Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ И ЗОНДОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК В ЭЛЕКТРОЛИТАХ И ПЛАЗМЕ

Актуальность представляемого исследования обусловлена проблемами, возникающими на стыке наук — физики, биологии, медицины. В частности, сотрудни­ками медицинского факультета СПбГУ была сформулирована задача выяснения ме­ханизмов образования язв. Как известно, в организме млекопитающего, состоящего на 4/5 из жидкости, обмен веществ осуществляется электролитическим взаимодействи­ем. Основными параметрами, характеризующими в этом случае обменные процессы, являются концентрации заряженных частиц, их подвижность, коэффициенты диффу­зии, распределение электрических полей. Значения перечисленных величин получают при измерении вольт-амперных характеристик (ВАХ). Такой подход применяется при изучении электролитов и при диагностике плазмы.
Для исследования локальных параметров газового разряда используются зондовые методы. В газоразрядной плазме принята следующая классификация режимов движе­ния частиц на зонд:
• режим орбитального движения, которому соответствует толстый слой объёмного заряда, окружающий зонд, и бесстолкновительное движение частиц на зонд;
• дрейфовый режим движения частиц — ему соответствует так называемый тонкий слой;
• столкновительный (промежуточный) режим движения частиц на зонд, при ко­тором в слое объёмного заряда происходит одно-два столкновения заряженных частиц с нейтральной компонентой.
Порядок перечисления здесь отражает степень теоретической разработки и обоснова­ния явлений, сопровождающих измерение зондовых кривых в различных плазменных условиях.
Сравним ВАХ электролита и зондовые характеристики в газоразрядной плазме. На рис. 1 приведена зависимость I(U) для одиночного зонда [1]. Участок отрицательных потенциалов АВ соответствует движению положительных ионов на зонд, формирую­щему отрицательный слой объёмного заряда. На интервале ВС ионный ток умень­шается за счёт возрастающего влияния электронов.
Рис. 1. Характерный вид ВАХ одиночного зонда в плазме
В точке С ток ионов равен току электронов. На участке CD происходит экспоненциальный рост тока электронов. В окрестности точки D исчезает слой объёмного заряда. Это — область так называемо­го потенциала пространства, где его величина определяется равенством потоков ионов и электронов. В интервале DE происходит перемена знака потенциала. Это вызывает рост тока и, как следствие, увеличение электронного слоя. Участок EF соответствует малому току при значительном росте потенциала. На этом участке слой практически не увеличивается. Дальнейший рост потенциала вызывает ионизацию частиц газа в слое зонда, чему соответствует стремительный рост тока на участке FG. Отметим, что тол­щину ионного слоя принято считать в (M/me)1/4 раз больше величины электронного слоя.
На рис. 2 изображён характерный вид ВАХ раствора нитритов [2]. Зависимость си­лы тока от приложенной разности потенциалов принято называть полярографической кривой. Поскольку ионная характеристика практически симметрична относительно на­чала координат, рассмотрим только положительную ветвь графика. Незначительное возрастание силы тока связано с увеличением потенциала катода и образованием слоя объёмного заряда. Здесь рост тока возможен за счёт легко восстанавливающихся ионов. При достижении потенциала, необходимого для восстановления Cu2+, наблюдается рез­кий рост тока. Скорость восстановления ионов определяется наиболее медленной стади­ей из ряда процессов: диффузии иона к поверхности электрода; передачи электронов от электрода к иону; удаления продуктов восстановления от поверхности электрода и т. д. После участка восстановления сила тока не увеличивается, несмотря на рост потенциа­ла. Такие же особенности кривой проявляются при величине потенциала, необходимой для восстановления ионов Pb2+ и Zn2+.
Рис. 2. Положительная ветвь полярограммы восстановления ионов меди, свинца и цинка в растворе KNO3
Следует отметить, что в растворах, содержащих соли галогенов и некоторые другие простые соединения, ВАХ электролита принимает симметричный вид, как и в случае двухзондовой методики измерений I(U) в газоразрядной плазме или измерений зондо­вой ВАХ в ион-ионной плазме [3].
Общий вид представленных выше кривых и характер взаимодействия между части­цами подсказывает использовать общий подход для качественного описания процессов в приэлектродной области в плазме и электролитах. Действительно, в распадающей­ся плазме электроотрицательных газов (т. е. сред, содержащих отрицательные ионы) электроны быстро уходят из разрядного объёма, вследствие чего там происходит фор­мирование ион-ионной плазмы. По нашему мнению, свойства этого объекта наиболее близки к электролитам, различие состоит лишь в плотности нейтральной компонен­ты. Следовательно, разработанную для зондовой диагностики диффузионную теорию можно применить к исследованию электролитических ВАХ, что и было выполнено в представляемой работе.
Купить

Предлагаемая статья носит дискуссионный характер. Мы хотим под­черкнуть, что зондовые методы позволяют находить параметры плазмы — плотность заряженных частиц и их температуру. На сегодняшний день для электролитов такой теории нет. Для того чтобы обозначить подходы к решению этих важнейших задач, необходима широкая дискуссия, совместное обсуждение физической и химической сто­рон рассматриваемых явлений. В настоящей работе выдвинуто несколько утверждений. Ион-ионная плазма по своим свойствам сходна с электролитами. В растворах из-за сильного взаимодействия ФР ионов сильно отличается от максвелловского распреде­ления. В электролитах эффект экранирования выражен более ярко, чем в плазме. Как показано в работе для плазмы характерен закон «3/2», в то время как в растворах I(U) ~ U2. На наш взгляд, первый шаг к созданию теории ВАХ в электролитах следует связывать с теоретическим описанием слоя объёмного заряда. Для её обсуждения и бу­дущего построения мы в данной работе провели сравнение ВАХ в плазме и растворах.
Купить