從物質導電情境看學科融合

鄧熠

【摘要】好的微觀想象力會幫助學生理解物理和化學中的很多知識.關于物質的導電性，有很多有意思的問題：為什么有的物質能導電，有的物質不能導電，在導電過程中物體為什么會發熱，超導體又是什么，化學中的電解過程又是怎么發生的.這些問題理解起來卻不簡單，因為電的活動看不見摸不著.此時，學生必須發揮對微觀世界的想象力，能將微觀的運動和變化展現在自己的腦海里，就會對導電有更好的理解.

【關鍵詞】高中物理；導電；帶電粒子

1 原子模型

對電的理解要從微觀的原子開始.任何物體，無論形態，都是由分子和原子構成的，歸根結底都是由原子構成.原子的英文atom出自希臘文“atomos”，意思是不可分割的東西.但通過一系列的實驗，人們發現原子也是可以分割的，它由更小的粒子構成[1].

一般認為，原子是由一個原子核和核外運行的數量不等的電子構成（電子在核外不存在一個確定的軌道，它們只是以不同的概率出現在不同的位置，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，原子核相對于原子就如同一個體育場中的小彈珠.1909～1911年，英國物理學家歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）和他的合作者們做了以α粒子（氦核）轟擊金箔的實驗.他們發現絕大部分α粒子穿過金箔，打到對面的熒光屏上產生閃光，但有極少的氦核被反彈了回去.他們由此認為原子里面大部分是空的，有一小部分有很大的質量，足以把氦核彈回去[2].

原子核由若干質子和中子構成，它們又稱為核子（圖1）.它們的質量差不多，是一個電子的1800倍，原子的質量幾乎都集中在原子核.質子帶一個單位正電荷，中子不帶電.我們知道，同性電荷相互排斥，在原子核范圍內，電荷之間的庫侖力要比萬有引力強很多，靠萬有引力是無法將核子們聚集在一起的，這時候有一個大家可能沒有聽說的力——強相互作用力，這個力作用范圍很小但強度很大，它只在原子核內起作用，能把核子（質子和中子）黏合在一起而不分崩離析[3].原子核中一定有質子，質子的數量很關鍵，它決定了元素的類型以及相關的化學性質.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，質子數都是1，電子數也都是1，但中子數分別為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堆中的重水分子中與氧原子結合的是氘原子.

2 電流的形成

質子和電子分別帶正電和負電，這是所有電現象的根源.原子含有同樣數量的質子和電子，所以表現為電中性.電子帶負電，而原子核帶正電，異種電荷相互吸引，電子就被核束縛住了.倘若束縛強度不大，電子就可以跑很遠，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，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.兩種不同的物質相互摩擦，接觸面的原子核對附近的電子展開搶奪大戰，搶贏了，就帶負電，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.當然，摩擦生電的實際原因要復雜很多[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生，而只是轉移.

有的原子核對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，此時金屬陽離子通過金屬鍵網絡形成一個不能移動的骨架（它們會在平衡位置附近振動）.沒有電場的時候，電子各個方向亂跑亂碰，不能形成電流[5].加上電場后，自由電子們就像聽到并服從一個號令，開始朝一個方向運動而形成電流（因為帶負電，電子的運動方向與電流方向相反）.這些電子在運動時可能偶然撞上晶格，就把部分能量傳遞給晶格，使得后者振動加劇，這可以作為通電導線溫度升高的一個解釋.而溫度升高時，電子在電場力的驅動下定向運動的效果變差，一是電子的無規則運動加劇；二是晶格振動加劇更容易碰上電子而阻礙其定向運動，使得導電性能減弱.相反，如果讓溫度降低，晶格振動減少，自由電子移動起來不易發生碰撞，金屬的導電性能會增加.有時，當溫度降到一定程度，如水銀在-269.03℃時，自由電子通行無阻，產生超導現象.

非金屬則不同，這些單質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.除非電場太強撕碎了原來的原子分子結構，形成可以移動的離子——一定強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導電外，正的帶電粒子和帶負電的粒子形成大尺度的不一致時，會在宏觀上表現為電流.太陽向宇宙拋射出很多有正有負的帶電粒子（等離子體），如果正負電荷流量一樣，則它們綜合起來不表現出電流，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，帶負電的另一邊繞行，就會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，帶電粒子會打到大氣層分子發生反應，產生絢爛的極光[6].

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

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（熱運動），它們不能自由移動，所以不導電.但真空中熔融的氯化鈉→晶格被破壞，Cl－和Na+可以移動，若插入兩個惰性電極加上電壓通上電，在電場力的作用下：Cl－朝正極移動，Na+朝負極移動，就可以導電了.

3 電流下的化學反應

繼續討論真空狀態下加熱熔化氯化鈉通電的情況，這個時候不僅有物理變化，還有化學變化[7].在電場力的作用下：Cl－朝正極移動，在正極失去電子變為氯原子.氯原子是不穩定的，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？兩個氯原子協商每個原子拿出一個電子作為共享，就會感覺自己周圍又多了一個電子.因為共享一對電子，兩個氯原子被結合在一起，成為氯分子，形成氯氣從熔融的漿體釋放出來；Na+朝負極移動，在負極得到電子，得到金屬鈉.化學反應為2NaCl 熔融，通電?2NaCl2↑.

如果把食鹽放到水里溶解再通上電，情況又會不一樣.食鹽在水里會溶解，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，這是一個平衡過程H2OH++OH－.標準狀態下的水溶液中，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（濃度的乘積對應著碰撞概率，即可能性），為10－14mol/L2.化學反應都是平衡過程，如果生成物不斷被排除出系統，例如氣體、沉淀，甚至人為地去除，就不容易達到平衡而某個方向的反應不斷進行下去.

對氯化鈉溶液通上電，溶液中的帶電粒子就定向移動了，OH－和Cl－帶負電它們往正極跑，H+和Na+例子帶正電它們往負極跑.這個定向移動可以持續以維持電流.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，然后兩個氯原子共享電子形成氯分子）；負極處，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，然后兩個原子通過共享一對電子結合為氫分子）；溶液中剩下的微小粒子是OH－和Na+，停止通電烘干就會得到白色的晶體粉末——氫氧化鈉.化學方程式2NaCl+2H2O熔融，通電2NaOH+H2↑+Cl2↑.如果繼續電解Cl－消耗殆盡，這個時候在正極就只好OH－來失去電子了，最后變成水和氧氣，化學反應4OH-+4e→2H2O+O2↑，負極仍然是會有源源不斷的H+來得到電子變成氫氣.現在實際上是在電解水2H2O通電2H2↑+O2↑.

4 結語

微觀想象力會為學生的物理和化學的學習打開一個有趣有效的大門，即使有些想象比較簡單，真實情況要復雜得多，但這可以作為深入討論那些疑問的開始.

參考文獻：

[1]徐敏姬，王偉群.融合科學閱讀發展學科素養——以“人類對原子結構的認識”為例[J].化學教與學，2022（07）：2-7.

[2]王衛東.紀念盧瑟福提出原子有核模型100周年[J].物理通報，2011（09）：110-114.

[3]曲秀榮.在中學物理教學中教師應注意知識的準確性與延伸性[J].中國科教創新導刊，2008（05）：169.

[4]李川.多種起電成因的綜述與討論[J].物理教學，2019，41（08）：21-23+43.

[5]蔣煒波，趙堅.對與自由電子相關聯的一些問題的梳理及教學建議——以金屬導體為例[J].物理通報，2021（11）：140-145.

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

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