鄧熠

【摘要】好的微觀想象力會(huì)幫助學(xué)生理解物理和化學(xué)中的很多知識(shí).關(guān)于物質(zhì)的導(dǎo)電性，有很多有意思的問題：為什么有的物質(zhì)能導(dǎo)電，有的物質(zhì)不能導(dǎo)電，在導(dǎo)電過程中物體為什么會(huì)發(fā)熱，超導(dǎo)體又是什么，化學(xué)中的電解過程又是怎么發(fā)生的.這些問題理解起來卻不簡(jiǎn)單，因?yàn)殡姷幕顒?dòng)看不見摸不著.此時(shí)，學(xué)生必須發(fā)揮對(duì)微觀世界的想象力，能將微觀的運(yùn)動(dòng)和變化展現(xiàn)在自己的腦海里，就會(huì)對(duì)導(dǎo)電有更好的理解.

【關(guān)鍵詞】高中物理；導(dǎo)電；帶電粒子

1 原子模型

對(duì)電的理解要從微觀的原子開始.任何物體，無論形態(tài)，都是由分子和原子構(gòu)成的，歸根結(jié)底都是由原子構(gòu)成.原子的英文atom出自希臘文“atomos”，意思是不可分割的東西.但通過一系列的實(shí)驗(yàn)，人們發(fā)現(xiàn)原子也是可以分割的，它由更小的粒子構(gòu)成[1].

一般認(rèn)為，原子是由一個(gè)原子核和核外運(yùn)行的數(shù)量不等的電子構(gòu)成（電子在核外不存在一個(gè)確定的軌道，它們只是以不同的概率出現(xiàn)在不同的位置，被稱為電子云）.原子核很小，其直徑約為原子直徑的100000分之一，原子核相對(duì)于原子就如同一個(gè)體育場(chǎng)中的小彈珠.1909～1911年，英國物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）和他的合作者們做了以α粒子（氦核）轟擊金箔的實(shí)驗(yàn).他們發(fā)現(xiàn)絕大部分α粒子穿過金箔，打到對(duì)面的熒光屏上產(chǎn)生閃光，但有極少的氦核被反彈了回去.他們由此認(rèn)為原子里面大部分是空的，有一小部分有很大的質(zhì)量，足以把氦核彈回去[2].

原子核由若干質(zhì)子和中子構(gòu)成，它們又稱為核子（圖1）.它們的質(zhì)量差不多，是一個(gè)電子的1800倍，原子的質(zhì)量幾乎都集中在原子核.質(zhì)子帶一個(gè)單位正電荷，中子不帶電.我們知道，同性電荷相互排斥，在原子核范圍內(nèi)，電荷之間的庫侖力要比萬有引力強(qiáng)很多，靠萬有引力是無法將核子們聚集在一起的，這時(shí)候有一個(gè)大家可能沒有聽說的力——強(qiáng)相互作用力，這個(gè)力作用范圍很小但強(qiáng)度很大，它只在原子核內(nèi)起作用，能把核子（質(zhì)子和中子）黏合在一起而不分崩離析[3].原子核中一定有質(zhì)子，質(zhì)子的數(shù)量很關(guān)鍵，它決定了元素的類型以及相關(guān)的化學(xué)性質(zhì).原子核中是可以沒有中子的，例如，氫元素有三種同位素：氕、氘、氚，它們的原子中，質(zhì)子數(shù)都是1，電子數(shù)也都是1，但中子數(shù)分別為0、1、2.地球上的絕大部分氫元素為氕，約占99.98%.而常用在原子核反應(yīng)堆中的重水分子中與氧原子結(jié)合的是氘原子.

2 電流的形成

質(zhì)子和電子分別帶正電和負(fù)電，這是所有電現(xiàn)象的根源.原子含有同樣數(shù)量的質(zhì)子和電子，所以表現(xiàn)為電中性.電子帶負(fù)電，而原子核帶正電，異種電荷相互吸引，電子就被核束縛住了.倘若束縛強(qiáng)度不大，電子就可以跑很遠(yuǎn)，甚至在一些情況下跑到別的核那兒或者四處游蕩；倘若核的束縛力很大，不僅自己的電子跑不遠(yuǎn)，可能連別的原子的電子都要搶過來.失去了電子或者俘獲了別的電子后，整體就不是中性的原子了，而是帶電的離子.兩種不同的物質(zhì)相互摩擦，接觸面的原子核對(duì)附近的電子展開搶奪大戰(zhàn)，搶贏了，就帶負(fù)電，如毛皮摩擦過的橡膠棒；搶輸了，就丟了電子帶正電，如絲綢摩擦過的玻璃棒.當(dāng)然，摩擦生電的實(shí)際原因要復(fù)雜很多[4]，如此想象一下可以獲得粗淺的理解，知道電荷并沒有被創(chuàng)生，而只是轉(zhuǎn)移.

