Подход «снизу-вверх», т.е. получение нанометровых изделий или материалов методами сборки на атомарном уровне 4 страница

Рис. 1. Схематическое изображение пленок оксида алюминия.

кислоты. Пленки пористого типа образуются в слабо растворяющих электролитах, таких как серная, фосфорная и щавелевая кислоты.

Оба типа оксидных пленок алюминия состоят из двух частей: внутреннего и внешнего слоя (рис. 1). Внутренний слой представляет собой чистый оксид алюминия, в то время как внешний содержит примеси различных ионов.

Экспериментально доказано, что толщина оксидного слоя барьерного типа фактически полностью определяется величиной приложенного напряжения, и лишь слабо зависит от используемого электролита и температуры. Максимальная толщина пленки оксида алюминия барьерного типа, достигнутая при напряжении 500 - 700 В, составляет ~1 мкм. Выше определенной напряженности электрического поля наблюдается пробой диэлектрической пленки.

В случае образования пленок пористого типа возможно получить более толстые оксидные пленки, чем покрытия барьерного типа, их толщина зависит от времени анодирования. Наиболее важными параметрами, влияющими на толщину пористой пленки, являются температура, время электролиза, плотность тока и используемый электролит. Например, при низких температурах (0 < T < 5 °С, т.н. «жесткие» условия анодирования) образуются толстые и плотные пленки, в то время как при высокой температуре (60 < T < 75 °С, «мягкие» условия анодирования) - тонкие и неплотные оксидные покрытия, не защищающие алюминий от дальнейшего окисления. При повышении температуры плотность тока возрастает, однако это не приводит к значительному увеличению скорости роста пленки, так как скорость растворения оксида на границе раздела оксид/электролит

Рис. 2. Кинетика изменения плотности тока при постоянном потенциале на начальном этапе процесса анодирования [д3].

также увеличивается. При слишком высокой температуре скорость растворения оксида становится больше, чем скорость его образования, что в итоге приводит к сглаживанию неровностей поверхности алюминия (т.н. электрохимическая полировка). На рис. 2 представлена зависимость плотности тока от времени при постоянном напряжении, соответствующая процессу образования барьерного и пористого типов оксида алюминия.

В случае образования пленки барьерного типа плотность тока j_б экспоненциально уменьшается с течением времени:

Рис. 3. Механизм формирования пористой оксидной пленки. 1. Образование пленки оксида барьерного типа. 2. Неравномерное распределение напряженности электрического поля по поверхности оксидной пленки. 3. Растворение оксида за счет локализации силовых линий и/или локального разогрева. 4. Установившийся режим роста пор.

j = joexp(βE) (5)

где j0 и β - константы, зависящие от температуры и химической природы

E=U/d

материала, а E = U/d напряженность

электрического поля. Лимитирующей стадией формирования оксидной пленки является транспорт ионов через оксидный слой: увеличение толщины оксидного покрытия барьерного типа приводит к уменьшению E и прекращению роста пленки.

При образовании пленки пористого типа на первом этапе плотность тока jп быстро уменьшается (в области 1 j_п и j_б ведут себя идентично), проходит через минимум (область 2), увеличивается до максимального значения (область 3), и

выходит на стационарный режим в области 4. Плотность тока j_п можно представить как сумму j_б и гипотетической плотности тока j_разн (j_разн = _jбп - j_б), соответствующей току образования пор. При этом j_б определяется используемым электролитом и величиной приложенного напряжения, в то время как зависит от электролита, напряжения и температуры.

