電解液中的電流芻議

黃雄

(江陰南菁高級中學 江蘇 無錫 214400)

兩類導體，有不同的載流子，不同的載流子之間如何傳遞電荷呢？如圖1所示，電源負極流出的電子，到了電解池的陰極，經過還原反應，將負電荷傳遞給溶液(電子與正離子復合，等于溶液中負電荷增加).在溶液中依靠正離子向陰極運動，負離子向陽極運動，將負電荷傳遞到陽極.又經過氧化反應，將負電荷以電子形式傳遞給電極，極板上累積的自由電子經過導線流回電源的正極.由此可見，兩類導體導電方式的轉化是通過電極上的氧化-還原反應實現的.

圖1

如前所說，電流在溶液中的傳導是由正、負離子分別向陰極、陽極定向移動共同承擔完成的.同時，在相應的兩極界面上發生氧化-還原反應.現在考察電解過程中電極旁溶液及中間部溶液的濃度變化.設通電前陽極部、中間部、陰極部各含正、負離子5 mol，通電的電荷量為 4 F(F為法拉第恒量).為方便起見，陰、陽極設為惰性電極，正、負離子的遷移速率相等，且均為一價離子，如圖2所示.通電4 F后，中部溶液濃度不變，陽極部、陰極部濃度相同，但離子量各比通電前減少了 2mol.從圖2清楚地看到，到達陽極的負離子有從陰極部遷移過來的，也有陽極部直接過來的，通電的電荷量為 4 F，到達陽極的正離子的電荷量即為4 F.不過，離子電遷移過程會帶來溶液濃度的不均衡，需結合其他液相傳質方式，達到某種動態平衡.電極上某種離子的放電量(發生反應量)不等于電解液中某截面上通過該離子的量，原因是電流由正、負離子共同承擔.

圖2

圖3

根據電荷守恒定律，在穩恒電流的條件下，對于任何閉合曲面S，面內的電量不隨時間變化.在無分支的電路中，容易證明，各個截面的電流相等.在如圖3所示的電解池回路中，畫出封閉曲面Ⅰ，與金屬導線的橫截面為A，對于截面A，若t時間流出電子電荷量為Q，在同時間內，封閉曲面Ⅰ與電解液縱截面B流入的負電荷也為Q(正負離子電荷量絕對值之和).再畫出封閉曲面Ⅱ，與金屬導線橫截面仍為A，與溶液、陰極交界面相截于C，在C截面上t時間內通過的正離子電荷量應為Q，正好與陰極流入的電子電荷量Q復合.