3. Методика изучения электропроводности электролитов

При изучении электрического тока в растворах электролитов главное внимание уделяют изучению закона Фарадея, выводу формулы для определения заряда одновалентного иона. Этот материал тесно связан с курсом химии (электролитическая диссоциация, природа носителей тока в электролитах, практические применения электролиза). Кроме того, к моменту изучения проводимости растворов электролитов учащиеся уже знакомы с электронной теорией и могут использовать ее для объяснения явлений. Поэтому считается нецелесообразным вести изложение материала, следуя историческому пути открытия законов Фарадея, а предлагается сразу же ввести объединенный закон Фарадея.

Масса вещества, выделяющегося при электролизе на каждом из электродов, пропорциональна молярной массе ионов этого вещества, силе тока и времени его прохождения через электролит и обратно пропорциональна валентности ионов вещества:

Из объединенного закона электролиза следует, что постоянная Фарадея для электролиза численно равна заряду, который надо пропустить через электролит для того, чтобы на электроде выделилась масса вещества, равная химическому эквиваленту ионов этого вещества. Измерения показали, что

.

Заряд q, который прошел через электролит, можно выразить через количество ионов N, нейтрализовавшихся на одном из электродов, и значение заряда одного иона , где е – элементарный электрический заряд, n – валентность:

Масса иона химического элемента . Поэтому масса вещества, которая выделилась на электроде,

Таким образом, элементарный заряд

Если подставить значение m из объединенного закон Фарадея, получим:

Необходимо обратить внимание на то, что электролиз широко используется в промышленности для нанесения защитных и декоративных покрытий на металлические изделия (гальваностегия), в производстве металлических копий с рельефных моделей (гальванопластика), для получения металлов из расплавленных руд и их очистки (гидроэлектрометаллургия), в производстве хлора, для электрохимической обработки металлов и др.

4. Методика изучения электропроводности газов

Явление прохождения электрического тока через газ называют электрическим разрядом в газе (или газовым разрядом).

Изучение данного вопроса целесообразно начать с демонстрационного опыта.

Возьмем электрометр с присоединенными к нему дисками плоского конденсатора и зарядим его. При комнатной температуре, если воздух достаточно сухой, конденсатор заметно не разряжается. Это показывает, что электрический ток в воздухе, вызываемый разностью потенциалов между дисками, очень мал. Следовательно, электрическая проводимость воздуха при комнатной температуре очень мала. Воздух можно считать диэлектриком.

Нагреем воздух между дисками горящей спичкой. Заметим, что стрелка электрометра быстро приближается к нулю – значит, конденсатор разряжается. Следовательно, нагретый газ является проводником и в нем устанавливается ток.

Вследствие нагревания часть атомов газа ионизуется – распадается на положительно заряженные ионы и электроны. В газе могут образовываться и отрицательные ионы, которые появляются благодаря присоединению электронов к нейтральным атомам.

Если ионизатор перестанет действовать, то газ перестанет быть проводником. Ток прекратится после того, как все ионы и электроны достигнут электродов. Кроме того, при сближении электрона и положительно заряженного иона они могут рекомбинировать, вновь образуя нейтральный атом.

Различают три вида ионизации: термическую ионизацию, фотоионизацию и ударную ионизацию.

Термическая ионизация происходит в результате столкновения атомов или молекул газа при высокой температуре, если кинетическая энергия относительного движения сталкивающихся частиц превышает энергию связи электрона в атоме.

Фотоиоиизация происходит под действием электромагнитного излучения (ультрафиолетового, рентгеновского или γ-излучения), когда энергия, необходимая для отрыва электрона от атома, передается ему квантом излучения.

Ионизация электронным ударом (или ударная ионизация) – это образование положительно заряженных ионов в результате столкновений атомов или молекул с быстрыми, обладающими большой кинетической энерги­ей, электронами.

Необходимо обратить внимание на сходство и различие механизма проводимости газов, с одной стороны, и металлов и растворов электролитов, с другой стороны.

1. В газах отрицательный заряд переносится, в основном, не отрицательными ионами, как в водных растворах электролитов, а электронами. Таким образом, в газах сочетается электронная проводимость, подобная проводимости металлов, с ионной проводимостью, подобной проводимости водных растворов электролитов.

