電解液導(dǎo)電與酸堿鹽溶液導(dǎo)電的微觀機(jī)理相同嗎
——對(duì)兩類容易混淆的確定電流大小的問(wèn)題進(jìn)行剖析

王偉民

(安徽省太和縣宮集鎮(zhèn)中心學(xué)校 236652)

從某個(gè)物理交流群很多老師對(duì)一道電學(xué)題目的爭(zhēng)論說(shuō)起——

例1 某一探測(cè)器因射線照射，內(nèi)部氣體電離，在時(shí)間t內(nèi)有n個(gè)二價(jià)正離子到達(dá)陰極，有2n個(gè)電子到達(dá)探測(cè)器的陽(yáng)極，則探測(cè)器電路中的電流為( ).

這兩種不同的解釋看似都沒(méi)有問(wèn)題，而一個(gè)確定的電路在確定的已知條件下，不可能同時(shí)存在大小不等的兩個(gè)電流值，那么，該選擇題目的正確選項(xiàng)究竟是哪一個(gè)呢？

筆者以為，該題目的正確選項(xiàng)應(yīng)該是B而非D.上面提到的有老師選擇選項(xiàng)D分析的錯(cuò)誤原因是，混淆了電解物質(zhì)在電解過(guò)程中的導(dǎo)電跟通常的導(dǎo)體(即非電解導(dǎo)體)的導(dǎo)電機(jī)理上的差異——除去電解物質(zhì)之外的其他導(dǎo)體內(nèi)部在未加外電場(chǎng)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(chǎng)力的作用下定向移動(dòng)形成電流；而電解物質(zhì)在電解過(guò)程中導(dǎo)電時(shí)，物質(zhì)內(nèi)部原來(lái)不存在大量的自由電荷(實(shí)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(fù)離子)才“變?yōu)椤睂?dǎo)體的，這些電離出來(lái)的自由電荷在電場(chǎng)力作用下定向移動(dòng)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(fù)極定向移動(dòng)，所以，電解物質(zhì)導(dǎo)電過(guò)程中，不同位置的正離子的體積濃度不同——越靠近電源負(fù)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(fù)離子在電解物質(zhì)的導(dǎo)電過(guò)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(fù)離子的體積濃度越大.

因?yàn)闅怏w電離后的導(dǎo)電機(jī)理跟液體電離后的導(dǎo)電機(jī)理類似，所以，我們不妨以某種電解液為例來(lái)進(jìn)行分析.

如圖1所示，某種電解液在電場(chǎng)作用下發(fā)生了電離，為便于分析，設(shè)電解液處于勻強(qiáng)電場(chǎng)之中，這樣，電解液將被均勻電離，即電解液中在相同時(shí)間內(nèi)各相等的體積元電解出的正離子數(shù)目相同(當(dāng)然，相同時(shí)間內(nèi)各相等體積元電解出的負(fù)離子數(shù)目也相同——指化合價(jià)絕對(duì)值相同的正負(fù)離子)，被電解出來(lái)的正負(fù)離子在電場(chǎng)力的作用下分別向相反的方向定向移動(dòng)而形成電流——在電解液內(nèi)部正離子向電源的負(fù)極運(yùn)動(dòng)，負(fù)離子向電源的正極運(yùn)動(dòng).

為便于分析，我們將電離出的正離子單獨(dú)隔離出來(lái)分析其運(yùn)動(dòng)規(guī)律.

如圖2所示，設(shè)電解槽的水平寬度為L(zhǎng)，在電場(chǎng)力作用下，電解液內(nèi)沿電流方向單位長(zhǎng)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(gè)單位長(zhǎng)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(wèn)題推理的正確性)，設(shè)這些正離子的定向移動(dòng)速度為單位1(注：定向移動(dòng)速度設(shè)成其他常量也可，不影響問(wèn)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(shí)間內(nèi)有q的電荷量從左向右通過(guò)，到正極距離為2的A2位置的豎直橫截面，在單位時(shí)間內(nèi)有2q的電荷量從左往右通過(guò)(這2q的電荷量是左邊緊貼正極位置電離出的正電荷q運(yùn)動(dòng)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(shí)間內(nèi)有xq的電荷量從左往右通過(guò)——這恰如由很多人組成的勻速向前行駛的一列縱隊(duì)，由于中途不斷有其他人“插隊(duì)”加入，使得單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某固定位置的人數(shù)不斷增加的道理一樣.

圖1 圖2

在導(dǎo)電過(guò)程中，電解液中負(fù)離子的產(chǎn)生及其通過(guò)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(shí)間內(nèi)從右向左穿過(guò)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(guò)該位置豎直橫截面的電荷，相當(dāng)于在單位時(shí)間內(nèi)從左向右穿過(guò)該橫截面的正電荷的電荷量為L(zhǎng)q，該代數(shù)式的數(shù)值大小是一個(gè)與豎直橫截面積位置無(wú)關(guān)的量.這就是說(shuō)，電解液在電離導(dǎo)電的過(guò)程中，穿過(guò)任意橫截面的電荷量相同，也都等于最終到達(dá)電源負(fù)極的正電荷或者到達(dá)電源正極的負(fù)電荷.

