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电解液导电简介

2022/07/15183 作者:佚名
导读:电解质的电离在熔融状态下,电解质分子完全离解为正、负离子;在电解质溶液中,电解质分子全部或部分地离解为正、负离子;这都叫做电解质的电离。在溶液(通常是水溶液)中,完全或几乎完全离解为正、负离子的电解质,叫做强电解质;只有一小部分溶质分子离解为正、负离子的电解质,叫做弱电解质。溶剂为水时,强酸(如硝酸、盐酸和硫酸等)、强碱(如氢氧化钠、氢氧化钾等)以及大部分可溶性盐(如氯化钠、硫酸铜等)都是强电解质

电解质的电离在熔融状态下,电解质分子完全离解为正、负离子;在电解质溶液中,电解质分子全部或部分地离解为正、负离子;这都叫做电解质的电离。在溶液(通常是水溶液)中,完全或几乎完全离解为正、负离子的电解质,叫做强电解质;只有一小部分溶质分子离解为正、负离子的电解质,叫做弱电解质。溶剂为水时,强酸(如硝酸、盐酸和硫酸等)、强碱(如氢氧化钠、氢氧化钾等)以及大部分可溶性盐(如氯化钠、硫酸铜等)都是强电解质,弱酸(如醋酸等)和弱碱(如氢氧化铵等)都是弱电解质。在溶液中,电解质的电离程度取决于电解质和溶剂的相互作用,例如,氯化氢在水中完全电离,但在碳氢化合物中则不电离。

溶剂对电解质的电离起重要作用,水分子是具有固有电偶极矩的极性分子,水的相对介电常数εr很大,在20°C时约为80,水分子的静电作用使电解质分子在水中离解为正、负离子所需的能量仅等于在真空情况下的1/εr倍,因而分子易于离解。同样,其他相对介电常数较大的极性溶剂(由有极分子组成的液体)如甲醇、乙醇、硝基苯等,也可作为电解质的溶剂。

在溶液中,离子和周围的溶剂分子借静电力紧密地互相束缚,形成一个复合体,叫做溶剂化离子,这一作用叫做溶剂化作用。溶剂为水时,分别叫做水化离子和水化作用。

1883~1887年间,瑞典化学家S.A.阿伦尼乌斯提出电解质电离的经典理论,它可以解释弱电解质溶液的性质,包括电导、渗透压、冰点降低等性质。按照这一理论,在弱电解质溶液中,一方面溶质分子离解为正、负离子,另一方面正、负离子又结合成溶质分子,这两种过程达到动态平衡,叫做电离平衡。结果有一部分溶质分子电离为离子,离解为离子的溶质分子数与溶质总分子数之比叫做电离度,它随溶液浓度的增大而减小。

在强电解质溶液中,由于溶剂的作用,溶质完全或几乎完全离解成正、负离子,并不遵守上述电离平衡条件。这类溶液的离子浓度较大,必须考虑离子间的静电相互作用。1923年,P.J.W.德拜和E.休克耳考虑离子间的相互作用,建立了电解质溶液的定量理论,叫做德拜-休克耳理论(也叫离子互吸理论),又经L.昂萨格、H.法尔肯哈根等人的发展,成功地定量解释了强电解质稀溶液的许多性质,但关于浓溶液的理论尚在继续发展,至今仍未完善。

电解液的电导率在外电场作用下,电解液中的正离子顺着电场方向、负离子逆着电场方向分别作定向运动,形成电流。电解液的电导率取决于正、负离子的浓度及离子在给定电场作用下的迁移速率。离子晶体熔融液(例如熔融的氯化钠)中载流子浓度大,因而电导率较大。在电解质溶液中,离子浓度比较小,离子迁移时受到的阻力比较大,而离子的质量又比金属中的自由电子大得多,所以电解质溶液的电导率比金属导体的电导率小得多。当温度升高时,溶液的粘滞系数降低。离子迁移时所受到溶液的粘滞阻力减少,因此,电解质溶液的电导率随温度升高而增大。