Механизм образования пор схематически представлен на рис. 3. Можно выделить 4 этапа формирования пористой структуры, соответствующие четырем стадиям, обозначенным на рис. 2. В начале окисления поверхность алюминия покрывается пленкой непроводящего оксида алюминия (Ω = = 10¹⁰ - 10¹² Ом*см) барьерного типа (стадия 1 на рис. 2 и 3); при этом напряженность электрического поля оказывается неравномерна по всей поверхности образца (стадия 2 на рис. 2 и 3), а локализация силовых линий на точках поверхности, максимально близких к проводящей подложке алюминия, приводит к усиленному растворению формирующегося оксида в этих местах за счет увеличения напряженности электрического поля и/или локального разогрева (стадия 3 на рис. 2 и 3).

Однако ввиду конкуренции соседних точек растворения оксида не все зародившиеся поры в дальнейшем продолжают свой рост, что приводит к некоторому уменьшению плотности тока (стадия 4 на рис. 2). В конечном итоге j приходит к равновесию, соответствующему равномерному росту пор. Часто наблюдаемое на практике медленное уменьшение плотности тока в процессе установившегося роста пор связано с ограниченной диффузией ионов электролита в каналах пористой пленки.

Рис. 4. Зависимость расстояния между соседними порами от потенциала анодирования.

Самоорганизация пористой структуры оксида алюминия

В процессе длительного анодного окисления происходит самоупорядочение пор, движущей силой которого считается механическое напряжение, вызванное силами отталкивания между соседними порами, которое будет обсуждаться детально ниже.

Исследования процесса анодного окисления алюминия показали, что упорядоченная структура пор формируется

Рис. 5. Двухстадийная методика получения оксида алюминия с высокоупорядоченной структурой пор.

лишь при определенных условиях. Например, оксид алюминия с расстоянием между порами равным 50, 65, 100, 420 и 500 нм образуется при напряжении 19 и 25 В в серной кислоте, при 40 В - в щавелевой, при 160 и 195 В - в фосфорной (рис. 4).

Расстояние между соседними порами D_int пропорционально напряжению с коэффициентом пропорциональности к, где 2.5 < к (нм/В) < 2.8:

Dint = kU. (6)

Схема получения оксида алюминия с высокоупорядоченной структурой пор приведена на рис. 5. На первой стадии поверхность высокочистого Al (не менее 99,99 %) очищают с помощью ацетона, а также путем травления в смеси кислот HF/HNO3/HCI. Затем алюминиевую подложку подвергают отжигу в течение 3 часов при 500 °С для роста зерен металлического алюминия (рис. 5, а)). Размер зерен Al после рекристаллизационного отжига может составлять более 5 мм. Увеличение размера зерен в исходной пластинке алюминия приводит к увеличению размеров областей упорядочения (доменов) в пористой пленке. Для уменьшения шероховатости поверхности алюминия обычно проводят механическую или электрохимическую полировку в смеси, содержащей 1/4 HCIO4 + 3/4 C2H5OH. Полировка, также как и большой размер зерен, способствует получению упорядоченной пористой структуры оксида алюминия с большим размером доменов. После предварительной подготовки поверхности проводится первое анодное окисление алюминия.

Рис. 6. Данные сканирующей электронной микроскопии пористой пленки после первого анодного окисления при 195 В в 0,1 М H₃PO₄: а) поверхность оксидной пленки; б) нижняя часть мембраны (микрофотография получена после селективного растворения алюминия).

Рис. 7. Объемное расширение алюминия при анодном окислении. Пунктиром обозначена толщина Al до окисления [3].

необходимости поры можно равномерно расширить химическим травлением, например, в 0.5 - 1М фосфорной кислоте. Модель механических напряжений В настоящее время основной теорией, объясняющей образование гексагонально упорядоченной структуры пор при длительном анодировании алюминия, является модель механических напряжений (рис. 7). Основными положениями, рассматриваемыми в данной теории, являются следующие:

