電解液導電與酸堿鹽溶液導電的微觀機理相同嗎

摘要：電解液電解并導電時，由于自由離子是電離產(chǎn)生的，這些自由離子邊產(chǎn)生邊在電場作用下做定向運動，所以，在通電過程中，電解液中距離正負極不同遠近的地方正離子的體積濃度不同，負離子的體積濃度也不相同，因此，電解液的導電機理跟一般導體的導電機理不完全相同.以此為依據(jù)，對一道電學選擇題目進行剖析，并通過幾個類似的變式進行對比分析.

關(guān)鍵詞：電解液；酸堿鹽溶液；通電；電離；正離子；負離子；定向移動

中圖分類號：G632文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（2022）28-0119-03

收稿日期：2022-07-05

作者簡介：王偉民（1964-），男，本科，中學高級教師，從事高中物理教學研究.

從某個物理交流群很多老師對一道電學題目的爭論說起——

例1某一探測器因射線照射，內(nèi)部氣體電離，在時間t內(nèi)有n個二價正離子到達陰極，有2n個電子到達探測器的陽極，則探測器電路中的電流為（）.

A.0B.2netC.3netD.4net.這是早前有老師在某物理qq交流群詢問的一道題目.易知A、C兩選項明顯錯誤，問詢者不清楚該題目的正確答案是選項B還是選項D.從網(wǎng)上百度該題目的解答其結(jié)果不是唯一的，有選擇B選項的，也有選擇D選項的.當時這道題目曾經(jīng)引發(fā)群內(nèi)老師的激烈爭論，認為選項B和選項D正確的老師幾乎各占一半，而且都有各自的理由.認為選項B正確的老師的理由是，由于在時間t內(nèi)不論到達正極還是負極的電荷量都是相等的，都等于2ne，所以，根據(jù)電流的定義，電路中的電流應該等于到達正極（或負極）的電荷量除以到達并通過兩極這么多電荷量所用的時間，所以答案應為2net；而認為選項D正確的老師給出的理由是，在時間t內(nèi)，既然到達正極和負極的電荷量都是2ne，那么，如果在電離氣體中任意取一個橫截面，時間t內(nèi)從左右兩側(cè)穿過個橫截面的正電荷和負電荷的電荷量大小都是2ne，這就相當于從一側(cè)穿過該截面一種帶有4ne電荷量的電荷，所以，電路中的電流應該是4net.

這兩種不同的解釋看似都沒有問題，而一個確定的電路在確定的已知條件下，不可能同時存在大小不等的兩個電流值，那么，該選擇題目的正確選項究竟是哪一個呢？

筆者以為，該題目的正確選項應該是B而非D.上面提到的有老師選擇選項D分析的錯誤原因是，混淆了電解物質(zhì)在電解過程中的導電跟通常的導體（即非電解導體）的導電機理上的差異——除去電解物質(zhì)之外的其他導體內(nèi)部在未加外電場的條件下就已經(jīng)存在大量的自由電荷，這些自由電荷在電場力的作用下定向移動形成電流；而電解物質(zhì)在電解過程中導電時，物質(zhì)內(nèi)部原來不存在大量的自由電荷（實質(zhì)上還是絕緣體），只是于外在條件之下不斷電離而“產(chǎn)生”了自由電荷（正負離子）才“變?yōu)椤睂w的，這些電離出來的自由電荷在電場力作用下定向移動而形成電流，由于自由的正離子在電解物質(zhì)中是邊產(chǎn)生邊向負極定向移動，所以，電解物質(zhì)導電過程中，不同位置的正離子的體積濃度不同——越靠近電源負極的位置正離子“積累”的越多，正離子的體積濃度越大，越靠近電源正極的位置正離子的體積濃度越小.負離子在電解物質(zhì)的導電過程中的分布規(guī)律與正離子的分布規(guī)律類似，不同之處是越靠正極的位置，負離子的體積濃度越大.

因為氣體電離后的導電機理跟液體電離后的導電機理類似，所以，我們不妨以某種電解液為例來進行分析.

如圖1所示，某種電解液在電場作用下發(fā)生了電離，為便于分析，設(shè)電解液處于勻強電場之中，這樣，電解液將被均勻電離，即電解液中在相同時間內(nèi)各相等的體積元電解出的正離子數(shù)目相同（當然，相同時間內(nèi)各相等體積元電解出的負離子數(shù)目也相同——指化合價絕對值相同的正負離子），被電解出來的正負離子在電場力的作用下分別向相反的方向定向移動而形成電流——在電解液內(nèi)部正離子向電源的負極運動，負離子向電源的正極運動.

為便于分析，我們將電離出的正離子單獨隔離出來分析其運動規(guī)律.

如圖2所示，設(shè)電解槽的水平寬度為L，在電場力作用下，電解液內(nèi)沿電流方向單位長度中電離出的正離子的電荷量為q（為便于分析，假設(shè)這些電荷全部是“集中”在同一個單位長度中緊靠左側(cè)的豎直橫截面內(nèi)產(chǎn)生的，其中左邊第一列電離出的電荷緊貼正極的豎直平面內(nèi)電離產(chǎn)生——這樣的假設(shè)不影響問題推理的正確性），設(shè)這些正離子的定向移動速度為單位1（注：定向移動速度設(shè)成其他常量也可，不影響問題的分析，也不影響結(jié)論的正確性），則電解液中到正極距離為1的A1位置的豎直橫截面，在單位時間內(nèi)有q的電荷量從左向右通過，到正極距離為2的A2位置的豎直橫截面，在單位時間內(nèi)有2q的電荷量從左往右通過（這2q的電荷量是左邊緊貼正極位置電離出的正電荷q運動到此處后，與此處電離產(chǎn)生的正電荷q累積而成），…，到正極距離為x的Ax位置的豎直橫截面，在單位時間內(nèi)有xq的電荷量從左往右通過——這恰如由很多人組成的勻速向前行駛的一列縱隊，由于中途不斷有其他人“插隊”加入，使得單位時間內(nèi)通過某固定位置的人數(shù)不斷增加的道理一樣.