有的原子核對(duì)自己的電子束縛能力低，如固體金屬中，一些電子就能四處游蕩成為自由電子，此時(shí)金屬陽離子通過金屬鍵網(wǎng)絡(luò)形成一個(gè)不能移動(dòng)的骨架（它們會(huì)在平衡位置附近振動(dòng)）.沒有電場(chǎng)的時(shí)候，電子各個(gè)方向亂跑亂碰，不能形成電流[5].加上電場(chǎng)后，自由電子們就像聽到并服從一個(gè)號(hào)令，開始朝一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)而形成電流（因?yàn)閹ж?fù)電，電子的運(yùn)動(dòng)方向與電流方向相反）.這些電子在運(yùn)動(dòng)時(shí)可能偶然撞上晶格，就把部分能量傳遞給晶格，使得后者振動(dòng)加劇，這可以作為通電導(dǎo)線溫度升高的一個(gè)解釋.而溫度升高時(shí)，電子在電場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)下定向運(yùn)動(dòng)的效果變差，一是電子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)加?。欢蔷Ц裾駝?dòng)加劇更容易碰上電子而阻礙其定向運(yùn)動(dòng)，使得導(dǎo)電性能減弱.相反，如果讓溫度降低，晶格振動(dòng)減少，自由電子移動(dòng)起來不易發(fā)生碰撞，金屬的導(dǎo)電性能會(huì)增加.有時(shí)，當(dāng)溫度降到一定程度，如水銀在-269.03℃時(shí)，自由電子通行無阻，產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象.

非金屬則不同，這些單質(zhì)或者化合物中的電子被原子核們看的牢牢的，即使有外電場(chǎng)作用也不容易跑掉，不能形成電流，所以非金屬往往是絕緣體.除非電場(chǎng)太強(qiáng)撕碎了原來的原子分子結(jié)構(gòu)，形成可以移動(dòng)的離子——一定強(qiáng)度的高壓電是可以擊穿某些絕緣體的.

除了自由電子定向移動(dòng)導(dǎo)電外，正的帶電粒子和帶負(fù)電的粒子形成大尺度的不一致時(shí)，會(huì)在宏觀上表現(xiàn)為電流.太陽向宇宙拋射出很多有正有負(fù)的帶電粒子（等離子體），如果正負(fù)電荷流量一樣，則它們綜合起來不表現(xiàn)出電流，但在地球附近受到地磁的作用下，特別是赤道等低緯度部分，不同電荷受到不同方向的力（都是洛倫茲力），帶正電的從地球的一邊繞行，帶負(fù)電的另一邊繞行，就會(huì)形成兩股不同的電流（圖2）.而高緯度部分受洛倫茲力影響小，帶電粒子會(huì)打到大氣層分子發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生絢爛的極光[6].

熔融的金屬能導(dǎo)電嗎？通上電的時(shí)候，看起來不僅電子可以跑動(dòng)，金屬陽離子似乎也可以跑動(dòng)（如果能跑，在同一個(gè)電場(chǎng)下它們會(huì)朝相反的方向跑），但即使那樣后者的運(yùn)動(dòng)是不可持續(xù)的，金屬陽離子不能通過導(dǎo)線跑掉，所以導(dǎo)電作用的仍然是自由電子.加上熱運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，熔融金屬即使能導(dǎo)電性能一般會(huì)下降（大家可以思考一下金屬蒸汽會(huì)導(dǎo)電嗎）.

食鹽（氯化鈉）不一樣，常溫常壓下，氯化鈉是晶體，Cl－和Na+按晶格的形式固定，在平衡位置附近振動(dòng)（熱運(yùn)動(dòng)），它們不能自由移動(dòng)，所以不導(dǎo)電.但真空中熔融的氯化鈉→晶格被破壞，Cl－和Na+可以移動(dòng)，若插入兩個(gè)惰性電極加上電壓通上電，在電場(chǎng)力的作用下：Cl－朝正極移動(dòng)，Na+朝負(fù)極移動(dòng)，就可以導(dǎo)電了.

