"Физика (базовый уровень)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.
Электрический ток может проходить не только по металлам, но и через жидкости и газы. В растворах и расплавах электролитов заряд переносят положительные и отрицательные ионы, а на электродах при этом изменяется или выделяется вещество. В газе ток создают электроны и ионы, возникающие при ионизации. Эти процессы объясняют работу аккумуляторов, электролизёров и газоразрядных приборов; для расчётов электролиза используют закон Фарадея.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электролит — раствор или расплав, в котором есть свободные положительные и отрицательные ионы. Они появляются при диссоциации: молекулы вещества распадаются на заряженные частицы. Это объясняет, почему жидкость может проводить ток, хотя в ней нет подвижных электронов, как в металле.
Электролиз — выделение вещества на электродах при прохождении тока через электролит. Ионы движутся к электродам, отдают или получают электроны и вступают в реакции. Понятие электролиза помогает связать электрический ток с химическим изменением вещества.
Газовый разряд — прохождение электрического тока через газ. Его создают движущиеся электроны и ионы, то есть заряженные частицы газа. Это понятие используют, чтобы описывать свечение и проводимость газа при определённых условиях.
Самостоятельный газовый разряд — разряд, который продолжается после прекращения внешнего воздействия, вызывающего ионизацию газа. Новые носители заряда в таком случае возникают за счёт процессов внутри газа. Это определение позволяет отличить устойчивый разряд от того, который сразу прекращается без внешнего ионизатора.
В растворах и расплавах электролитов молекулы распадаются на ионы, потому что взаимодействие с растворителем или нагрев ослабляет связи между частями вещества. Ионы сохраняют электрический заряд и могут перемещаться по жидкости. Поэтому при подключении источника тока заряд переносят сразу два вида частиц: положительные и отрицательные ионы. Их движения направлены навстречу друг другу, но оба создают ток в одном и том же направлении.
Электрическое поле заставляет ионы двигаться к электродам противоположного знака: положительные направляются к отрицательному катоду, а отрицательные — к положительному аноду. Достигнув электродов, ионы участвуют в реакциях и могут присоединять или отдавать электроны. Из-за этого на электродах выделяется вещество или изменяется их поверхность. Значит, электролиз — не просто перенос заряда: он сопровождается химическим превращением.
Масса вещества, образовавшегося при электролизе, зависит от того, сколько электрического заряда прошло через электролит. Закон Фарадея записывается так: m = kq, где m — масса выделившегося вещества, q — заряд, а k — электрохимический эквивалент, характерный для данного вещества. Поскольку q = It, закон можно записать в виде m = kIt, где I — сила тока, t — время его прохождения. При неизменных веществе и условиях увеличение тока или времени увеличивает прошедший заряд и массу осадка.
В обычном газе очень мало свободных заряженных частиц, поэтому он почти не проводит ток. Чтобы ток появился, газ нужно ионизировать: образуются свободные электроны и положительные ионы, а иногда также отрицательные ионы. Внешнее электрическое поле приводит эти частицы в упорядоченное движение. Их перемещение и есть газовый разряд.
Если носители заряда появляются только благодаря внешнему ионизатору, разряд называют несамостоятельным. Например, пока внешнее воздействие создаёт ионы и электроны, они поддерживают ток, но после его отключения постепенно исчезают и разряд прекращается. При самостоятельном разряде новые носители возникают за счёт процессов внутри газа, поэтому внешняя ионизация уже не нужна. Различие определяется не тем, есть ли ток в данный момент, а тем, что поддерживает появление заряженных частиц.
| Свойство | Электролит | Газ |
|---|---|---|
| Носители электрического заряда | Положительные и отрицательные ионы | Электроны и ионы |
| Откуда берутся носители | При диссоциации молекул в растворе или расплаве | При ионизации газа |
| Направление движения носителей | Положительные ионы — к катоду, отрицательные — к аноду | Электроны и отрицательные ионы — к аноду, положительные ионы — к катоду |
| Что происходит при прохождении тока | На электродах идут реакции, вещество выделяется или изменяется | Движутся заряженные частицы; разряд может сопровождаться свечением |
| Условие прекращения или поддержания тока | Нужны подвижные ионы и электрическое поле | Нужны свободные носители; разряд бывает несамостоятельным или самостоятельным |
Сравнивайте столбцы по строкам: так проще увидеть, что в обоих случаях ток связан с движением зарядов, но сами носители различаются. Строка о происхождении частиц показывает, почему электролит проводит благодаря диссоциации, а газу обычно нужна ионизация. Последняя строка помогает определить, что именно поддерживает ток в каждом случае.
