電解液中的電流芻議

黃雄

(江陰南菁高級(jí)中學(xué) 江蘇 無錫 214400)

兩類導(dǎo)體，有不同的載流子，不同的載流子之間如何傳遞電荷呢？如圖1所示，電源負(fù)極流出的電子，到了電解池的陰極，經(jīng)過還原反應(yīng)，將負(fù)電荷傳遞給溶液(電子與正離子復(fù)合，等于溶液中負(fù)電荷增加).在溶液中依靠正離子向陰極運(yùn)動(dòng)，負(fù)離子向陽極運(yùn)動(dòng)，將負(fù)電荷傳遞到陽極.又經(jīng)過氧化反應(yīng)，將負(fù)電荷以電子形式傳遞給電極，極板上累積的自由電子經(jīng)過導(dǎo)線流回電源的正極.由此可見，兩類導(dǎo)體導(dǎo)電方式的轉(zhuǎn)化是通過電極上的氧化-還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的.

圖1

如前所說，電流在溶液中的傳導(dǎo)是由正、負(fù)離子分別向陰極、陽極定向移動(dòng)共同承擔(dān)完成的.同時(shí)，在相應(yīng)的兩極界面上發(fā)生氧化-還原反應(yīng).現(xiàn)在考察電解過程中電極旁溶液及中間部溶液的濃度變化.設(shè)通電前陽極部、中間部、陰極部各含正、負(fù)離子5 mol，通電的電荷量為 4 F(F為法拉第恒量).為方便起見，陰、陽極設(shè)為惰性電極，正、負(fù)離子的遷移速率相等，且均為一價(jià)離子，如圖2所示.通電4 F后，中部溶液濃度不變，陽極部、陰極部濃度相同，但離子量各比通電前減少了 2mol.從圖2清楚地看到，到達(dá)陽極的負(fù)離子有從陰極部遷移過來的，也有陽極部直接過來的，通電的電荷量為 4 F，到達(dá)陽極的正離子的電荷量即為4 F.不過，離子電遷移過程會(huì)帶來溶液濃度的不均衡，需結(jié)合其他液相傳質(zhì)方式，達(dá)到某種動(dòng)態(tài)平衡.電極上某種離子的放電量(發(fā)生反應(yīng)量)不等于電解液中某截面上通過該離子的量，原因是電流由正、負(fù)離子共同承擔(dān).

圖2

圖3

根據(jù)電荷守恒定律，在穩(wěn)恒電流的條件下，對(duì)于任何閉合曲面S，面內(nèi)的電量不隨時(shí)間變化.在無分支的電路中，容易證明，各個(gè)截面的電流相等.在如圖3所示的電解池回路中，畫出封閉曲面Ⅰ，與金屬導(dǎo)線的橫截面為A，對(duì)于截面A，若t時(shí)間流出電子電荷量為Q，在同時(shí)間內(nèi)，封閉曲面Ⅰ與電解液縱截面B流入的負(fù)電荷也為Q(正負(fù)離子電荷量絕對(duì)值之和).再畫出封閉曲面Ⅱ，與金屬導(dǎo)線橫截面仍為A，與溶液、陰極交界面相截于C，在C截面上t時(shí)間內(nèi)通過的正離子電荷量應(yīng)為Q，正好與陰極流入的電子電荷量Q復(fù)合.