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浅析电解质溶液中离子迁移规律

【摘 要】电化学是高中化学教学中的一个重要内容,而电解质溶液中离子的定向移动,则是学生面临的知识迷惑点,因为它与物理知识相互渗透的一个主要交汇点。所以 ,做好原电池、电解、电镀的演示实验 ,对于学生理解原理、提高学习兴趣、培养其创新精神和创造能力有着重要的意义。

【关键词】电解质 离子迁移 正负极 阴阳极 

在学习电化学过程中,不少学生对于电解质溶液中离子的移动方向的很迷惑,溶液中的离子是如何运动迁移?大都认为“溶液中阳离子均向正极定向迁移,而阴离子则向负极定向迁移”。我认为只是一般条件下的结论,在特定环境条件下的迁移?值得探究、榷商。 

首先要了解电解质溶液的导电特征;其次了解离子的电迁移。作为离子导体的电解质溶液是由离子的定向移动来实现导电,在电场力作用下正、负离子分别作定向运动。电化学把正、负离子在电场力作用下定向移动的现象称为电迁移。

 下面就几种典型类型做进一步的探究:

 一、原电池中离子定向移动 

 电池外电路是电流从正极流向负极,而内电路则相反,由负极流向正极,因此正电荷是从负极流向正极(阳离子往正极移动)。这只是一般规律,而本质不能简单地认为原电池内电路就是阳离子往正极移动,阴离子往负极移动。

 以铜锌原电池为例,Cu作正极,锌作负极,硫酸做电解质溶液。

 正极反应:2H + 2e- = H2↑ 

 负极反应:Zn - 2e- = Zn2+

对于正极来说,H不停的得到电子,生成H2,从而使得正极附近的H浓度减小,破坏水的电离平衡,OH浓度增大,而浓度相对较高的负极附近的H往正极方向移动;对负极而言,不停地生成Zn2+,使得负极附近的锌离子浓度不断的增大,Zn2+向正极迅速扩散,也会往正极移动。另外, SO42不可能在负极聚集,因为溶液中的硫酸根离子不参加反应,整个溶液中硫酸根离子没有变化。 

阴阳离子移动的“动力”是:离子分布不均与电荷分布不均造成的。如:正极附负近H氢离子要放电,使铜极周围H减少,整个溶液中就有了H浓度差,周围空间H浓度大就去补充铜电极周围那里的H,溶液中H以正极为中心,周围的H都向正极移动;那么Zn2+在负极周围生成,向周围扩散。氧根离子呢?因为正极区氢离子减少(放电消耗)所以该处OH浓度偏大,即以正极为中心向周围扩散。SO42因为电池的动力(氧化还原反应)根本没有引起SO42浓度的局部变化,所以也就没有了SO42的定向移动,所以正负极附近基本保持不变。

 二、电解池中的离子移动问题 

中学化学教材中 ,电解池中自由移动离子的定向移动是高中化学教学中的一大难点。下面笔者就电解池中离子定向移动的几种情况作简单的论述。 

 1、单液电解池中的阴阳离子的迁移动力可以通过以案例分析得出结论 

案例:以金属铜电极电解硫酸铜溶液为例 :

阳极发生的反应:Cu- 2e- =Cu2+

阴极发生的反应:Cu2++2e- =Cu 

错误案例分析:阳极部由于铜的氧化 ,Cu2+ 增加;阴极部由于Cu2+的还原 ,Cu2+减少 ,因此 , 溶液中Cu2+发生了替换式的定向移动 ,即向阴极作定向移动 ,总的趋势是溶液中Cu2+浓度基本保持不变。,这样 ,电解质溶液中的SO42就不可再向阳极作定向移动 ,否则就会使阳极部溶液显负电 ,阴极部溶液显正电。所以错误地得出 ,在上面的电解过程中 ,只有阳离子作定向移动的不全面的结论。事实上,电解池中离子定向移动,除了上面情况外,由于扩散H也适度地移动。

结论:所有阴离子(参与氧化还原反应阴离子)都向阳极移动,所有阳离子(包括参与氧化还原反应的阳离子)都向阴极移动。
   2、双液电解池中浅析电解质溶液中离子迁移规律盐桥里的阴阳离子的迁移 

(1) 用作盐桥的溶液需要满足以下条件: 阴阳离子的迁移速度相近;盐桥溶液的浓度要大;盐桥溶液不与溶液发生反应。

(2)盐桥在中学阶段有两个作用:一个是离子通道,要构成回路,溶液里一定要有离子迁移,第二个是保持溶液的电中性。盐桥起到了使整个装置构成通路、保持电中性的作用,又不使两边溶液混合。

Zn棒失去电子成为Zn2+进入溶液中,使ZnSO4溶液中Zn2+过多,带正电荷。Cu2+获得电子沉积为Cu,溶液中Cu2+过少,SO42过多,溶液带负电荷。当溶液不能保持电中性,将阻止放电作用的继续进行。盐桥的存在,其中SO42向ZnSO4溶液迁移,Na向ZnSO4溶液迁移,分别中和过剩的电荷,使溶液保持电中性,反应可以继续进行。
   3、离子交换膜影响离子的定向移动 

 离子交换膜法制烧碱即氯碱工业中的阳离子交换膜有一种特殊的性质,具有选择透过性能:

①阳离子交换膜只允许阳离子透过,而阻止阴离子和气体透过, 也就是说H、Na离子的只能作定向移动,由于溶液中氢离子浓度很小,一般不考虑,而Cl、OH和两极产物H2和Cl2无法通过, 

②阴离子交换膜的作用恰好相反,

所以这类膜又称为离子选择透过性膜。 

通过上述综合分析溶液中的阴阳离子有条件地向两极迁移,而有的离子则视具体情况而定一般有下列规律: 

综上所述:并非所有的离子都一定向两极作定向移动,只有某种离子的浓度发生了变化,才会发生定向迁移,并且由浓度高向浓度底的区域迁移;如果离子的浓度不发生变化,则该离子只是作无规则运动 

参考文献: 

[1]“原电池原理及其应用”. 化学教学 梁峻峰 (2008年06期) 

[2] 中学化学教学参考(2010年12期) 

作者简介:黄毅,男,出生:1967年 单位:广西容县杨梅中学 

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