На начальной стадии процесса образующиеся поры малоупорядочены (рис. 5, в) и 6, а)). Однако в результате сил отталкивания между соседними порами в ходе длительного первого окисления происходит самоупорядочение пористой структуры. В результате этого на границе раздела оксид/металл образуется периодическая структура с плотнейшей гексагональной упаковкой пор в AI2O3 (рис. 5, в) и 6, б)). После первого анодного окисления пленку AI2O3 растворяют в смеси CrO3/H3PO4, не затрагивая слоя Al, чтобы получить реплику нижней части оксидной пленки, имеющей упорядоченную структуру. В результате последующего (второго) анодного окисления при тех же условиях, что и при первом окислении, удается получить пленку оксида алюминия с высокой степенью упорядочения пор. При
Окисление происходит на границе раздела металл/оксид главным образом за счет миграции кислородсодержащих ионов (O^2- или OH^-) из электролита.

1. Растворение (уменьшение толщины) оксидного слоя происходит в основном ввиду гидратации формирующегося оксида алюминия.

2. В случае роста оксидной пленки барьерного типа (без образования пор) все ионы Al³+ достигают границы раздела оксид/электролит и вносят вклад в рост оксида. Напротив, при образовании пористого оксида алюминия часть ионов Al³⁺, диффундирующих через оксидный слой, переходит в раствор, не внося вклад в рост оксидной пленки.

3. В результате равновесия между растворением оксида на границе раздела оксид/электролит и образованием оксида на границе металл/оксид происходит рост пор перпендикулярно поверхности алюминия.

4. Окисление металлического алюминия до оксида приводит к увеличению объема элементарной ячейки (в расчете на один атом Al) приблизительно в два раза.

5. Объемное расширение при образовании оксида на границе раздела оксид/металл приводит к возникновению сжимающих напряжений в плоскости пленки, которые и являются движущей силой упорядочения пор. Расширение в вертикальном направлении способствует росту стенок пор вверх.

Согласно исследованиям, степень объемного расширения материала

зависит от напряжения анодирования и влияет на взаимное расположение пор, то есть определяет образование самоупорядоченной или хаотичной структуры. В случае максимальных значений ξ_max ~ 2 поры не образуются (почти весь алюминий при окислении вносит вклад в рост оксидной пленки). Напротив, при малых механических напряжениях (ξ < 1, что эквивалентно тому, что большая часть ионов алюминия перешла в раствор электролита) сила, способствующая упорядочению, оказывается слишком мала, вследствие чего образуется разупорядоченная пористая структура. Экспериментальные данные показывают, что оптимальными условиями формирования самоупорядоченной пористой структуры оксида алюминия является ~ 1,2. Даже незначительное отклонение от этого эмпирически найденного значения приводит к резкому уменьшению размеров областей с упорядоченным расположением пор.
Правило 10% пористости

Рис. 8. Просвечивающая электронная микроскопия пленок пористого оксида алюминия с самоупорядоченной структурой, полученных при а) 25 В в 0,3М H₂SO₄, б) 40 В в 0,3М (COOH)2, в) 195 В в 0,1М H3PO4 [2]. Таблица 1. Структурные параметры пленок оксида алюминия с высокоупорядоченной структурой пор. Пористость (P) пленок оксида алюминия с гексагональным расположением пор можно рассчитать исходя из геометрических соображений по формуле:

Структура пористого оксида алюминия была детально изучена с помощью просвечивающей электронной микроскопии. На рис. 8 приведены микрофотографии высокоупорядоченной пористой структуры оксида алюминия, полученного окислением алюминия в H2SO4, (COOH)2 и H3PO4, соответственно. На всех фотографиях отчетливо видно, что стенки между порами состоят из темного внутреннего слоя и более светлого внешнего. Данный контраст объясняют различием в химическом составе слоев: внешний слой оксида загрязнен посторонними ионами, в то время как внутренний слой представляет собой плотный слой чистого оксида алюминия. Математическая обработка полученных изображений свидетельствует, что отношение радиуса пор г к расстоянию между центрами соседних пор D_int является постоянной величиной (см. табл. 1).

