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仇勇海的博客

关于地震预测预报

 
 
 

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关于我

1970年中南矿冶学院地球物理勘探专业毕业后留校任教,从事电法勘探的教学和科研工作。1984年获得国家自然科学基金的资助,该项目“电流场与金属矿晕”1989年获中国有色金属工业总公司科技进步三等奖。1997年晋升为教授。“铜电解液净化工业生产试验”1999年获国家有色金属工业局科技进步三等奖。2000年获得政府特殊津贴。著作:地电化学基础及应用,译著:自然电场法文集,均为中南工业大学出版社出版。

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地震是可以预测的(10-导体)  

2008-06-09 18:46:55|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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基础理论-导体

能导电的物质称为导体。进行自然电场研究时必涉及到导体,因此,在讨论自然电场之前,应当首先对导体的类别和性质有所了解。

有些导体依靠其中的电子传送电流,可称之为电子导体或第一类导体。金属、石墨、大部分金属硫化物和部分金属氧化物都属于电子导体。半导体可以分为依靠电子导电的n型半导体与依靠空穴导电的p型半导体。对于p型半导体,表面看来,似乎是荷正电的空穴在移动着以传导电流,但其实质仍然是电子的移动。所以说,金属硫化物和某些氧化物,虽具有半导体性质,但也属于电子导体。

另一类导体是依靠离子的移动来完成其导电任务的。它们被称为离子导体或第二类导体,例如以水或其他有机物为溶剂的电解质溶液、熔融电解质和固体电解质等。

在地质条件下,围岩中的传导电流主要是由围岩孔隙、裂隙中的水溶液电解质承担的。因而了解电解质及水的基本性质及其导电机理是有必要的。

能在溶液中形成可以自由移动离子的物质称为电解质溶液。

根据电解质溶液的性质,通常将它们分为两类。除了水溶液电解质之外,熔盐也叫做液态电解质。水溶液是常温下稳定的液体,熔盐是高温下的电解质溶液。

当两种外壳层电子状态截然不同的粒子充分接近时,例如电离能很小的碱金属和碱土金属原子和电子亲和能很大的非金属卤族或氧族的原子相接近时,由于电子移动,非满壳层结构的中性原子变成了满壳层结构的离子,形成了离子化合物,如NaCl。

在离子化合物中,正负离子之间有很强的静电引力,所以要使离子能够自由移动,就必须施加外力。

对离子晶体加热时,加剧了离子的热振动。当离子的热振动超过了晶体中离子之间的相互作用力时,离子的有规则排列被破坏。晶体被熔化。离子化合物在高温下熔化后,就存在大量能自由移动的离子。所以成为电的良导体。

如果把离子化合物置于介电常数很大的极性溶剂之中,例如水的介电常数约80,且水是极性分子。由于正负离子之间的吸引力在水中可以减小80倍,因而由于其本身的热振动和极性水分子的吸引,离子化合物极易溶解于水而成为正负水化离子。毫无疑义,NaCl等水溶液导电性良好。

对于非金属单质的分子和由元素电负性相差较小的物质所形成的分子,由于共用电子对的存在而形成了共价化合价,如HCl,SiO2,共介化合物在固态时都形成分子晶体,在原子晶格的结点上都排列着中性原子,原子间以共价键相联系。HCl系共价化合物,具有较大偶极矩,在它与水相互作用后也可形成离子:

HCl+H2O=H3O++Cl-

SiO2水解形成硅酸,进一步电离为H+、HSiO3-、SiO32-离子。

目前应用最广泛的离子导体是电解质水溶液。

根据电解质溶液理论,电解质在溶液中所处的状态,可分为缔合式和非缔合式电解质两类。在溶液中的溶质全部以单个的自由离子形式存在时称为非缔合式电解质;在溶液中的溶质除了单个的自由离子之外,还存在着以化学键结合的未电离的分子,或者是由两个或两个以上的离子靠静电作用而形成的离子对,该电解质称为缔合式电解质。

溶于水的碱土金属、碱金属的卤化物和无机酸的稀溶液都属于非缔合式电解质。缔合式与非缔合式电解质的划分并无截然界限。NaCl水溶液在浓度很稀时是非缔合电解质,在0.1mol/L~1mol/L的浓度范围内,约有20%的正负离子呈离子对的形式出现,因而在浓溶液中就列为缔合式电解质。