3 電流下的化學(xué)反應(yīng)

繼續(xù)討論真空狀態(tài)下加熱熔化氯化鈉通電的情況，這個(gè)時(shí)候不僅有物理變化，還有化學(xué)變化[7].在電場(chǎng)力的作用下：Cl－朝正極移動(dòng)，在正極失去電子變?yōu)槁仍?氯原子是不穩(wěn)定的，它們覺得自己的電子不夠，總想把別人的搶過來，但它周圍都是氯原子，怎么辦？?jī)蓚€(gè)氯原子協(xié)商每個(gè)原子拿出一個(gè)電子作為共享，就會(huì)感覺自己周圍又多了一個(gè)電子.因?yàn)楣蚕硪粚?duì)電子，兩個(gè)氯原子被結(jié)合在一起，成為氯分子，形成氯氣從熔融的漿體釋放出來；Na+朝負(fù)極移動(dòng)，在負(fù)極得到電子，得到金屬鈉.化學(xué)反應(yīng)為2NaCl 熔融，通電?2NaCl2↑.

如果把食鹽放到水里溶解再通上電，情況又會(huì)不一樣.食鹽在水里會(huì)溶解，晶格被破壞后電離出Cl－和Na+（圖3）；除了Cl－和Na+，微觀的粒子還有大量的水分子和少量的由水分子電離生成的OH－，H+.H2O很穩(wěn)定不容易電離，而OH－和H+一旦碰上就很容易變成了H2O，這是一個(gè)平衡過程H2OH++OH－.標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的水溶液中，無論酸性還是堿性，氫離子的濃度和氫氧根粒子的濃度的乘積是一定的（濃度的乘積對(duì)應(yīng)著碰撞概率，即可能性），為10－14mol/L2.化學(xué)反應(yīng)都是平衡過程，如果生成物不斷被排除出系統(tǒng)，例如氣體、沉淀，甚至人為地去除，就不容易達(dá)到平衡而某個(gè)方向的反應(yīng)不斷進(jìn)行下去.

對(duì)氯化鈉溶液通上電，溶液中的帶電粒子就定向移動(dòng)了，OH－和Cl－帶負(fù)電它們往正極跑，H+和Na+例子帶正電它們往負(fù)極跑.這個(gè)定向移動(dòng)可以持續(xù)以維持電流.正極處，Cl－比OH－容易失去電子，就生成氯氣從溶液跑了出來（先生成原子，然后兩個(gè)氯原子共享電子形成氯分子）；負(fù)極處，H+比Na+容易得到電子，就生成氫氣從溶液跑了出來（先生成氫原子，然后兩個(gè)原子通過共享一對(duì)電子結(jié)合為氫分子）；溶液中剩下的微小粒子是OH－和Na+，停止通電烘干就會(huì)得到白色的晶體粉末——?dú)溲趸c.化學(xué)方程式2NaCl+2H2O熔融，通電2NaOH+H2↑+Cl2↑.如果繼續(xù)電解Cl－消耗殆盡，這個(gè)時(shí)候在正極就只好OH－來失去電子了，最后變成水和氧氣，化學(xué)反應(yīng)4OH-+4e→2H2O+O2↑，負(fù)極仍然是會(huì)有源源不斷的H+來得到電子變成氫氣.現(xiàn)在實(shí)際上是在電解水2H2O通電2H2↑+O2↑.

4 結(jié)語

微觀想象力會(huì)為學(xué)生的物理和化學(xué)的學(xué)習(xí)打開一個(gè)有趣有效的大門，即使有些想象比較簡(jiǎn)單，真實(shí)情況要復(fù)雜得多，但這可以作為深入討論那些疑問的開始.

參考文獻(xiàn)：

[1]徐敏姬，王偉群.融合科學(xué)閱讀發(fā)展學(xué)科素養(yǎng)——以“人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)”為例[J].化學(xué)教與學(xué)，2022（07）：2-7.

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[6]楊樺，張艷，孟衛(wèi)東.太陽風(fēng)能吹到地球上嗎[J].高中數(shù)理化，2011（01）：27-28+66.

[7]喻俊，沈甸.水參與的電解反應(yīng)體系中“電極反應(yīng)式書寫形式”再議[J].化學(xué)教育，2017，38（01）：78-80.