Ионная проводимость

Шаблон:Проводится экспертиза РАН Ио́нная проводи́мость — проводимость, обусловленная движением ионов под действием электрического поля.

Физические основы

Проводники, обладающие ионной проводимостью, относят к проводникам 2-го рода. К веществам, проводимость которых обеспечивается ионами, по агрегатному состоянию относятся газы (плазма, ионизированные газы), жидкости (растворы электролитов, ионные жидкости, ионные каналы в живых организмах) и твёрдые вещества (ионные кристаллы, диэлектрики, плёночные полимеры, твёрдые электролиты, суперионики, некоторые виды керамики). Часто ионная проводимость совмещается с электронной, и токи, протекающие в таких системах, являются суперпозицией токов ионов и электронов:

$J_{total}=J_{e}+J_{i}$.

Ионная проводимость в твёрдых телах

Ионная проводимость наблюдается в твёрдых телах — гетерополярных кристаллах и стёклах. Гетерополярные (ионные) кристаллы состоят из положительных $M^{+}$ и отрицательных $X^{-}$ ионов. Положительный ион $M^{+}$ появляется в результате того, что положительный атом металла внедряется в междоузлие кристаллической решётки, а $X^{-}$ — незанятые места ионов в кристаллической решётке. Удельная электропроводность имеет экспоненциальную температурную зависимость:

$\gamma =qn\mu \thickapprox \gamma _{0}\exp {\Biggl (}-{\frac {W_{a}}{kT}}{\Biggl )}$,

где $W_{a}={\frac {W}{2}}+U$, $W={\begin{cases}W_{F}\\W_{S}\end{cases}}$,

где $W_{F}$ — энергия образования дефекта по Френкелю, $W_{S}$ — энергия образования дефекта по Шоттки, $\mu$ — подвижность ионов, $T$ — температура. Твёрдым веществам, ионы в которых обладают достаточно высокой подвижностью, обычно свойственна ионная проводимость, которая может быть как собственной, обусловленной собственно ионами данного вещества, так и примесной, если ионы, участвующие в проводимости, не являются собственными. Перемещения ионов в кристаллической решётке связаны и обусловлены наличием дефектов в кристаллах (например, движение ионов по вакансиям кристаллической решётки, перескоки по междоузлиям).

Подвижность ионов проводимости можно найти, воспользовавшись соотношением Нернста — Эйнштейна:

${\frac {\mu }{D}}={\frac {q}{T}}$,

в котором $D$ — коэффициент диффузии.

Величина ионной проводимости в твёрдых электролитах (ионных проводниках, супериониках) и стеклообразных аморфных проводниках 2-го рода обычно находится в пределах $\thicksim 10^{-3}-10$ Ом⁻¹ $\cdot$см⁻¹. С ростом температуры ионная проводимость возрастает.

Ионная проводимость в жидкостях

Особенностью ионной проводимости в жидкостях является то, что движение катионов и анионов, обеспечивающих проводимость во внешнем электрическом поле, например, электролитов, приводит к переносу вещества между электродами. Так, в водных растворах электролитов гидратированные ионы участвуют в хаотическом тепловом и броуновском движениях:

${\ce {NaCl + H2O -> Na_{aq}^+ + Cl_{aq}^+}}$,

где ${\ce {Na_{aq}^+}}$, ${\ce {Cl_{aq}^+}}$ — гидратированные ионы натрия и хлора.

При прохождении электрического тока через электролит он разлагается на составляющие его вещества, что было показано М. Фарадеем в 1834 году. Электролиты делятся на симметричные и несимметричные в зависимости от того, на чётное или нечётное число ионов они разлагаются при прохождении через них электрического тока, и на сильные и слабые в зависимости от степени их диссоциации на ионы.

Проводимость электролитов в десятки и даже сотни раз меньше проводимости металлов.

Ионная проводимость электролитов пропорциональна напряжённости приложенного электрического поля $E$:

$V_{i}=v_{i}E$,

где $V_{i}$ — скорость движения ионов в растворе, $v_{i}$ — абсолютная скорость движения иона. Абсолютная скорость движения иона — скорость движения иона в поле единичного градиента потенциала 1 В/м при температуре $25^{\circ }$ C. Умножая абсолютную скорость движения иона на число Фарадея получим количество электричества, переносимого ионом, или абсолютную подвижность иона.

В случае переменного тока в растворах электролитов наблюдается дисперсия: с повышением частоты тока происходит увеличение электропроводности (т. н. частотный эффект).

Для сильных электролитов вводится понятие ионной силы раствора — меры интенсивности электрического поля, создаваемого ионами.

Электропроводность электролитов измеряется методами кондуктометрии, а приборы, использующиеся для измерений — ионометрами.

Ионная проводимость газов и плазмы

Ионная проводимость газов и плазмы имеет ряд особенностей по сравнению с твёрдыми телами и электролитами. В газах положительные и отрицательные ионы представляют собой не единичные ионизированные молекулы, а группы молекул, прилипших к отрицательному или положительному электрону. Поэтому заряд каждого такого комплекса по величине равен одному-двум, редко большему числу элементарных зарядов, а массы могут значительно отличаться от масс отдельных атомов и молекул. В силу этого различия при ионной проводимости газов законы Фарадея не выполняются, как в случае электролитов.

Второе отличие ионной проводимости газов от ионной проводимости электролитов состоит в том, что для газов не соблюдается закон Ома — вольтамперная характеристика имеет более сложный характер. Вольтамперная характеристика проводников (в том числе и электролитов) имеет вид наклонной прямой, а для газов она имеет разнообразную форму.

Литература

• Фрелих Г. Теория диэлектриков. — Москва : Издательство иностранной литературы, 1960.
• Хиппель А. Р. Диэлектрики и волны. — Москва : Издательство иностранной литературы, 1960.
• Стильбанс Л. С. Физика полупроводников. — Москва : Советское радио, 1967.
• Цидильковский И. М. Электроны и дырки в полупроводниках. Энергетический спектр и динамика. — Москва : «Наука», 1972.
• Киреев П. С. Физика полупроводников. — Москва : «Высшая школа», 1975.
• Заневский Ю. В. Проволочные детекторы элементарных частиц. — Москва : Атомиздат, 1978.
• Мотт Н., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва: Мир, 1982. — 386 с.рус.
• Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников. — Москва : Наука, 1990.
• Kittel Charles Introduction to solid state physics. — Hoboken, NJ: Wiley, 2005. — ISBN 047141526X.
• Гуртов В. А. Твердотельная электроника. — Москва : «ТЕХНОСФЕРА», 2008.
• Ансельм А. И. Введение в теорию полупроводников : учебное пособие для вузов. — 3-е изд., стер. — СПб. : Лань, 2008.
• Шалимова К. В. Физика полупроводников. — СПб. : «Лань», 2010.

Ссылки

• Электрохимия

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Ионная проводимость», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Ионная_проводимость» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».