正、负离子的迁移速率v 、v_均与电场强度值E成正比:v =μ E,v_=μ_E,式中μ 与μ_分别叫做正、负离子的迁移率。设溶质正、负离子的价数分别为 Z与-Z(例如氯化钠:Z=1;硫酸铜:Z=2),并设正、负离子的浓度均为n,则电解质溶液中电流密度J的量值等于正离子的贡献J =nev 与负离子的贡献J_=nev_两者之和,其中e是电子电量绝对值,即J=J J_=ne(μ μ_)E,因此电解质溶液中的电流密度与电场强度成正比,即满足欧姆定律,而电导率 σ=ne(μ μ_)

与离子浓度n成正比,且与迁移率之和成正比。离子的迁移率随溶液粘滞系数的增大而减小,并随水化离子尺寸的增大而减小。迁移率大的离子对电导率的贡献也较大,特别是,氢离子的迁移率比常见离子的约大6倍。

在电化学中,把电导率与溶液的当量浓度(单位体积内溶质的克当量数)之比叫做当量电导Λ,可得 Λ=αF(μ μ_),

式中F为法拉第常数,α为电离度。对弱电解质,离子迁移率不随溶液浓度变化,故当量电导与电离度成正比。对强电解质(α=1),当量电导与正、负离子迁移率之和成正比。当溶液浓度增大时,正、负离子相互吸引对离子运动的牵制作用增强,因而离子迁移率降低,所以,当量电导随溶液当量浓度的增大而降低。溶液无限稀释时,离子间的相互作用可略去不计,当量电导趋于一定的极限值,叫做极限当量电导。

根据德拜-休克耳的离子互吸理论,由于异号离子互吸,同号离子互斥,在每一个溶剂化离子的周围,平均地说,异号离子出现的概率比同号离子出现的概率大,因而在离子(叫中心离子)周围有一球形对称分布的异号电荷层,叫做该中心离子的离子氛。在外电场作用下,当中心正离子移动时,负离子氛的球形对称性遭到破坏,需经一段松弛时间才能恢复原状,于是负离子氛的中心落在中心正离子后面,因静电作用而对中心正离子产生阻力,叫做松弛力。其次,中心正离子和离子氛中的负离子在电场作用下沿相反方向移动,但负离子也是溶剂化的,因而中心正离子是在溶剂化负离子移动所形成的一股逆流中移动,所受到的摩擦阻力比溶液静止情况为大,这种阻力叫做电泳力。对于中心负离子也是这样。松弛力和电泳力都使强电解质溶液的电导率下降。实验测定及离子互吸理论都证明,强电解质的当量电导可以写成 ,

式中A、B为取决于溶液性质及温度的系数,C为溶液的浓度,而Λo是无限稀释时的当量电导(极限当量电导)。

电解液导电的重要性,主要体现在化学和生物学领域。在电化学中,电解液电导率的实验测定主要用于研究电解质溶液的物理化学性质,并用来进行化学分析(电导分析法)。

电解电流通过电解液时,正离子移向阴极、负离子移向阳极,同时,在两个电极上发生化学反应,叫做电极反应。电流通过电解液而引起化学变化的过程,叫做电解,用于电解的装置叫做电解池或电解槽。电解是电能转换为化学能的过程。

在电解池中,正离子移向阴极,在阴极上获得电子还原成为中性原子或原子团;负离子移向阳极,在阳极上失去电子,氧化成为中性原子或原子团(也可以是阳极溶解而成为正离子)。在电极上的这些中性原子或原子团往往不稳定,它们与溶剂或电极发生化学反应,于是有物质在电极表面上析出。这种化学反应叫做副反应,其性质不仅取决于溶液,而且也与电极物质有关。例如,盐或金属氧化物的熔融液电解时,移向阴极的金属离子在阴极上获得电子而成为金属析出;酸、碱、碱金属或碱土金属的盐类,其水溶液电解时,氢离子移向阴极后得到电子而成为氢气逸出;当阳极由惰性材料(如铂电极、石墨电极)组成时,水溶液中移向阳极的OH 离子在阳极上失去电子而化为水并逸出氧气;当阳极为较活泼的金属电极(如锌、铜镍电极等)时,则往往是电极材料溶解而成为离子,例如用金属镍做阳极,电解硫酸镍水溶液时,在阳极处金属镍逐渐溶解变成Ni离子。

在电解过程中,电极上析出(或溶解)物质的量与通过电解液的电荷量之间有一定的关系,M.法拉第曾通过实验研究确定了法拉第电解定律。

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