Нетрудно заметить, что из экспериментально наблюдаемого постоянства отношения (r/Di_nt) в пленках оксида алюминия с упорядоченной структурой следует постоянство пористости. Для часто используемых пар напряжение-электролит эта величина составляет около 10% (см. табл. 1). Следует отметить, что несколько большая пористость пленок, полученных в H2SO4 (P > 10%), связана с химическим травлением пор в кислоте в процессе синтеза. Для сравнения: пористость в условиях образования неупорядоченной структуры оказывается значительно большей или много меньшей, чем 10%.

Как уже отмечалось, D_int линейно зависит от используемого напряжения. Тогда с учетом (7), выражение (6) может быть переписано в следующем виде:

где в оптимальных условиях образования самоупорядоченной пористой структуры можно считать P = 10%. Таким образом, при заданном радиусе пор, зависящем от pH используемого электролита, процессу самоупорядоченного роста пор соответствует определенное напряжение анодирования. Следует отметить, что часто используемые электролиты для окисления алюминия (H2SO4, (COOH)2 и H3PO4) обеспечивают различные значения pH, а, следовательно, и режимы окисления для получения высокоупорядоченной пористой структуры оксида алюминия должны быть различными (см. выражение (8)).

Варьируя концентрацию электролита и, соответственно, pH раствора, можно влиять на параметры пористости пленок AI2O3. Например, увеличение концентрации электролита в 10 раз приводит к 20%-ому уменьшению расстояния между порами (Dj_nt): для серной кислоты увеличение ее концентрации с 0,3М до 2М приводит к уменьшению Dj_nt с 65 до 50 нм. Подобные соотношения наблюдаются и в случае H3PO4.

*

Электроосаждение металлов в пористых пленках Al₂O₃

Важным преимуществом использования пленок пористого AI2O3 для получения нитевидных наночастиц металлов является возможность применения электроосаждения, основными достоинствами которого являются:

- простота реализации и возможность получения широкого спектра материалов;

- возможность контроля количества внедренного вещества на основе закона Фарадея;

- возможность контролируемого создания сильно анизотропных наноструктур с учетом вариации режимов осаждения, формы и концентрации пор;

- полнота заполнения пор внедряемым материалом, чего не удается достичь при использовании методов пропитки пор с последующей химической модификацией.

Контроль за образованием мезопор осуществляется путем предварительной подготовки исходной поверхности алюминия. С этой целью на поверх­ность алюминия наносятся периодические механические дефекты (прессованием алюминия с шаблоном из карбида кремния, имеющего заданную периодичность поверхности на мезоуровне). Пресс-форму готовят с использованием методов литографии и сухого травления. Такой подход позволяет получить хорошо упорядоченную (по глубине) структуру пор (область упорядочения — 1 мм).

Другой способ предварительной подготовки поверх­ности заключается в использовании иглы атомно-силового микроскопа (АСМ) для нанесения дефектов на поверхность алюминия. С применением алмазного наконечника уда­лось создать на поверхности Аl периодические углубления с заданными глубиной и геометрическим расположением. Данный метод позволяет варьировать структуру мезопор в широких пределах. В частности, с его помощью был получен тонкий слой оксида алюминия с тетрагональной упаковкой пор. (С увеличением толщины оксидного покрытия пористая структура стремится к организации гексагональной упаковки пор с расстоянием между центрами пор ~90 нм.) Изучено влияние расстояния между соседними дефектами на органи­зацию пористой структуры. Показана возможность варьи­рования упаковки пор в области расстояний между соседними порами от 65 до ~ 100 нм при постоянном напря­жении анодирования 40 В. Найдено, что достаточно даже малого механического напряжения (~5 x 10^-5 Н) для конт­ролируемого образования мезопор данным методом.

Оксид алюминия с упорядоченной структурой мезопор был использован для получения различных наноматериалов. Пленки пористого оксида алюминия применяются как маски при травлении соответствующих материалов, в качестве темплата при изготовлении полимерного «отпечатка», а также в качестве пористых матриц для внедрения функцио­нальных материалов методами электрохимического, золь-гель- и CVD-осаждения.