所以，本題的正確選項(xiàng)應(yīng)該是選項(xiàng)B.

認(rèn)為選項(xiàng)D正確的老師，是將電解物質(zhì)在電解導(dǎo)電過(guò)程中自由電荷的分布及運(yùn)動(dòng)規(guī)律等同于酸堿鹽溶液在導(dǎo)電過(guò)程中自由電荷的分布和運(yùn)動(dòng)規(guī)律了.

當(dāng)然，如果將電解液的電離導(dǎo)電更改為酸堿鹽溶液的導(dǎo)電，在其他條件不變的情況下，我們可以將上述問(wèn)題變式為材料背景類似，但選項(xiàng)結(jié)果不同的另外一個(gè)問(wèn)題——

例2 給氯化銅溶液通電時(shí)，在時(shí)間t內(nèi)有n個(gè)二價(jià)正離子銅離子到達(dá)電源的陰極，同時(shí)有2n個(gè)負(fù)離子氯離子到達(dá)電源的陽(yáng)極，則電路中的電流為( ). .

由于氯化銅溶液在通電過(guò)程中，溶液中的正負(fù)離子不是因通電而電離產(chǎn)生，而是“原來(lái)”就有的，所以，在通電過(guò)程中，溶液中各個(gè)不同位置的正離子的濃度相同，負(fù)離子的濃度也相同(不考慮因自由電荷的定向移動(dòng)而使溶液中離子濃度的改變.因?yàn)橥ǔＧ闆r下，在電場(chǎng)作用下，自由電荷定向運(yùn)動(dòng)的平均速率很小，在時(shí)間不是很長(zhǎng)的情況下，可以認(rèn)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(gè)豎直橫截面，單位時(shí)間內(nèi)從兩側(cè)穿過(guò)該截面的正負(fù)電荷量相同(注：即使題目沒(méi)有到達(dá)兩極電荷量相等的條件，該結(jié)論也成立，否則，導(dǎo)電液體會(huì)因?yàn)檎?fù)電荷的反向不等量流動(dòng)而局部乃至整體帶電)，都等于單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)電源正極的負(fù)電荷或到達(dá)電源負(fù)極的正電荷，所以，綜合考慮正負(fù)電荷的反向定向移動(dòng)，穿過(guò)任一橫截面的電荷量等于從一側(cè)穿過(guò)該截面正電荷量的2倍(也等于從另一側(cè)穿過(guò)該截面負(fù)電荷量的2倍)，因此，本題的正確選項(xiàng)是D.

電解液在電解并導(dǎo)電過(guò)程中，物質(zhì)內(nèi)部自由電荷的分布及運(yùn)動(dòng)規(guī)律與其它非電解物質(zhì)的導(dǎo)體在導(dǎo)電過(guò)程中自由電荷的分布及運(yùn)動(dòng)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(wèn)題時(shí)，不可以將二者混淆起來(lái).我們?cè)倏磧蓚€(gè)有具體數(shù)據(jù)作為已知條件的同類型的電學(xué)問(wèn)題.

例3 某一探測(cè)器的內(nèi)部空間為圓柱體形狀，內(nèi)部空間的長(zhǎng)度為l=20cm，因射線照射，探測(cè)器內(nèi)部氣體被電離，氣體分子被電離成正2價(jià)的陽(yáng)離子和負(fù)3價(jià)的陰離子.將探測(cè)器的兩端接入電壓恒定直流電源的兩極，則電離成的正負(fù)離子在電場(chǎng)作用下分別沿相反的方向各自定向運(yùn)動(dòng)，已知探測(cè)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(diǎn)電離的速度保持相同且保持恒定，正負(fù)離子的定向運(yùn)動(dòng)速度相同，若電路中的電流大小為0.2A，試問(wèn)，探測(cè)器內(nèi)部距離接負(fù)極那端h=8cm位置，在20s時(shí)間內(nèi)有多少個(gè)正離子通過(guò)圓柱體空間的橫截面？

再看同類問(wèn)題中酸堿鹽溶液導(dǎo)電時(shí)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(fù)極和正極，即可在鐵板的表面鍍銅.在電鍍過(guò)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(guò)程中電路電流保持24.08A不變，試問(wèn)，要在鐵板上面鍍上96g銅，需要多長(zhǎng)時(shí)間(取阿伏伽德羅常數(shù)為NA=6.02×1023/mol)？

總之，氣體電離導(dǎo)電跟電解質(zhì)溶液導(dǎo)電，雖然都是外加電場(chǎng)的作用下靠正負(fù)離子各自向相反的方向定向運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)電，但由于自由電荷形成的原因不同——前者是電離過(guò)程中產(chǎn)生，后者是導(dǎo)體中就已經(jīng)存在的，因此，在導(dǎo)電過(guò)程中正負(fù)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(gè)未知物理量的過(guò)程，方法和原理也存在差異.