Физика (стр. 53 )

б) и в) уровни валентной зоны полностью заняты электронами – зона заполнена. Для того чтобы увеличить энергию электрона, необходимо сообщить ему количество энергии, не меньшее, чем ширина запрещенной зоны . При этих условиях свойства кристалла определяются шириной запрещенной зоны. Если не превосходит одного электрон-вольта, энергии теплового движения оказывается достаточно для того, чтобы перевести часть электронов в верхнюю свободную зону, эти электроны будут находиться в условиях, аналогичных тем, в которых находятся валентные электроны в металле. Свободная зона окажется для них зоной проводимости. Такое вещество называется электронным полупроводником. Если ширина запрещенной зоны велика (порядка нескольких электрон-вольт), тепловое движение не сможет забросить в свободную зону заметное число электронов. В этом случае кристалл оказывается изолятором.

Рис. 3.3.10

Таким образом, зонная теория твердых тел позволяет с единой точки зрения истолковать существование металлов, диэлектриков и полупроводников, объясняя различие в их электрических свойствах, во-первых, неодинаковым заполнением электронами разрешенных зон и, во-вторых, шириной запрещенных зон.

2. Электрический ток в электролитах.

Прохождение тока через металлы не сопровождается какими-либо превращениями. Такие проводники называются проводниками 1-го рода. Вещества, в которых при прохождении тока происходят химические превращения, называются проводниками 2-го рода или электролитами. К их числу принадлежат растворы солей, щелочей и кислот в воде и некоторых других жидкостях, т. е. вещества, распадающиеся в растворе на ионы. Носителями заряда в электролитических растворах являются ионы. Чтобы выяснить, каким образом происходит диссоциация, рассмотрим полярную молекулу NaCl. При объединении атомов Na и Cl в молекулу происходит перераспределение электронов – валентный электрон натрия оказывается как бы включенным в оболочку атома хлора, для полной застройки которой не хватает как раз одного электрона. В результате атом натрия превращается в положительный ион, атом хлора – в отрицательный ион. Оба иона удерживаются в молекуле силами кулоновского взаимодействия. Эта связь под действием молекул растворителя может быть разрушена, и в этом случае молекула разделяется на два иона противоположного знака (диссоциирует). Диссоциация молекул проходит интенсивнее в жидкостях с большей диэлектрической проницаемостью. Из всех жидкостей (диэлектрическая проницаемость) больше всего у воды. Поэтому диссоциация молекул в водных растворах особенно велика.

Степень диссоциации вещества характеризуется коэффициентом диссоциации , показывающим, какая часть молекул растворенного вещества находится в диссоциированном состоянии. Если количество молекул растворенного вещества, содержащихся в единице объема раствора равно , то будут находиться в растворе в виде ионов и – в виде недиссоциированных молекул.

Если в раствор поместить металлические или угольные электроды и присоединить их к полюсам генератора постоянного напряжения (рис. 3.3.11), то между электродами образуется электрическое поле. В этом поле скорость ионов получает составляющую в направлении действия поля. Это движение ионов образует электрический ток. Движение происходит по всему объему, скорости невелики, т. к. ионы постоянно сталкиваются с молекулами растворителя и не распавшимися молекулами растворенного вещества. Скорость ионов, отнесенную к единице напряженности поля, называют подвижностью ионов. С повышением температуры подвижность ионов возрастает, следовательно, вязкость растворов уменьшается.

Рис. 3.3.11

Передвигаясь в растворе, ионы достигают электродов и, нейтрализуя заряды, превращаются в атомы соответствующего вещества. На аноде отрицательные ионы отдают лишние электроны, которые поступают во внешнюю цепь и поддерживают ток в ней. На катоде положительные ионы присоединяют электроны, поступающие из внешней цепи.

Таким образом, при прохождении тока через электролит происходит постепенное убывание ионов из раствора. Количество ионов пополняется за счет дальнейшей диссоциации молекул растворенного вещества. Пока средняя концентрация ионов в растворе неизменна, сила тока подчиняется закону Ома.

Процессы разложения электролита с выделением соответствующих веществ на электродах, которые происходят под действием электрического поля, называются электролизом. Законы электролиза были экспериментально установлены Фарадеем и носят его имя.

1 закон Фарадея: масса выделившегося на электроде вещества пропорциональна заряду, протекшему через электролит . Для постоянного тока , поэтому . Коэффициент пропорциональности зависти от природы вещества и называется электрохимическим эквивалентом этого вещества. При имеем (численно). Значит, электрохимический эквивалент представляет собой массу вещества, выделяющегося на электроде при прохождении через электролит заряда, равного единице.

2 закон Фарадея. Этот закон связывает электрохимический эквивалент с его химическим эквивалентом. Химическим эквивалентом называется безразмерная величина, численно равная массе данного элемента, выраженной в граммах (или в килограммах), которая замещает в химических соединениях 1,0078 г (или кг) водорода. (Валентностью элемента называется число атомов водорода, которое замещается в химических соединениях одним атомом данного элемента.) Для одновалентного элемента химический эквивалент равен его атомному весу. Для Z-валентного элемента химический эквивалент равен атомному весу, деленному на валентность . Второй закон Фарадея гласит: электрохимические эквиваленты всех веществ пропорциональны их химическим эквивалентам: ( – коэффициент пропорциональности). Величину называют числом Фарадея.

Объединяя оба закона Фарадея, получим: . При масса численно совпадает с . Количество элемента, масса которого (выраженная в граммах) численно равна химическому эквиваленту, называется грамм-эквивалентом. Количество вещества, масса которого равна килограммов, называется килограмм-эквивалентом. Таким образом, для выделения на электроде килограмм-эквивалента или грамм-эквивалента любого вещества, требуется пропустить через электролит один и тот же заряд, равный . Опытным путем установлено: или .

Пример 8. При пропускании через электролит тока в течение на катоде выделилось вещества. Какое это вещество?

Решение. По первому закону Фарадея имеем: . Отсюда . Такое значение имеет электрохимический эквивалент меди.

3. Электрический ток в газах.

Прохождение электрического тока через газы называется газовым разрядом. В металлах и электролитах носители заряда существуют всегда, независимо от прохождения тока; электрическое поле обусловливает лишь упорядоченное движение зарядов. Газы в нормальном состоянии являются изоляторами. Носители тока в них отсутствуют. Лишь при соблюдении специальных условий в газах могут появиться носители заряда (ионы, электроны) и возникнуть электрический разряд.

Наложим на газоразрядную трубку небольшое напряжение. Если внешний ионизатор отсутствует, ток через трубку не пойдет. Таким образом, для того чтобы стать проводником электричества, газ должен быть ионизован, т. е. должно произойти расщепление нейтральных атомов и молекул на ионы и свободные электроны. Под действием какого-либо ионизатора происходит вырывание из электронной оболочки атома или молекулы одного или нескольких электронов. Это приводит к образованию свободных электронов и ионов.