Движение ионов в электрическом поле

ЭЛЕКТРОХИМИЯ

Электрохимия – это раздел физической химии, в котором изучаются законы взаимного превращения химической и электрохимической форм энергии и системы, где эти превращения осуществляются.

В зависимости от природы токопроводящих частиц и от их электропроводности все вещества можно условно разделить на пять основных групп:

- непроводящие тела или изоляторы – вещества, в которых даже при больших электрических полях не наблюдается прохождения тока;

- проводники I рода или электропроводящие тела – вещества, электрическая проводимость которых обусловлена электронами. К ним относятся металлы, их некоторые оксиды, углеродистые материалы. Удельное сопротивление лежит в пределах ;

- полупроводники – вещества, ток в которых переносится электронами и дырками. По электропроводности они располагаются между изоляторами и металлами. Удельное сопротивление полупроводников изменяется в широких пределах от 10^-7 до 10³ ;

- проводники II рода – вещества, обладающие ионной проводимостью (твердые соли , ионные расплавы , растворы электролитов );

- смешанные проводники – вещества, сочетающие электронную и ионную проводимости.

В электрохимии рассматривают проводники второго рода.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ

 

Движение ионов в электрическом поле

 

Согласно теории Аррениуса, молекулы электролитов в водном растворе диссоциируют на электрически заряженные частицы – ионы, которые и являются переносчиками электричества. Не все электролиты диссоциируют в одинаковой степени: одни – сильные электролиты – диссоциируют в растворе полностью; другие – слабые электролиты – диссоциируют частично. Электропроводность слабых электролитов определяется степенью диссоциации α, которая зависит от концентрации электролита и температуры. В растворе слабого электролита между недиссоциированными молекулами и ионами устанавливается равновесие:

.

Независимо от степени диссоциации электролита соблюдается электронейтральность раствора, т.е. числа положительных и отрицательных зарядов в растворе равны.

Ионы в растворе электролита находятся в непрерывном беспорядочном движении. При наложении внешнего электрического поля на хаотичное тепловое движение ионов накладывается ориентированное поступательное движение к поверхности электродов. На скорость передвижения катионов и анионов в преимущественном направлении влияет ряд факторов:

а) размер иона: чем меньше ион, тем он более подвижен. При этом следует помнить, что ионы в водном растворе гидратированы, а значит, речь идет о размерах гидратированного иона;

б) заряд иона: скорость движения иона тем больше, чем выше его заряд;

в) напряженность внешнего электрического поля (отношение разности потенциалов между электродами к расстоянию между ними); чтобы исключить влияние этого фактора, принято сравнивать абсолютные скорости движения ионов: абсолютной скоростью иона назы вают скорость его передвижения в поле с напряженн стью 1 ;

г) концентрация электролита: с уменьшением концентрации электролита в растворе абсолютные скорости ионов растут, так как увеличивается расстояние между ними и уменьшаются силы электростатического взаимодействия. При бесконечном разбавлении С→0 абсолютные скорости ионов достигают максимального значения;

д) температура: абсолютная скорость движения любого иона тем больше, чем меньше вязкость растворителя η. С увеличением температуры вязкость растворителя уменьшается, а абсолютная скорость движения ионов растет;

е) аномально высокими значениями абсолютных скоростей в водных растворах обладают ионы Н₃О⁺ и ОН^-, что принято объяснять особым механизмом движения этих ионов в водных растворах – эстафетным.

Между ионами гидроксония Н₃О⁺ и молекулами воды Н₂О, а также гидроксидионами ОН^- и Н₂О происходит обмен ионами Н⁺. Эти процессы протекают с огромной скоростью – средняя продолжительность существования иона Н₃О⁺ составляет около 10^-11 с. В отсутствие внешнего поля такой обмен протекает в любых направлениях; под действием электрического поля передача ионов Н⁺ происходит направленно.

Величина, характеризующая способность веществ проводить электрический ток под действием внешнего электрического поля, называется электрической проводимостью (электропроводностью) .

Для оценки проводимости растворов и влияния на нее различных факторов на практике используют величины удельной электропроводности χ, эквивалентной электропроводности λ и молярной электропроводности μ.