В электролите ток создаётся направленным движением положительных и отрицательных ионов. Ионы возникают потому, что растворитель ослабляет связи между частицами вещества, а в расплаве этому способствует нагревание. Электрическое поле разделяет их движения: катионы идут в сторону отрицательного электрода, анионы — в сторону положительного.
При электролизе катионы достигают катода и принимают электроны, превращаясь в нейтральные атомы или молекулы. Анионы у анода отдают электроны и также участвуют в образовании новых веществ. Поэтому ток в электролите сопровождается химическими реакциями, а состав электродов или раствора может изменяться.
Масса выделившегося вещества зависит от общего заряда, прошедшего через электролит, а не только от силы тока. Закон Фарадея записывают так: m = kQ = kIt, где m — масса, Q — заряд, I — сила тока, t — время, а k — электрохимический эквивалент вещества. Чем больше ток или время его прохождения, тем больше заряд и масса продукта.
В обычном газе почти все частицы нейтральны, поэтому свободных электронов и ионов недостаточно для заметного тока. Ионизация возникает, например, под действием высокой температуры, излучения или столкновений быстрых частиц. После появления носителей электрическое поле ускоряет их, и они начинают двигаться упорядоченно.
При сильном поле электрон может набрать энергию, достаточную для выбивания электрона из атома при столкновении. Возникает ударная ионизация, число носителей быстро растёт, и разряд способен поддерживаться без внешнего ионизатора. Несамостоятельный разряд прекращается после удаления источника ионизации, а самостоятельный сохраняется благодаря процессам внутри газа.
| Свойство | Электролит | Газ |
|---|---|---|
| Носители электрического заряда | Положительные и отрицательные ионы | Электроны и положительные ионы |
| Откуда появляются свободные носители | Электролитическая диссоциация | Ионизация атомов и молекул |
| Что движется к положительному и отрицательному электроду | К положительному — анионы, к отрицательному — катионы | Электроны — к положительному электроду, положительные ионы — к отрицательному |
| Процессы на электродах или при столкновениях частиц | Ионы принимают или отдают электроны, выделяются вещества | Столкновения вызывают возбуждение и ударную ионизацию |
| Условия существования тока | Наличие свободных ионов и электрического поля | Наличие свободных зарядов и электрического поля |
| Характерный результат прохождения тока | Химическое разложение и осаждение вещества | Свечение, искра, нагрев или поддержание разряда |
Таблица показывает главное различие: в электролите носители появляются при диссоциации, а в газе — при ионизации. Для ответа на вопрос о направлении движения сначала определите знак частицы, а затем учтите знак электрода. В расчётных задачах об электролите используйте связь массы с зарядом.
Через раствор за 10 мин прошёл ток 2 А. Электрохимический эквивалент равен 0,33 мг/Кл. Найдём массу вещества на электроде.
Ответ: 396 мг, или 0,396 г.
За 5 мин на катоде выделилось 0,12 г вещества, а его электрохимический эквивалент равен 0,40 мг/Кл. Требуется найти силу тока.
Ответ: сила тока равна 1 А.
Для получения одинаковой массы двух веществ используют один и тот же заряд. Электрохимический эквивалент первого вещества вдвое больше. Сравним время электролиза при одинаковой силе тока.
Ответ: первое вещество получают в два раза быстрее. При одном и том же заряде оно также выделилось бы вдвое большей массой, но для равных масс времена различаются обратно пропорционально k.
Только электроны в электролите. Так рассуждают по аналогии с металлами, но в растворе заряд переносят ионы. Проверьте себя: назовите катионы и анионы, движущиеся в противоположных направлениях.
Путаница катода и анода. Ошибку вызывает запоминание знака вместо определения процесса. Катод — место восстановления и движения к нему катионов, анод — место окисления и движения анионов; знак электрода зависит от типа цепи.
Минуты подставляют в закон Фарадея. Из-за этого заряд получается в 60 раз меньше. Перед вычислением проверьте, что время переведено в секунды и единицы массы согласованы с единицами k.
Любой газ считают проводником. Нейтральные атомы не создают направленного тока, поэтому нужна ионизация. Проверьте условие задачи: указан ли внешний ионизатор или процесс, поддерживающий разряд после его удаления.
Для понимания темы нужны сила тока, электрический заряд, напряжение и направление движения положительных и отрицательных зарядов. Также пригодятся знания о строении атома, электроне, ионах и действии электрического поля на заряженные частицы. Эти представления используются дальше при изучении электрохимии, применения электролиза и электрических разрядов в газах.
Почему чистая вода проводит электрический ток хуже раствора соли?
В чистой воде очень мало ионов, которые могут переносить заряд. При растворении соли её молекулы или кристаллы распадаются на положительные и отрицательные ионы, поэтому проводимость резко возрастает.
Что происходит с ионами у катода и анода?
Катионы движутся к катоду и принимают там электроны. Анионы направляются к аноду и отдают электроны; в результате на электродах образуются новые вещества.
Как определить массу вещества, выделившегося при электролизе?
Сначала находят заряд: Q = It, где I — сила тока, а t — время его прохождения в секундах. Затем используют закон Фарадея: m = kQ = kIt, где k — электрохимический эквивалент.
Почему газ без ионизации обычно не проводит ток?
В обычном газе атомы и молекулы в основном нейтральны, поэтому свободных носителей заряда почти нет. Ионизация создаёт электроны и ионы, которые электрическое поле может привести в направленное движение.
Чем самостоятельный газовый разряд отличается от несамостоятельного?
Несамостоятельный разряд существует только пока действует внешний источник ионизации, например нагрев или излучение. Самостоятельный разряд поддерживается самим током: быстрые частицы вызывают ударную ионизацию и создают новые носители заряда.
§ 44. Электрический ток в жидкостях и газах
