ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ТОНКИХ ПЛЕНОК ЭЛЕКТРОЛИТОВ

  • Vladimir G. Nefedov Украинский государственный химико-технологический университет
  • Vadim V. Matveev Украинский государственный химико-технологический университет
  • Dmytriy G. Korolyanchuk Украинский государственный химико-технологический университет
Ключевые слова: электропроводность, кластер, граница раздела фаз, перенос заряда

Аннотация

В работе продолжены исследования эффекта аномально высокой электропроводности поверхности раздела воздух-электролит при электролитическом разложении воды. Эксперименты проводились как на переменном токе с помощью мостовой схемы, так и на постоянном, в четырехэлектродной ячейке. Ранее было показано, что в тонких слоях электролита, граничащих с воздухом, удельная электропроводность, измеренная в четырехэлектродной ячейке, при электролизе воды превышает соответствующую величину, измеренную с помощью мостовой схемы для растворов гидроксида натрия – в 1,5 раза, растворов серной кислоты – в 1,25 и растворах сернокислого натрия - 2,5 раза. При замене поверхности газ-жидкость на границу жидкость-твердая фаза эффект исчезал. Было показано, что аномально высокая электропроводность тонких слоев электролита на границе с воздухом зависит от температуры (при 4 °С электропроводность слоя раствора толщиной 1мм увеличивалась в 8-12 раз), ионного состава, рН (максимум увеличения электропроводности в 5 раз соответствует рН изоэлектрической точки). Это позволило предположить, что данный эффект обусловлен туннелированием заряда (без переноса массы) по упорядоченным структурам на поверхности воды – гигантским гетерофазным кластерам. Такой механизм был назван крокетным. Для проверки влияния поверхности были проведены эксперименты в слоях электролита толщиной от 1 мм до 0,1 мкм. Тонкие пленки электролита стабилизировались ПАВ ДС-10, и их толщина измерялась интерферометрическими методами. Было показано, что удельная электропроводность тонких пленок, по сравнению с электропроводностью исходного электролита, увеличивалась в 150-250 раз. Это подтверждало наши предположения о природе эффекта аномально высокой электропроводности поверхности раздела фаз газ-электролит при электрохимической генерации нескомпенсированных Н+ и/или ОН- ионов. Неожиданно оказалось, что удельная электропроводность пленок электролита толщиной ниже 50 мкм при измерении на переменном токе частотой 10 кГц также превышает величины электропроводности, измеренной этим же методом в объеме исходного электролита.  Величины электропроводностей тонких пленок электролита, измеренные разными методами, практически совпадали. Было предположено, что это явление связано с изменившимися условиями заряжения двойного электрического слоя. Для проверки предположения были измерены величины удельной электропроводности слоя электролита толщиной 1мм при изменении частоты переменного тока от 10 кГц до 0,1 Гц. Было показано, что эффект увеличения электропроводности начал проявляться при частотах до 1 кГц. Расчеты показали, что при этих частотах количество электричества, сообщаемое электродам, достаточно для заряжения двойного слоя и начала фарадеевского процесса. Таким образом, получено еще одно подтверждение, что крокетный механизм электропроводности проявляется при двух условиях: электролитическом генерировании Н+ или ОН- ионов и переносе зарядов по упорядоченным структурам на поверхности воды.


Для цитирования:

Нефедов В.Г., Матвеев В.В., Королянчук Д.Г. Влияние частоты электрического тока на электропроводность тонких пленок электролитов.Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2018. Т. 61. Вып. 2. С. 58-64

Литература

Quiang S., Zheng Hai–Fei. Liquid water structure from Anomalous Density under Ambient condition. Chin. Phys. Lett. 2006. V. 23. N 11. P. 3022–3024.

Pradeep Kumar, Sungho Han, H Eugene Stanley. Anomalies of water and hydrogen bond dynamics in hydrophobic nano-confinement. J. Phys. Condens. Matter. 2009. V. 21. N 50.

Zatsepina G.N. Physical properties and structure of water. M.: Izd. Moscow Univ. 1998. 184 p. (in Russian).

Naberukhin Y.I. Water riddles. Soros Educational J. 1996. N 6. P. 41–48 (in Russian).

Makashev Yu.A., Kirillov V.V. Anomalous properties of water and the possibility of their use for energy production. Vestn. MAKH. 2013. N 2. P. 32-34 (in Russian).

Smirnov P.R., Trostin V.N. Structure of aqueous solutions of inorganic electrolytes in a wide range of concentrations and tem-peratures. Ivanovo: IKHR RAN. 2003. 280 р. (in Russian).

