4. Электрический ток в жидкостях и газах

Определения и обозначения

Электролит — жидкость или раствор, в котором носителями электрического тока служат положительные и отрицательные ионы. В металлическом проводнике заряд переносят главным образом свободные электроны, а в электролите движутся частицы обоих знаков. Это различие объясняет химическое действие тока в растворах.

Электролиз — выделение веществ на электродах при прохождении тока через электролит. Направленное движение ионов приводит их к электродам, где они вступают в химические реакции и превращаются в новые вещества. Поэтому электролиз связывает электрический ток с переносом вещества.

Ионизация газа — образование свободных электронов и положительных ионов из нейтральных атомов или молекул газа. Для отрыва электрона нужна энергия, которую могут сообщить нагревание, излучение или столкновение быстрых частиц. Ионизация создаёт носителей, без которых обычный газ почти не проводит ток.

Газовый разряд — прохождение электрического тока через газ, ставший проводящим благодаря заряженным частицам. Электроны и ионы движутся в электрическом поле и сталкиваются с частицами газа. По условиям поддержания различают несамостоятельный и самостоятельный разряды.

Как это устроено

В растворах электролитов молекулы растворённого вещества распадаются на ионы под действием молекул растворителя. Например, вода ослабляет связь между частями кристалла соли, поэтому ионы оказываются свободными и могут перемещаться. В расплавах похожий результат даёт разрушение ионной решётки при нагревании. Именно подвижность ионов делает жидкость проводящей.

Положительные ионы притягиваются к отрицательно заряженному катоду, а отрицательные — к положительному аноду. Это следует из действия электрического поля на заряд: частица положительного знака движется по направлению поля, а отрицательная — против него. На электродах ионы получают или отдают электроны и участвуют в химических реакциях. Поэтому при токе вещество перемещается от раствора к электродам и может осаждаться на них.

Масса вещества при электролизе определяется не только силой тока, но и временем его прохождения. Сначала вычисляют заряд Q = It, затем применяют закон Фарадея m = kQ, где k — электрохимическая константа данного вещества. Следовательно, при одинаковом электролите увеличение силы тока или времени увеличивает массу осадка. Единицы нужно переводить в СИ: ток — в амперы, время — в секунды, заряд — в кулоны.

В обычных условиях газ почти не проводит ток, потому что его атомы и молекулы электрически нейтральны. Внешнее воздействие может выбить из них электроны и создать положительные ионы. В электрическом поле электроны и ионы движутся в противоположных направлениях, но оба движения создают ток одного условного направления. При столкновениях частицы могут снова соединяться, поэтому проводимость зависит от равновесия ионизации и рекомбинации.

Если заряженные частицы возникают только под действием внешнего ионизатора, а после его выключения ток прекращается, разряд называют несамостоятельным. При достаточно сильном поле быстрые электроны сами ионизируют атомы при столкновениях, а новые частицы поддерживают процесс — это самостоятельный разряд. Плазмой называют ионизированный газ, содержащий заметное количество свободных электронов и ионов. Таковы, например, вещества внутри некоторых газоразрядных источников света.

Электрический ток в электролитах и газах

Таблица помогает сравнить не только носители заряда, но и происхождение проводимости. При решении задачи сначала определите среду, затем найдите её носителей и направление их движения. После этого можно установить, сопровождается ли ток химическим выделением вещества.

Разбор задач

Направление движения ионов

Условие. В растворе находятся катионы и анионы. Катод подключён к отрицательному полюсу источника, анод — к положительному. Нужно определить, куда движется каждый вид ионов.

1. Катионы имеют положительный заряд и притягиваются к отрицательному электроду.
2. Следовательно, положительные ионы движутся к катоду.
3. Анионы имеют отрицательный заряд и притягиваются к положительному электроду.
4. Значит, отрицательные ионы направляются к аноду.

Ответ. Катионы движутся к катоду, анионы — к аноду. Проверить результат можно по правилу притяжения разноимённых зарядов. Не следует путать движение анионов с направлением условного тока: отрицательные заряды перемещаются против него.

Расчёт массы при электролизе

Условие. Через электролит проходит ток I = 2 А в течение t = 5 мин. Электрохимическая константа вещества k = 0,0005 кг/Кл. Найдём заряд и массу выделившегося вещества.

1. Переведём время: t = 5 · 60 = 300 с.
2. Найдём заряд: Q = It = 2 · 300 = 600 Кл.
3. Применим закон Фарадея: m = kQ = 0,0005 · 600 = 0,3 кг.
4. Проверим единицы: произведение кг/Кл на Кл даёт килограммы.

Ответ. Через раствор прошёл заряд 600 Кл, масса выделившегося вещества равна 0,3 кг. Ход решения всегда начинается с вычисления полного заряда, потому что именно он определяет результат электролиза. Если время дано в минутах или часах, его сначала переводят в секунды.

Определение вида газового разряда

Условие. В первом опыте ток в газе исчезает после выключения внешнего ионизатора. Во втором опыте ток продолжает идти после его выключения. Нужно назвать оба разряда и объяснить их различие.

1. В первом опыте носители заряда создавались внешним ионизатором.
2. После его выключения новые частицы не появляются в достаточном количестве, поэтому ток прекращается.
3. Первый разряд является несамостоятельным.
4. Во втором опыте поле ускоряет частицы, которые ионизируют атомы при столкновениях.
5. Новые электроны и ионы поддерживают процесс без внешнего ионизатора.

Ответ. Первый разряд — несамостоятельный, второй — самостоятельный. Отличительный признак — необходимость внешнего источника ионизации. В самостоятельном разряде ионизация поддерживается самим электрическим полем.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что в электролите ток переносят электроны так же, как в металле. Так думают из-за общего определения тока, но в растворе основными носителями являются ионы. Проверьте себя: назовите частицы, которые могут перемещаться между молекулами жидкости.

Ошибка 2. Путать движение ионов с направлением условного тока. Катионы движутся по направлению тока, анионы — против него, поскольку их заряд отрицателен. Для проверки отдельно укажите знак каждого носителя и направление силы, действующей на него.

Ошибка 3. Связывать массу осадка только с силой тока. Закон Фарадея использует полный заряд Q = It, поэтому важно учитывать и время. Проверьте, переведены ли минуты в секунды и найден ли сначала заряд.

Ошибка 4. Называть любой ток в газе самостоятельным разрядом. Если после выключения внешнего ионизатора ток исчезает, разряд несамостоятельный. Проверка проста: выясните, откуда берутся новые заряженные частицы.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны понятия электрического тока, силы тока, электрического поля и носителей заряда. Она опирается на строение вещества, свойства ионов и химические реакции. Закон электролиза связывает измеряемые электрические величины с количеством вещества. Газовые разряды подготавливают изучение плазмы, газоразрядных источников света и электрических приборов.

Что запомнить

• В электролитах ток создают направленно движущиеся ионы обоих знаков.
• Катионы движутся к катоду, анионы — к аноду.
• При электролизе перенос заряда сопровождается переносом вещества.
• Масса выделившегося вещества пропорциональна прошедшему заряду: m = kQ.
• В газе ток возникает, когда появляются свободные заряженные частицы.
• Несамостоятельный разряд поддерживается внешним ионизатором, самостоятельный — условиями самого разряда.