根据溶质与溶剂形成溶液时溶质电离度的大小,电解质又分为强电解质与弱电解质。一般电离度大于30%的电解质为强电解质,电离度小于3%者为弱电解质。但这种分类法,只是为了讨论问题方便,并不能反映出电解质的本质。因为同一电解质在不同的溶剂及不同浓度的溶质中,其性质可能发生较大的变化。例如:稀硫酸是强电解质,浓硫酸是弱电解质;盐酸在水中是强电解质,在有机溶剂中是弱电解质。

在实际的地电条件下,由于水溶液中的离子浓度较稀,因而强酸、强碱、盐类的稀溶液可视为强电解质,而弱酸、弱碱则形成弱电解质。有机溶剂的影响可不予考虑。

在化学中重点讨论的电解质溶液的性质主要有两类:一类是静态的,它涉及到许多热力学函数的变化,如电化学位等问题,另一类是动态的,如离子的扩散、电导等,这主要与离子在溶液中运动的性质有关。如果在宏观上确实出现了离子从一处转移到另一处的现象,则形成了离子流。由于离子既有质量又有电荷,那么这种流动必将产生一个重要的效应,即既引起物质的转移又发生电荷的迁移。这两种变化均是我们十分关注的问题。

在外电场的作用下,溶液中的离子在电场力的推动下进行的运动称为电迁移。正离子向阴极迁移,负离子向阳极迁移,因为负离子向阳极电迁移所起的导电作用与正离子向阴极的电迁移相当,它们的导电效果相同。

离子是带电实体,水是极性分子,带电离子与偶极水分子之间必然要发生作用。

离子进入水中后,破坏了原有的液态水结构。一定数量的偶极分子在离子周围定向排列,使得自由的水分子减少了。紧靠离子的一部份水分子能与离子一起移动,相应也增大了离子的体积。从而改变了电解质的静态性质(如活度系数)和动态性质(如电导)。通常将这种由于离子在水中的出现而引起的结构上的总变化称为离子水化。离子周围存在着一个对水分子有明显电场作用的空间,在这个空间内含有的水分子数称为离子水化数。

溶液中紧靠着离子的第一层水分子与离子结合得比较牢固,由于离子和水偶极子之间存在强大的电场作用力,因而第一层水分子失去平动自由度。在外电场作用下,这一层水分子和离子一起移动,水分子的数目不受温度影响,这种水化作用称为化学水化或原水化。

第一层以外的水分子也受到离子的吸引作用。使水的原有结构遭到破坏。由于离子与水分子之间的距离增大,引力减小,因而与离子之间的联系比较松懈。这部分水分子的水化作用称为物理水化或二级水化。对于物理水化来说,温度对它的影响较大,因而水化数是变化的。

由于物理水化的数目是可以变化的。所以通常所说的离子水化数都是指与离子紧密结合、并有随离子一起移动的有效水分子数,即第一层水分子的原水化数。

从概念上讲,人们常把离子水化的总结果形象地用水化膜来表示。由于离子的热运动,使得它在某些水分子附近停留的时间并不长,即离子每到一处都要建立新的水化膜。因此水化数是一个动态特征,其中的水分子是可能变换的。

表3列出了不同实验和理论计算所得出的某些离子的水化数资料。

通过水化离子的介绍。水溶液中H+、OH-离子的反常电导可以得到解释。

各种离子在水溶液中都是以水化离子的形式存在的。水中的H+总是以H3O+和H3O4+的形式出现。光秃的H+离子出现的几率仅约10-150。

在外电场作用下。H3O+向阴极迁移。其运动的方式是H+离子从一个H3O+水化离子向邻近的水分子转移。由于水分子中H—O—H三个原子不在一条直线上,而是成105°的角,所以H3O+失去氢离子成为水分子后,必须旋转一定角度,才能再次接纳H+离子而形成H3O+水化离子,H+离子的转移和水分子的旋转机理,使H+离子能很迅速地被传递而前进,所以H+离子的淌度比其他离子大得多。

OH-离子的淌度较其他离子淌度也大得多。由于OH-离子也高度水化,在外电场作用下,发生类似H+离子的电迁移过程,因而在碱性体系水溶液中其导电性良好。

表3  不同方法测定及计算的离子水化数

离  子

压缩系数法

淌度法

水化熵法

理论计算

Li+

5—6

6

5

6

Na+

6—7

2—4

4

5

Mg2+

16

14

13

 

Ca2+

 

7.5—10.5

10

 

Zn2+

 

10—12.5

12

 

Cd1+

 

10—12.5

11

 

Fe2+

 

10—12.5

12

 

Cu2+

 

10—12.5

12

 

Pb2+

 

4—7.5

8

 

K+

6—7

 

3

3

F-

2

 

5

5

Cl-

0.1

0.9

3

3

Br-

0

0.6

2

2

I-

0

0.2

1

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