2. В растворах электролитов образование ионов происходит вследствие ослабления внутримолекулярных связей под действием молекул растворителя (молекул воды). В газах же образование ионов происходит либо при нагревании, либо за счет действия внешних ионизаторов, например, излучений или быстрых свободных электронов.

Для исследования разряда в газе при обычных давлениях удобно использовать стеклянную трубку с двумя металлическими электродами.

Пусть с помощью какого-либо ионизатора в газе образуется за одну секунду определенное число пар заряженных частиц: положительных ионов (катионов) и электронов. Если разность потенциалов между электродами трубки равна нулю, то в трубке устанавливается динамичное равновесие, при котором число вновь образовавшихся пар в среднем будет равно числу пар, исчезающих в результате рекомбинации. Если изменять напряжение между электродами, то можно исследовать зависимость между током в газе и напряжением. Эту зависимость называют вольт-амперной характеристикой газового разряда.

Рассмотрим ее более подробно. На участке ОА число ионов, которые выносятся из разрядного промежутка током, во много раз меньше числа рекомбинирующих ионов, т. к. напряженность электрического поля очень мала. Поэтому концентрация ионов в газе на этом участке остается постоянной и не зависит от силы тока. Это означает, что сопротивление газового промежутка тоже постоянно. В результате на этом участке сила тока прямо пропорциональна напряжению, приложенному к электродам, т. е выполняется закон Ома. На участке АВ рост тока замедляется. Это обусловлено возрастанием числа ионов, которые выносятся током из разрядного промежутка, и соответствующим уменьшением их концентрации в газе, что ведет к увеличению сопротивления газового промежутка. Поэтому зависимость тока от напряжения на участке АВ является нелинейной (рост тока замедляется).

На участке ВС сила тока достигает насыщения и не зависит от напряжения. Причиной установления тока насыщения является полное прекращение процесса рекомбинации ионов. На участке CD ток вновь возрастает. Это обусловлено тем, что созданные внешним ионизатором электроны под действием внешнего электрического поля за время между двумя последующими столкновениями с нейтральными атомами (молекулами) газа успевают приобрести энергию, достаточную для ионизации атомов (молекул) при столкновениях с ними (энергия ионов в этом случае еще недостаточна для возникновения ионизации). Ионизацию при столкновениях называют ударной ионизацией.

Свободные электроны, возникающие в результате ударной ионизации, ускоряются электрическим полем и вызывают ионизацию новых атомов (молекул), т. е. являются вторичным ионизатором. Это вызывает лавинообразное размножение первичных электронов (и ионов), созданных внешним ионизатором, и усиление разрядного тока. Однако разряд все еще остается несамостоятельным, т. к. после прекращения действия внешнего ионизатора он прекращается, как только все электроны (первичные и вторичные) достигают анода. Таким образом, участок CD соответствует несамостоятельному, лавинообразному разряду в газе.

Для того чтобы разряд стал самостоятельным, необходимо возникновение под действием электрического поля вторичной электронной эмиссии с поверхности катода. Начиная с точки D, энергия положительно заряженных ионов, достигающих катода, становится больше работы выхода электронов с поверхности катода. Поэтому, если выключить внешний ионизатор при напряжении между электродами, которое соответствует точке Д, разряд будет поддерживаться за счет вторичной эмиссии электронов с поверхности катода, т. е. участок DE соответствует самостоятельному разряду. Напряжение U_з, соответствующее точке Д, называется напряжением зажигания. Заметим, что даже при напряжениях, больших, чем напряжение зажигания, кинетической энергии ионов недостаточно для ударной ионизации при их столкновениях с нейтральными атомами (молекулами). Поэтому при самостоятельном разряде роль ионизатора выполняют столкновения ионов с холодным катодом газоразрядной трубки.

Необходимо обратить внимание учащихся на то, что в зависимости от напряженности электрического поля, давления газа, формы и материала электродов различают следующие виды газового разряда: тлеющий, дуговой, коронный и искровой.

При рассмотрении самостоятельного разряда в газе учащиеся знакомятся с четвертым состоянием вещества – плазмой (это газ в сильно ионизованном состоянии, содержащий практически одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов). В связи с этим необходимо познакомить учащихся со свойствами плазмы (высокой электропроводностью, сильным взаимодействием с внешними электрическими и магнитными полями, наличием свойств, подобных упругости и т. д.), с распространением плазменного вещества во Вселенной, с применением плазмы.