Статья по физике на тему "Об ионизации газа в пламени горелки" (10 класс)

Попушой Нина Геннадиевна,  учитель физики и астрономии 

МБОУ  «Партизанская школа им. А.П.Богданова»

Симферопольского района Республики Крым

Об ионизации газа в пламени горелки

Хорошо известное явление ионизации газа в пламени получает иногда ошибочное толкование в практике преподавания физики в школе, порой смешиваются два

нетождественных понятия: ионизация в пламени и термоионизация. Распространенное и подкупающее логичностью и простотой объяснение ионизации газа в пламени только за счет столкновений атомов является неверным.

Действительно, с повышением температуры растет число быстро движущихся молекул газа. Естественно ожидать, что при высокой температуре энергия некоторой части молекул или атомов окажется достаточной для того, чтобы они при соударениях могли выбивать внешние электроны молекул (или атомов) – мишеней. В результате в газе появляются свободные электроны и положительные ионы. Такого рода ионизация называется термической.

Для расчета степени ионизации газа в этом случае пользуются ионизационным уравнением Саха, полученным на основе рассмотрения состояния нагретого газа с термодинамической точки зрения при учете зависимости теплоемкости от распределения верхних энергетических уровней электронов в атоме.

Расчеты показывают, что в реальном пламени степень ионизации обычных продуктов сгорания (О2, N2, Н2О, СО2, СО, ОН, О, Н) очень мала. Опыт же дает другое – в пламени горелки, спиртовки, спички и т. п. присутствует большое количество ионов. Это свидетельствует о том, что в данном случае ионизацию нельзя объяснить только термоионизацией. В действительности высокая концентрация ионов в пламени обусловлена совокупностью ряда явлений.

1.    Большую роль в увеличении концентрации ионов в пламени могут играть примеси веществ с низким потенциалом ионизации (наименьший потенциал ионизации у щелочных металлов). Присутствуя в пламени, они существенно увеличивают ионизацию в нем. Это используется в тех случаях, когда необходимо увеличить концентрацию ионов в продуктах сгорания, например, при работе МГД-генератора. 

2.    Некоторую     роль    в          процессе         образования ионов в пламени может играть

фотоионизация, или объемный фотоэффект в газе. Он протекает не только под действием проникающего в газ извне коротковолнового излучения (космического, γ-излучения), но и в результате генерации излучения внутри самого пламени. Объемный фотоэффект возникает при поглощении молекулой или атомом кванта излучения с энергией, соответствующей соотношению  hυ ≥ eUi, где eUi – энергия ионизации. 

Расчеты показывают, что в любом газе (или паре) фотоионизация не может происходить под действием видимого света. Требующееся для ионизации их атомов излучение относится к ультрафиолетовой области спектра. Для обычного пламени вклад в общий баланс ионов в нем за счет фотоионизации весьма незначительный.

3.    В любом реальном пламени всегда присутствует множество раскаленных твердых частиц (сажа). Хотя размеры этих частиц и малы (0,01-0,15 мкм), но благодаря огромному их количеству () светимость пламени повышается и увеличивается его излучающая способность. Раскаленная частица сажи, нагретая до температуры, близкой или равной температуре газа, вследствие термоэлектронной эмиссии испускает электроны, приобретая положительный заряд. На основании исследований термоэмиссии электронов с раскаленных углеродных частиц можно сделать вывод, что термоэлектронная эмиссия – важная причина образования заряженных частиц в пламени.

4.    Работы ряда ученых в области электропроводности пламени показывают, что вышеуказанных причин недостаточно, чтобы количественно подтвердить степень ионизации газа в пламени. Н. А. Капцов, рассматривая этот процесс, подчеркивал, что «ионизацию объясняют химическими реакциями, так как температура пламени слишком низка, чтобы количественно оправдать наблюдаемую ионизацию столкновениями атомов». И в других работах в этой области мы находим аналогичные указания: «Не вызывает сомнений... факт взаимосвязи ионизации в зоне горения и природы химического процесса горения, т.е.

ионизация в зоне горения связана с химическим процессом превращений (хемиионизация)».

Таким образом, объяснение причины ионизации газа в пламени за счет термоионизации нельзя считать правильным и его не следует давать учащимся. Даже при ограниченном бюджете времени учитель может после демонстрации ионизации газа пламенем указать на то, что главным источником ионов в данном случае являются химические реакции горения, а также термоэлектронная эмиссия с раскаленных твердых углеродных частичек, всегда присутствующих в пламени.

Краткое описание документа:

Хорошо известное явление ионизации газа в пламени получает иногда ошибочное толкование в практике преподавания физики в школе, порой смешиваются два нетождественных понятия: ионизация в пламени и термоионизация. Статья посвящена объяснению процесса ионизации газа.