Общий курс физики Том 3. Электричество - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
4. Стекло при обычных температурах является непрозодником электричества. Однако если его нагреть до температуры в несколько сот градусов, то оно начинает заметно проводить электричество. Наглядной демонстрацией этого может служить опыт, схема которого приведена на рис. 231. В цепь городского тока через реостат R включена стеклянная палочка, на концы которой А я В намотана голая медная проволока. При комнатной температуре сопротивление стеклянной палочки составляет многие миллионы омов. Поэтому при замыкании рубильника через цепь потечет ничтожный ток (микроамперы или еще меньше), и никакого накала лампочки JI не будет. Но если палочку А В нагреть на газовой горелке до температуры 300—400° С, то ее сопротивление упадет до нескольких десятков омов, и нить лампочки раскалится. Если после этого убрать горелку и одновременно закоротить лампочку ключом К, то общее сопротивление цепи уменьшится, а ток возрастет. Стеклянная палочка будет нагреваться электрическим током и раскалится до яркого свечения, в результате чего ее сопротивление еще больше уменьшится, а ток возрастет. В конце концов палочка расплавится.
Чем же объясняется проводимость стекла? Стекло представляет собой сильно переохлажденную жидкость, обладающую громадной вязкостью. Оно является также электролитом, в котором имеются положительные ионы натрия Na\ При нагревании, когда стекло размягчается и его вязкость сильно уменьшается, ионы в стекле приобретают заметную подвижность. Они-то и являются переносчиками тока в стекле. Доказательством этого может служить следующий демонстрационный опыт. В тигль, подогревав-
ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА И ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЗАРЯД
419
мый газовой горелкой (рис. 232), помещается расплавленная чи-лийская селитра NaN03, в которую погружается примерно на одну треть баллон вакуумной лампочки накаливания (газонаполненная не годится). Нить лампочки накаливается постоянным током. Угольный электрод а присоединяется к положительному концу нити и погружается в расплав селитры.
Он служит анодом, по отношению к которому все точки нити лампочки имеют более низкий потенциал. Расплав селитры частично диссоциирован на ионы Na+ и NO;i\ Под действием разности потенциалов между анодом и нитью, лампочки ионы Na+ движутся в селитре в направлении от анода а к баллону лампочки. Затем они проникают внутрь лампочки через ее стенки. На этих стенках они нейтрализуются электронами, испускаемыми накаленной нитью, и превращаются в нейтральные атомы Na. Испаряясь, последние осаждаются на более холодных частях внутренней поверхности стеклянного баллона лампочки, где образуется хорошо видимый зеркальный слой натрия.
§ 94. Законы электролиза Фарадея и элементарный заряд
1. Электролиз впервые наблюдался в 1800 г. Никольсом и Кар-лейлем, разложившими воду током от вольтова столба. Через семь лет Дэви (1778—1829) выделил и открыл натрий путем электролиза влажных кусков едкой щелочи. В дальнейшем электролиз наблюдался на многих других электролитах. Открытие количественных законов электролиза Фарадеем последовало в 1833 г. после того, как он ввел подразделение продуктов и реакций при электролизе на первичные и вторичные. Законы Фарадея определяют количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе. Их легко получить из рассмотрения механизма явления электролиза.
Каждый ион содержит целое число элементарных зарядов е, и поэтому заряд иона по абсолютной величине представляется выражением ve, где v — целое число, равное валентности соответствующего химического элемента или соединения. Пусть на электроде выделилось п таких ионов. Тогда их заряд по абсолютной величине будет nve. Если эти ионы выделились на катоде, то их заряд нейтрализуется электронами, подтекающими к катоду по
120В
420
ЭЛЕКТРОЛИТЫ
ІГЛ. VI
проводам, соединяющим его с источником тока. Если же они выделятся на аноде, то такое же количество электронов по проводам утечет от анода. В обоих случаях через цепь пройдет количество электричества q — rive. Пусть М — масса вещества, выделившегося на электроде, а т — масса иона (атома или молекулы). Тогда п = М1т, и, следовательно, М - mql (ve). Умножив числитель и знаменатель последней дроби на число Авогадро N, получим
M = <94Л>
где А = Nm — атомный вес, a F — постоянная, определяемая выражением
F = Ne. (94.2)
Эта постоянная называется числом Фарадея.
Для выяснения физического смысла числа Фарадея введем понятие грамм-эквивалента. Так называют количество вещества, масса которого в граммах равна атомному (а в случае химического соединения молекулярному) весу А, деленному на валентность V. Если в формуле (94.1) положить А1 = Л/v, то получится q = F. Это означает, что число Фарадея есть заряд, переносимый при электролизе одним грамм-эквивалентом ионов.
Формула (94.1) содержит оба закона электролиза, открытых Фарадеем. Согласно первому закону масса вещества, выделяющегося при электролизе на каждом электроде, пропорциональна количеству прошедшего электричества q. Второй закон утверждает, что эта масса пропорциональна химическому эквиваленту Л/v.