Задача 1. Через раствор электролита за 5 минут прошёл ток силой 2 А. Найдём электрический заряд, прошедший через раствор. Для этого применим связь заряда с силой тока и временем: q = It.
Задача 2. Через раствор за 10 минут прошёл заряд 600 Кл, электрохимический эквивалент вещества равен 0,33 мг/Кл. Найдём массу выделившегося вещества. Здесь уже известен заряд, поэтому закон Фарадея удобно использовать в виде m = kq; время для вычисления не требуется.
Задача 3. Через первый раствор ток 1,5 А шёл 4 минуты, а через второй — ток 2 А в течение 3 минут. Растворы одинаковы, поэтому сравнить массы можно через заряды: по закону Фарадея при одинаковом k масса пропорциональна q. Переведём время в секунды, чтобы использовать амперы.
Ошибка — считать, что в электролите ток переносят только электроны. Так думают, потому что именно электроны создают ток в металлических проводниках. В растворе и расплаве основными носителями являются ионы, а электроны участвуют в реакциях на электродах. Проверка: назовите частицы, которые перемещаются внутри жидкости от одного участка к другому.
Можно перепутать, к какому электроду движется каждый ион. Положительные ионы притягиваются отрицательным электродом-катодом, а отрицательные — положительным анодом. Проверяйте направление по знакам зарядов: разноимённые заряды притягиваются. Если ион и электрод имеют одинаковый знак, выбранное направление неверно.
При расчётах по закону Фарадея иногда подставляют время в минутах, хотя сила тока выражена в амперах. В формуле q = It ампер умножается на секунду, чтобы получить кулон, поэтому минуты сначала переводят в секунды. Проверьте единицы перед вычислением: если t дана в минутах, умножьте её на 60. Не делайте такой перевод повторно, если время уже выражено в секундах.
Неверно считать, что любой газовый разряд сохраняется без внешней ионизации. Такое предположение смешивает самостоятельный и несамостоятельный разряды: последний зависит от внешнего источника ионизации. Для проверки спросите себя, продолжается ли разряд после прекращения этого воздействия. Если нет, разряд несамостоятельный.
Чтобы разбираться в токе в жидкостях и газах, нужно знать, что такое электрический ток, сила тока и заряд, а также понимать условия существования тока. Для количественных задач понадобится формула q = It, связывающая заряд с силой тока и временем. Эти знания пригодятся при изучении электрохимии и источников тока, а также при знакомстве с применениями электролиза и газового разряда.
Почему раствор соли проводит ток, а сухая соль — нет?
В воде соль распадается на свободные положительные и отрицательные ионы, которые могут двигаться под действием электрического поля. В сухой соли ионы удерживаются в узлах кристаллической решётки и не могут перемещаться по веществу.
Какие частицы переносят ток в электролите?
Ток переносят положительные и отрицательные ионы. Положительные движутся к катоду, а отрицательные — к аноду.
Что происходит с веществом на электродах при электролизе?
Ионы достигают электродов и участвуют в электродных реакциях. В результате на электродах может выделиться новое вещество или измениться состав поверхности.
Как найти массу вещества, выделившегося при электролизе?
Используют закон Фарадея: m = kq, где k — электрохимический эквивалент, а q — прошедший заряд. Если известны сила тока и время, сначала находят q = It, поэтому m = kIt.
Чем самостоятельный газовый разряд отличается от несамостоятельного?
Несамостоятельный разряд существует, только пока внешний источник ионизирует газ. Самостоятельный разряд продолжается и после прекращения внешнего воздействия, потому что носители заряда возникают благодаря процессам внутри газа.
§ 33. Электрический ток в жидкостях и газах