在導電過程中，電解液中負離子的產(chǎn)生及其通過某豎直橫截面的規(guī)律與正離子類似，所以，在圖2中的Ax位置，單位時間內(nèi)從右向左穿過該位置的豎直橫截面的電荷量為（L-x）q，因此，綜合考慮從兩側(cè)穿過該位置豎直橫截面的電荷，相當于在單位時間內(nèi)從左向右穿過該橫截面的正電荷的電荷量為Lq，該代數(shù)式的數(shù)值大小是一個與豎直橫截面積位置無關(guān)的量.這就是說，電解液在電離導電的過程中，穿過任意橫截面的電荷量相同，也都等于最終到達電源負極的正電荷或者到達電源正極的負電荷.

所以，本題的正確選項應該是選項B.

認為選項D正確的老師，是將電解物質(zhì)在電解導電過程中自由電荷的分布及運動規(guī)律等同于酸堿鹽溶液在導電過程中自由電荷的分布和運動規(guī)律了.

當然，如果將電解液的電離導電更改為酸堿鹽溶液的導電，在其他條件不變的情況下，我們可以將上述問題變式為材料背景類似，但選項結(jié)果不同的另外一個問題——

例2給氯化銅溶液通電時，在時間t內(nèi)有n個二價正離子銅離子到達電源的陰極，同時有2n個負離子氯離子到達電源的陽極，則電路中的電流為（）..

A.0B.2netC.3netD.4net.由于氯化銅溶液在通電過程中，溶液中的正負離子不是因通電而電離產(chǎn)生，而是“原來”就有的，所以，在通電過程中，溶液中各個不同位置的正離子的濃度相同，負離子的濃度也相同（不考慮因自由電荷的定向移動而使溶液中離子濃度的改變.因為通常情況下，在電場作用下，自由電荷定向運動的平均速率很小，在時間不是很長的情況下，可以認為溶液中各處自由電荷的體積濃度恒定不變），在溶液中取任意一個豎直橫截面，單位時間內(nèi)從兩側(cè)穿過該截面的正負電荷量相同（注：即使題目沒有到達兩極電荷量相等的條件，該結(jié)論也成立，否則，導電液體會因為正負電荷的反向不等量流動而局部乃至整體帶電），都等于單位時間內(nèi)到達電源正極的負電荷或到達電源負極的正電荷，所以，綜合考慮正負電荷的反向定向移動，穿過任一橫截面的電荷量等于從一側(cè)穿過該截面正電荷量的2倍（也等于從另一側(cè)穿過該截面負電荷量的2倍），因此，本題的正確選項是D.

電解液在電解并導電過程中，物質(zhì)內(nèi)部自由電荷的分布及運動規(guī)律與其它非電解物質(zhì)的導體在導電過程中自由電荷的分布及運動規(guī)律不完全相同，因此，解決涉及電解液中電流大小的確定問題時，不可以將二者混淆起來.我們再看兩個有具體數(shù)據(jù)作為已知條件的同類型的電學問題.

例3某一探測器的內(nèi)部空間為圓柱體形狀，內(nèi)部空間的長度為l=20cm，因射線照射，探測器內(nèi)部氣體被電離，氣體分子被電離成正2價的陽離子和負3價的陰離子.將探測器的兩端接入電壓恒定直流電源的兩極，則電離成的正負離子在電場作用下分別沿相反的方向各自定向運動，已知探測器內(nèi)部的氣體在空間內(nèi)被均勻電離，且空間內(nèi)部各點電離的速度保持相同且保持恒定，正負離子的定向運動速度相同，若電路中的電流大小為0.2A，試問，探測器內(nèi)部距離接負極那端h=8cm位置，在20s時間內(nèi)有多少個正離子通過圓柱體空間的橫截面？

再看同類問題中酸堿鹽溶液導電時的情形.

例4為了給一塊鐵板電鍍一層銅，將鐵板和另一塊金屬板插入飽和硫酸銅溶液里面，鐵板和另一塊金屬板分別接入電源的負極和正極，即可在鐵板的表面鍍銅.在電鍍過程中不斷向溶液中添加固體硫酸銅粉末并攪拌，使得溶液始終是硫酸銅的飽和溶液.若鍍銅過程中電路電流保持24.08A不變，試問，要在鐵板上面鍍上96g銅，需要多長時間（取阿伏伽德羅常數(shù)為NA=6.02×1023/mol）？

總之，氣體電離導電跟電解質(zhì)溶液導電，雖然都是外加電場的作用下靠正負離子各自向相反的方向定向運動而導電，但由于自由電荷形成的原因不同——前者是電離過程中產(chǎn)生，后者是導體中就已經(jīng)存在的，因此，在導電過程中正負離子在空間上的分布規(guī)律也不盡相同，根據(jù)已知條件定量確定某個未知物理量的過程，方法和原理也存在差異.

參考文獻：

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［2］ 趙堅.對電解液導電時如何計算電流問題的探討[J].物理教師，2013（10）：58-59.

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