В качестве примера первого процесса приведем ионное или плазменное травление полупроводниковых материалов. В этом случае пористая структура оксида алюминия пере­носится на подложку с достаточно высокой репродуктив-ностью. Близким процессом является изготовление «отпечатка» пористой структуры на металлических подлож­ках путем полимеризации полиметилметакрилата в порах оксида алюминия с последующим растворением оксида алю­миния и напылением металла (в этом случае пористый оксид алюминия играет роль темплата). Введение функциональ­ных компонентов в мезопоры оксидной матрицы алюминия методами электрохимического, золь-гель- или CVD-осаж­дения —наиболее распространенный способ получения нанокомпозитов.

Исследования магнитных материалов на основе порис­того оксида алюминия были начаты четверть века назад. Их главной целью было создание магнитных материалов, характеризующихся сверхвысокой плотностью записи. Плотность записи на современных носителях инфор­мации достигает 80 Гб·дюйм^-2, и тенденция роста емкости носителей информации сохраняется уже на протяжении четы­рех десятилетий. В настоящее время изучается возможность создания материалов с плотностью записи, превышающей 1 Tб·дюйм^-2.

Можно было предположить, что магнитные нанонити, внедренные в пористую матрицу оксида алюминия, будут удовлетворять требованиям, предъявляемым к современным носителям информации. Простота формирования структур, обладающих высокой геометрической анизотропией в направлении, перпендикулярном плоскости подложки, делает пористый оксид алюминия весьма перспективным для создания магнитных материалов.

Наиболее эффективными методами синтеза металлов в матрице пористого оксида алюминия являются импульсное и электроосаждение при переменном токе (при осаждении постоянным током возникают пробои двойного электри­ческого слоя, что приводит к образованию крупных частиц на поверхности оксида алюминия). При использовании метода электроосаждения функциональных материалов в поры оксида алюминия исследователи сталкиваются с серьезной проблемой, связанной с существованием барьер­ного слоя Аl₂О₃ между подложкой из алюминия и нижней границей поры. Поэтому были разработаны различные методы удаления барьерного слоя. Наиболее эффек­тивным признан метод уменьшения толщины барьерного слоя путем последовательного снижения анодного потен­циала. Еще одна проблема состоит в том, что образование наночастиц происходит на границе раздела пористой струк­туры и подложки, а диффузия ионов раствора к этой границе затруднена, в связи с этим важную роль в процессе электро­осаждения играет время между последующими импульсами осаждения.

Магнитные нанонити Со диаметром от 10 до 60 нм с расстоянием между соседними нитями от 60 до 120 нм (рис. 9а) были получены с использованием матрицы порис­того оксида алюминия, синтезированного анодным окисле­нием в щавелевой или серной кислоте. Исследование поперечного сечения массива нанонитей методом ПЭМВР показало, что нити состоят из частично агрегированных наночастиц кобальта (рис. 9).

Рис. 9 - Поперечное сечение массива магнитных частиц кобальта в матрице пористого оксида алюминия (а, б - различное увеличение).

Большим преимуществом использования оксидной мат­рицы алюминия в качестве нанореактора является возмож­ность получения ферромагнитных нитей различной длины за счет варьирования продолжительности электроосаждения. Основными фак­торами, обусловливающими магнитные характеристики ферромагнитных частиц в нанометровом диапазоне, являются размер и анизотропия формы наночастиц. Умень­шение диаметра нанонитей до 9 нм не приводит к появлению суперпарамагнетизма. Расчеты показывают, что для дости­жения плотности записи информации порядка 1 Тб•дюйм^-2 расстояние между соседними нанонитями не должно превы­шать 25 нм.