Ryding M.J., Andersson P.U., Zatula A.S., Uggerud E. Proton Mobility in Water Clusters. Eur. J. Mass Spectrometry. 2012. V. 18. N 2. P. 215 – 222. DOI: 10.1255/ejms.1172.

Okada T., Iitaka T., Yagi T., Aoki K. Electrical conductivity of ice VII. Sci. Rep. 2014. N 4. 5778. P. 1–5. DOI: 10.1038/srep05778.

Goncharuk V.V., Smirnov V.N., Syroeshkin A.V., Malyarenko V.V. Clusters and huge heterophase water clusters. Khimiya i tekhnologiya vody. 2007. V. 29. N 1. P. 3–17 (in Ukrainian).

Goncharuk V.V., Orekhova E.A., Malyarenko V.V. Cluster structure of heavy, normal and light water. Ukrain. Chem. J. 2009. V. 75. N 6. P. 80–85. (in Ukrainian).

Syroyeshkin A.V., Smirnov A.N., Goncharuk V.V., Samsoni -Todorov A.O., Lapshin V.B., Uspenskaya E.V., Nikolayev G.M., Popov P.I., Karmazina T.V. Water as a heterogeneous structure. Elektron. zhurn. «Issledovano v Rossii». 2006. P. 843-854. http://zhurnal.ape.relarn.ru/arti-cles/2006/ 088.pdf. (in Russian).

Goncharuk V.V., Orekhova E.A., Malyarenko V.V. Influence of temperature on water clusters. Khimiya i technologiya vody. 2008. V. 30. N 2. P. 150–158.

Furmakov E.F. Investigation of hydrodynamic parameters and molecular composition of long-existing water surface. Collection «Fundamental Problems of Natural Science and Technology». SPb. 2005. N 30. P. 1-16 (in Russian).

Smirnov A.N., Lapshin V.B., Balyshev A.V., Lebedev I.M., Syroyeshkin A.V. Supramolecular water complexes. Elektron. zhurn. «Issledovano v Rossii». 2004. P. 413-421. http://zhurnal.ape.relam.ru//2004/038pdf. (in Russian).

Pafenuk V.N. Surface potential on the water-gas phase interface. Kolloid. Zhurn. 2002. V. 64. N 5. P. 651–659 (in Russian).

Buch V., Milet A., Vacha R., Jungwirth P., Devlin J.P. Water surface is acidic. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2007. V. 104. N 18. Р. 7342-7347. DOI: 10.1073/pnas.0611285104.

Chaplin Martin. Theory vs Experiment: What is the Surface Charge of Water? Water. 2009. N 1. Р. 1-28.

James K. Beattie. Comment on Autoionization at the surface of neat water: is the top layer pH neutral, basic, or acidic? By R. Vacha, V. Buch, A. Milet, J. P. Devlin and P. Jungwirth, Phys. Chem. Chem. Phys, 2007, 9, 4736. Phys. Chem. Chem. Phys. 2008. N 10. Р. 330–331. DOI: 10.1039/B713702H.

Ivanitskiy G.R., Deev A.A., Khizhnyak E.P. Water surface structure studies using infrared techniques. Usp. fiz. nauk. 2005. V. 175. N 11. P. 1208 -1216 (in Russian).

Paluch M. Surface potential at the water-air interface. Annales universitatis Mariae Kurie-Skłodowska Lublin–Polonia. 2015. V. LXX. 2. Sectio AA. P. 1-11.

Iwao Takei, Norikazu Maeno. Dielectric propeties of single crystals of HCl-doped ice. J. Chem.Phys. 1984. V. 61.

N 12. Pt. II. P. 6186-6190.

Korolyanchuk D.G., Nefedov V.G. Influence of the pH of solution on the conductivity of thickness layers on the water-air inter-face. Vísnik Natsíonal'nogo tekhníchnogo uníversitetu «KHPÍ». Seríya: Khímíya, khímíchna tekhnologíya ta yekologíya. 2012. N 32. P. 100-105 (in Ukrainian).

Nefedov V.G., Matveyev V.V., Korolyanchuk D.G. Vcherashnyaya A.A. Influence of layer thickness on the conductivity of electrolyte. Vopr. khimii i khim. Tekhnologii. 2010. N 1. P. 194-198 (in Russian).

Kagirov A.G. Measurement of the differential capacitance at the electrode/solution boundary in the galvanostatic pulsed mode. Vestn. Тauki Sibiri. 2012. N 4 (5). P. 113-117 (in Russian).

Опубликован
2018-01-29
Раздел
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ неорг. и органических веществ, теоретические основы