从物质导电情境看学科融合

邓熠

【摘要】好的微观想象力会帮助学生理解物理和化学中的很多知识.关于物质的导电性，有很多有意思的问题：为什么有的物质能导电，有的物质不能导电，在导电过程中物体为什么会发热，超导体又是什么，化学中的电解过程又是怎么发生的.这些问题理解起来却不简单，因为电的活动看不见摸不着.此时，学生必须发挥对微观世界的想象力，能将微观的运动和变化展现在自己的脑海里，就会对导电有更好的理解.

【关键词】高中物理；导电；带电粒子

1 原子模型

对电的理解要从微观的原子开始.任何物体，无论形态，都是由分子和原子构成的，归根结底都是由原子构成.原子的英文atom出自希腊文“atomos”，意思是不可分割的东西.但通过一系列的实验，人们发现原子也是可以分割的，它由更小的粒子构成[1].

一般认为，原子是由一个原子核和核外运行的数量不等的电子构成（电子在核外不存在一个确定的轨道，它们只是以不同的概率出现在不同的位置，被称为电子云）.原子核很小，其直径约为原子直径的100000分之一，原子核相对于原子就如同一个体育场中的小弹珠.1909～1911年，英国物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）和他的合作者们做了以α粒子（氦核）轰击金箔的实验.他们发现绝大部分α粒子穿过金箔，打到对面的荧光屏上产生闪光，但有极少的氦核被反弹了回去.他们由此认为原子里面大部分是空的，有一小部分有很大的质量，足以把氦核弹回去[2].

原子核由若干质子和中子构成，它们又称为核子（图1）.它们的质量差不多，是一个电子的1800倍，原子的质量几乎都集中在原子核.质子带一个单位正电荷，中子不带电.我们知道，同性电荷相互排斥，在原子核范围内，电荷之间的库仑力要比万有引力强很多，靠万有引力是无法将核子们聚集在一起的，这时候有一个大家可能没有听说的力——强相互作用力，这个力作用范围很小但强度很大，它只在原子核内起作用，能把核子（质子和中子）黏合在一起而不分崩离析[3].原子核中一定有质子，质子的数量很关键，它决定了元素的类型以及相关的化学性质.原子核中是可以没有中子的，例如，氢元素有三种同位素：氕、氘、氚，它们的原子中，质子数都是1，电子数也都是1，但中子数分别为0、1、2.地球上的绝大部分氢元素为氕，约占99.98%.而常用在原子核反应堆中的重水分子中与氧原子结合的是氘原子.

2 电流的形成

质子和电子分别带正电和负电，这是所有电现象的根源.原子含有同样数量的质子和电子，所以表现为电中性.电子带负电，而原子核带正电，异种电荷相互吸引，电子就被核束缚住了.倘若束缚强度不大，电子就可以跑很远，甚至在一些情况下跑到别的核那儿或者四处游荡；倘若核的束缚力很大，不仅自己的电子跑不远，可能连别的原子的电子都要抢过来.失去了电子或者俘获了别的电子后，整体就不是中性的原子了，而是带电的离子.两种不同的物质相互摩擦，接触面的原子核对附近的电子展开抢夺大战，抢赢了，就带负电，如毛皮摩擦过的橡胶棒；抢输了，就丢了电子带正电，如丝绸摩擦过的玻璃棒.当然，摩擦生电的实际原因要复杂很多[4]，如此想象一下可以获得粗浅的理解，知道电荷并没有被创生，而只是转移.

有的原子核对自己的电子束缚能力低，如固体金属中，一些电子就能四处游荡成为自由电子，此时金属阳离子通过金属键网络形成一个不能移动的骨架（它们会在平衡位置附近振动）.没有电场的时候，电子各个方向乱跑乱碰，不能形成电流[5].加上電场后，自由电子们就像听到并服从一个号令，开始朝一个方向运动而形成电流（因为带负电，电子的运动方向与电流方向相反）.这些电子在运动时可能偶然撞上晶格，就把部分能量传递给晶格，使得后者振动加剧，这可以作为通电导线温度升高的一个解释.而温度升高时，电子在电场力的驱动下定向运动的效果变差，一是电子的无规则运动加剧；二是晶格振动加剧更容易碰上电子而阻碍其定向运动，使得导电性能减弱.相反，如果让温度降低，晶格振动减少，自由电子移动起来不易发生碰撞，金属的导电性能会增加.有时，当温度降到一定程度，如水银在-269.03℃时，自由电子通行无阻，产生超导现象.

非金属则不同，这些单质或者化合物中的电子被原子核们看的牢牢的，即使有外电场作用也不容易跑掉，不能形成电流，所以非金属往往是绝缘体.除非电场太强撕碎了原来的原子分子结构，形成可以移动的离子——一定强度的高压电是可以击穿某些绝缘体的.