Оптические наноструктурированные материалы на основе пористого оксида алюминия вызывают огромный интерес еще и в связи с тем, что проявляют высокую интен­сивность люминесценции. Хотя размеры пор в мезопористом оксиде алюминия превышают характеристический размер, необходимый для проявления эффекта размерного квантова­ния, тем не менее он обладает хорошими люминесцентными свойствами, не свойственными объемным материалам. В первую очередь, сам пористый оксид алюминия обладает люминесценцией в голубой области спектра с максимумом интенсивности при 460 нм. Наличие такой полосы испускания связано с возникновением ионизованных кисло­родных вакансий (F⁺-центров) в сильно дефектной пористой структуре. Интенсивность эмиссии можно еще больше уве­личить отжигом пленки при повышенной температуре.

Высокие интенсивности испускания наблюдали при заполнении структуры мезопористого оксида алюминия оксидом цинка. Наночастицы ZnO в матрице синтезировали гидролизом Zn(OBu)₂ в водной среде. Максимум интен­сивности люминесценции наночастиц оксида цинка в мат­рице (485 нм) приблизительно совпадает с максимумом излучения чистого наноструктурированного ZnO, однако интенсивность эмиссии наночастиц ZnO, внедренных в мат­рицу пористого оксида алюминия, почти в 20 раз выше, что, по-видимому, обусловлено увеличением числа ионизован­ных кислородных вакансий в наночастицах ZnO, находя­щихся внутри пор оксида алюминия.

Известны работы по получению оптически активных нанонитей CdS (электроосаждение) и Bi₂Te₃; оксида титана, допированного тербием или эрбием (золь-гель-метод); наночастиц GaN (золь-гель-метод), кра­сителей родамин 6G, 8-гидроксихинолината алюминия в матрице пористого оксида алюминия. Предло­жено использовать пористый оксид алюминия для изго­товления электролюминесцентных материалов, причем катодом служила подложка алюминия, анодом — слой про­водящего стекла (ITO) (оптически активный компонент рас­полагался в порах). Все эти исследования свидетельствуют о перспективности применения наноструктур на основе пленок пористого оксида алюминия в качестве электролюминес­центных материалов.

Еще одно применение пористого оксида алюминия свя­зано с получением двумерных фотонных кристаллов. Известно, что формирование фотонной запрещенной зоны возможно только при наличии высокоупорядоченной порис­той структуры на достаточно больших участках. В связи с этим в последние годы развивается технология предтекстурирования алюминия с последующим анодным окисле­нием. Этот подход позволил получить двумерные фотонные кристаллы с фотонной запрещенной зоной в види­мой области спектра.

Пористый оксид алюминия можно использовать для создания полевых эмиттеров на основе углеродных нанотрубок. Для этого проводят электрохимическое осаждение наночастиц металлического кобальта в порах оксида алюминия (частицы кобальта являются катализаторами роста углерод­ных нанотрубок или нанотрубок нитрида углерода).

Пленки пористого оксида алюминия перспективны и как мембранные материалы. Транспорт ионов лития и других одно-, двух- и трехвалентных катионов зависит от диаметра пор, рН среды и ионной силы раствора, а также от гидравлической проницаемости мембран. Хорошо известно, что проводимость пористого оксида алюминия весьма существенно зависит от влажности. В связи с этим была предпринята попытка использовать ячейку, состоящую из образца пористого оксида алюминия, сжатого между металлическими электродами, в качестве сенсора на влаж­ность. Оказалось, что в диапазоне от 50 до 100млн^-1 наблюдается практически линейная зависимость емкости элемента от влажности воздуха, т.е. такие сенсоры обладают высокой чувствительностью к влажности.

Из рассмотренных выше примеров следует, что пористый оксид алюминия очень перспективен в плане создания на его основе наноматериалов для магнитных устройств хранения информации, электронных устройств, сенсоров и биомем­бран. В настоящее время ведется разработка методов синтеза пористого оксида алюминия с диаметром пор ≤5 нм для изучения эффектов размерного квантования, а также методов получения пористых мембран на твердых полупроводнико­вых подложках, обладающих высокой механической ста­бильностью.

