浅谈电解液中的电流计算

1浅谈电解液中的电流计算大家都知道，金属是第一类导体，在导体中，载流子是自由电子。金属导体中的电流是大量的自由电子在外加电场的作用下作定向移动形成的。电解液（如酸、碱、盐水溶液）属于第二类导体——离子导体，它的载流子有两种，即阴离子和阳离子。电解液中的电流是阴、阳两种离子在外电场作用下发生定向移动的结果。那么，电解液中的电流强度是如何计算的呢？从电化学知识可知，电解液导电过程总伴随着某种化学反应，其实质是在外电源作用下的在电解液与两电极的接触面上发生的氧化——还原反应，把电能转化为化学能。在两个电极之间，两种载流子分别向电极作相反方向的定向移动，形成电解液中的电流。下面就以图中的电解池为例进行讨论（在此不进行详细的化学反应分析）。我们将电解池与电源正极相联的电极称为阳极，与电源负极相联的电极称为阴极。硫酸铜（4CuSO）溶液中有两种载流子：2Cu阳离子和24SO阴离子。在没有外加电场（电源未接通）时，这些阴、阳离子只是在溶液中作无规则的热运动。当电源与电解池两极接通时，在电场作用下，阳离子向阴极作定向迁移，到达阴极时交出正电荷（实际上是得到电子）变成中性原子或原子团；同时阴离子向阳极作定向迁移，到达阳极时交出负电荷（电子）变成中性原子或原子团。现假定在电解液中的阴阳离子的数目相等，在外加电场不太大时，欧姆定律仍适用于液体的导电，且在同一电流回路中，当电路稳定时，任何一处截面的电流强度必相等，则在电解池中任何一个垂直于载流子迁移方向的截面上流过的电流也相等，由电流的定义式tQI可知，在任何一处截面上单位时间内通过的阴、阳离子的电量绝对值的和必定相等。在理想情况下，为简单处理可以这样认为，在电解池的某一截面中，如果此截面越靠近阳极，则在单位时间内通过此截面的阴离子数越多，而阳离子则越少；在靠近阴极的截面情况恰恰相反。但在同一电解池任意一个截面通过的阴、阳两种离子的电量绝对值总是相等的。在中间的截面上，单位时间内通过此截面的阴、阳离子的电量绝对值恰恰相等。了解以上的细节以后，在计算电解液中的电流时，就要注意准确理解电流的定义式中Q的物理意义。下面通过一个例子去详细解释电解液中的电流的计算：在某电解液中，（1）若10秒内沿相反方向通过某横截面的正、负离子的电量均为2库仑，则电解液中的电流强度为多少？（2）若10秒内到达阳极的负离子和到达阴极的正离子均为2库仑，则电解液中的电流强度又是多少？+-阳极阴极阴离子：阳离子：中截面电解液中的离子的迁移现象图1：2解析：（1）根据电流的定义式tQI，Q是在时间t内通过此电解液横截面的载流子的电荷量，由于正负电荷在电解液中的定向移动方向是相反的，因此它们在电解液中形成的电流方向是相同的，在计算Q时应该取正、负离子的电量的绝对值之和，则有4.01022I（安培）。另外，根据上面的论述，此截面应是两电极间的中截面，故单位时间内通过此截面的正负电荷数的绝对值相等。（2）本小题与上小题有所不同，上小题所选取的截面是中间截面，而本小题所选取的截面是靠近电极的截面（可认为非常靠近，但注意不是电极表面）。如果仍然以上题的方法，认为4.01022tQI（安培），这样计算是错误的。因为由上面的论述可知，在靠近阳极的截面，到达电极的只有负离子，同时到达阴极的只有阳离子。而在电解液中的任意一处截面，单位时间内通过的阴、阳离子的电量的绝对值之和总是相等的，此时通过中间截面的正、负电荷分别是+1库仑和-1库仑，因此正确的结果应该是2.0102tQI（安培）。综上所述，在计算通过电解液中的电流时，要注意电流的定义式tQI的真正物理意义，要搞清楚电解液中的载流子的类型和所要研究的截面在电解液中的哪一个位置，准确地确定通过导体横截面的电量Q，只要搞清楚这些关键点，处理这类问题并不困难。