除了自由电子定向移动导电外，正的带电粒子和带负电的粒子形成大尺度的不一致时，会在宏观上表现为电流.太阳向宇宙抛射出很多有正有负的带电粒子（等离子体），如果正负电荷流量一样，则它们综合起来不表现出电流，但在地球附近受到地磁的作用下，特别是赤道等低纬度部分，不同电荷受到不同方向的力（都是洛伦兹力），带正电的从地球的一边绕行，带负电的另一边绕行，就会形成两股不同的电流（图2）.而高纬度部分受洛伦兹力影响小，带电粒子会打到大气层分子发生反应，产生绚烂的极光[6].

熔融的金属能导电吗？通上电的时候，看起来不仅电子可以跑动，金属阳离子似乎也可以跑动（如果能跑，在同一个电场下它们会朝相反的方向跑），但即使那样后者的运动是不可持续的，金属阳离子不能通过导线跑掉，所以导电作用的仍然是自由电子.加上热运动的阻碍作用，熔融金属即使能导电性能一般会下降（大家可以思考一下金属蒸汽会导电吗）.

食盐（氯化钠）不一样，常温常压下，氯化钠是晶体，Cl－和Na+按晶格的形式固定，在平衡位置附近振动（热运动），它们不能自由移动，所以不导电.但真空中熔融的氯化钠→晶格被破坏，Cl－和Na+可以移动，若插入两个惰性电极加上电压通上电，在电场力的作用下：Cl－朝正极移动，Na+朝负极移动，就可以导电了.

3 电流下的化学反应

继续讨论真空状态下加热熔化氯化钠通电的情况，这个时候不仅有物理变化，还有化学变化[7].在电场力的作用下：Cl－朝正极移动，在正极失去电子变为氯原子.氯原子是不稳定的，它们觉得自己的电子不够，总想把别人的抢过来，但它周围都是氯原子，怎么办？两个氯原子协商每个原子拿出一个电子作为共享，就会感觉自己周围又多了一个电子.因为共享一对电子，两个氯原子被结合在一起，成为氯分子，形成氯气从熔融的浆体释放出来；Na+朝负极移动，在负极得到电子，得到金属钠.化学反应为2NaCl 熔融，通电 2NaCl2↑.

如果把食盐放到水里溶解再通上电，情况又会不一样.食盐在水里会溶解，晶格被破坏后电离出Cl－和Na+（图3）；除了Cl－和Na+，微观的粒子还有大量的水分子和少量的由水分子电离生成的OH－，H+.H2O很稳定不容易电离，而OH－和H+一旦碰上就很容易变成了H2O，这是一个平衡过程H2OH++OH－.标准状态下的水溶液中，无论酸性还是碱性，氢离子的浓度和氢氧根粒子的浓度的乘积是一定的（浓度的乘积对应着碰撞概率，即可能性），为10－14mol/L2.化学反应都是平衡过程，如果生成物不断被排除出系统，例如气体、沉淀，甚至人为地去除，就不容易达到平衡而某个方向的反应不断进行下去.

对氯化钠溶液通上电，溶液中的带电粒子就定向移动了，OH－和Cl－带负电它们往正极跑，H+和Na+例子带正电它们往负极跑.这个定向移动可以持续以维持电流.正极处，Cl－比OH－容易失去电子，就生成氯气从溶液跑了出来（先生成原子，然后两个氯原子共享电子形成氯分子）；负极处，H+比Na+容易得到电子，就生成氢气从溶液跑了出来（先生成氢原子，然后两个原子通过共享一对电子结合为氢分子）；溶液中剩下的微小粒子是OH－和Na+，停止通电烘干就会得到白色的晶体粉末——氢氧化钠.化学方程式2NaCl+2H2O熔融，通电2NaOH+H2↑+Cl2↑.如果继续电解Cl－消耗殆尽，这个时候在正极就只好OH－来失去电子了，最后变成水和氧气，化学反应4OH-+4e→2H2O+O2↑，负极仍然是会有源源不断的H+来得到电子变成氢气.现在实际上是在电解水2H2O通电2H2↑+O2↑.

4 结语

微观想象力会为学生的物理和化学的学习打开一个有趣有效的大门，即使有些想象比较简单，真实情况要复杂得多，但这可以作为深入讨论那些疑问的开始.

参考文献：

[1]徐敏姬，王伟群.融合科学阅读发展學科素养——以“人类对原子结构的认识”为例[J].化学教与学，2022（07）：2-7.

[2]王卫东.纪念卢瑟福提出原子有核模型100周年[J].物理通报，2011（09）：110-114.

[3]曲秀荣.在中学物理教学中教师应注意知识的准确性与延伸性[J].中国科教创新导刊，2008（05）：169.

[4]李川.多种起电成因的综述与讨论[J].物理教学，2019，41（08）：21-23+43.

[5]蒋炜波，赵坚.对与自由电子相关联的一些问题的梳理及教学建议——以金属导体为例[J].物理通报，2021（11）：140-145.

[6]杨桦，张艳，孟卫东.太阳风能吹到地球上吗[J].高中数理化，2011（01）：27-28+66.

[7]喻俊，沈甸.水参与的电解反应体系中“电极反应式书写形式”再议[J].化学教育，2017，38（01）：78-80.