Тема 8 (2 часа). Нанотехнологии в электрохимической энергетике

Лекция 16. Химические источники тока. Гальванические и топливные элементы. Электрические аккумуляторы.

Для проведения электролиза необходим внешний источник электрического потенциала, позволяющий осуществлять окислительную и восстановительную реакции на двух электродах. В отличие от этого для создания гальванического элемента выбирают такие электроды и электролитические вещества, которые обладают электрохимической энергией, достаточной для самопроизвольного протекания окислительного и восстановительного процессов.

Энергию, выделяющуюся в любой самопроизвольной окислительно-восстановительной реакции, можно непосредственно использовать для выполнения электрической работы. Это и осуществлено в гальваническом элементе, представляющем собой устройство, в котором перенос электронов происходит по внешнему пути, а не непосредственно между реагентами.

Одна из таких самопроизвольных реакций происходит, если кусочек цинка поместить в раствор, содержащий ионы меди. При протекании этой реакции окраска раствора, характерная для ионов меди Cu²⁺(водн), исчезает, и на поверхности цинка начинает осаждаться металлическая медь.

а б в

Рисунок 1 - окислительно-восстановительная реакция между цинком и медью: а- полоску цинка помещают в раствор, окраска которого обусловлена присутствием ионов меди; б- перенос электронов от цинка к ионам меди приводит к растворению металлического цинка и осаждению металлической меди из раствора, в результате чего окраска раствора ослабевает; в- после полного завершения реакции в растворе образуется избыток ионов цинка, и раствор становится полностью прозрачным

Одновременно происходит растворение цинка. Данные превращения показаны на рисунке 1, и описываются они уравнением

Zn(тв.) + Cu²⁺(водн) → Zn²⁺(водн) + Cu(тв.) (1)

На рисунке 2 показан гальванический элемент, в котором используется окислительно-восстановительная реакция между Zn и Cu²⁺, которая описывается уравнением (1)

Рис. 2 - действующий гальванический элемент, в котором для замыкания электрической цепи используется солевой мостик.

Важно убедиться, что на обоих рисунках речь идет об одной и той же химической реакции. Главное различие заключается в том, что на рис.1 металлический цинк и Cu²⁺(водн.) не находятся в непосредственном контакте друг с другом. Следовательно, Cu²⁺ может восстанавливаться только в результате перетекания электронов по проволоке, соединяющей цинк и медь (т.е. по внешней цепи).

Во время работы гальванического элемента (рис.2) окисление цинка приводит к появлению дополнительных ионов Zn²⁺ в анодном отделении элемента. Если не существует способа нейтрализации их положительного заряда, дальнейшее окисление приостанавливается. Подобно этому, восстановление ионов меди вызывает появление избыточного отрицательного заряда в растворе в катодном отделении. Принцип электронейтральности соблюдается благодаря миграции ионов через «солевой мостик». Он представляет собой U-образную трубку, содержащую раствор какого-либо электролита, например NaNO₃(водн), ионы которого не реагируют с другими ионами в гальваническом элементе, а так же с материалами, из которых изготовлены электроды. Концы трубки закрывают стекловатой или гелем, пропитанным электролитом, чтобы при перевертывании трубки, электролит не вылился из нее. При протекании на электродах процессов окисления и восстановления ионы из солевого мостика проникают в анодное и катодное отделения гальванического элемента, чтобы нейтрализовать образующиеся там заряды. Анионы мигрируют по направлению к аноду, а катионы – по направлению к катоду. В принципе, по внешней цепи, не протекает никакого тока до тех пор, пока ионы не получат возможность мигрировать через раствор из одного электродного отделения в другое и тем самым замыкать электрическую цепь.

Дата добавления: 2014-01-03