Ионы металлов имеют только положительный заряд

Обновлено: 18.05.2024

Проводником электричества является любое вещество, у которого присутствуют свободные отрицательные или положительные заряды. У металлов носителями зарядов являются электроны. Рассматривая вопрос о распределении зарядов в проводнике мы, по умолчанию, будем ссылаться на металлические тела. Но все выводы, касающиеся перераспределения зарядов в металлах, справедливы и для других типов веществ, с наличием свободных носителей положительных ионов.

Носители зарядов и их движение

При отсутствии электрического поля свободные точечные заряды пребывают в равновесии. Они осуществляют колебания, взаимодействуя между собой и с ионами такого же, либо противоположного знака. Однако картина равновесия вмиг нарушается при попадании металла в электрическое поле. На заряженном проводнике возникает электрическое смещение.

Под действием кулоновских сил происходит перераспределение электронов в металлическом теле. Перемещению зарядов способствует напряжённость поля, действующая на носители заряженных частиц разных знаков, но в разных направлениях.

В результате этого воздействия заряженные частицы устремляются в противоположные стороны. Точнее, в металлах происходит только перемещение электронов, которые скапливаются на поверхности с одной стороны.

Положительные ионы, связанные атомными силами кристаллической решётки не перемещаются, но поскольку электроны устремились в одну сторону, то на другой стороне проводника преобладают дырки (положительно заряженные ионы) (см. рис. 1). Таким образом, можно утверждать, что электроны и положительные ионы под действием электрического поля распределяются в противоположных направлениях на поверхности тел. То есть, заряды стремятся к равновесному распределению.

Рис. 1. Распределение зарядов в проводнике

Процесс распределения частиц продолжается до тех пор, пока не уравновесится их взаимодействие внешних и внутренних сил. То есть, пока сумма напряжённостей внешнего электрического поля не уравняется с внутренней напряжённостью. Данный процесс длится доли секунды. Если плотность энергии не меняется, а металл остаётся в спокойствии, то равновесие сил является константой.

Учитывая направления внешних векторов напряженности и внутренних сил, действующих на проводник, можно записать:

Результирующий вектор напряженности

Нулевое значение напряжённости поля означает, что внутренний потенциал тела компенсируется действием внешних сил:

Если в электрическое поле поместить металлический шар, то все статическое электричество на его поверхности будет иметь одинаковый потенциал. Такие поверхности получили название эквипотенциальных поверхностей. Заряды, скопившиеся под действием сил напряжённости поля, называются индуцированными или избыточными. Наличие избыточных зарядов характерно для всех типов проводников, оказавшихся в электрическом поле.

Рассуждения, приведённые выше, справедливы также для веществ со свободными ионами разных знаков (растворы солей и кислот). В результате такого распределения заряды также располагаются на противоположных концах токопроводящего тела. При этом равенство, записанное выше, сохраняется.

Если проводник изолирован, то до определённого времени количество индуцированного электричества будет увеличиваться, пока не восстановится новое равновесие. При этом внутренняя напряженность поля, увеличенная плотностями зарядов, будет усиливать своё противодействие. В конце концов, наступит момент, когда отталкивающие силы остановят приток одноименных статического электричества.

Если же создать условия для отвода избыточных заряженных частиц (при сохранении притока новых), например, заземлить кондуктор, то возникнет электрический ток. Причём перемещение заряженных частиц будет проходить по поверхности металла, но не внутри его, как можно было бы ожидать.

Электроемкость уединенного проводника

Рассмотрим отдельно взятый проводник, удалённый от других заряженных тел. Такие токопроводящие тела называют уединёнными. В результате электростатической индукции на поверхности уединённого проводника возникает статическое электричество. Количество индуцированных зарядов зависит от уровня напряжённости внешнего поля.

Потенциал на таком проводнике зависит от его заряда (φ): Q=Cφ, откуда

С = Q/φ , где C – электроёмкость.

Если уединённому проводнику сообщить некий дополнительный заряд, то в течение некоторого времени он будет сохраняться. Количество электричества, которые способен удержать уединённый проводник, зависит от его формы и площади поверхности. Наибольшую ёмкость имеют сферические образования, так как площадь поверхности сферы на единицу объёма самая большая.

Два уединённых проводника разделённые диэлектриком образуют конденсатор. При этом электроемкость конденсатора C_конд = Q/(φ₁ – φ₂), где ( φ₁ – φ₂ ) разница потенциалов между обкладками. Индуцированные заряды с обкладок заряженного конденсатора можно снять на нагрузку, подключённую к выводам обкладок.

Распределение зарядов и форма тела

Как было замечено выше, распределение зарядов зависит от формы тела. Больше всего статического электричества собирается на выступах, особенно на острых концах (см. рис. 3, 4).

Рис. 3. Форма тела и распределение статического электричества Рис. 4. Распределение статического электричества на кондукторе

Как видно из рисунка 4 плотность распределения зарядов на вогнутых поверхностях минимальна. Электростатическое поле сплошных и полых проводников не отличается, если их поверхности идентичны. Другими словами все токопроводящие тела с одинаковыми поверхностями обладают одинаковыми поверхностными плотностями.

На сферических поверхностях статическое электричество распределяется равномерно. Ёмкость конденсатора (сферического) вычисляют по формуле:

Емкость сферического конденсатора

где R₁ и R₂ – внешний и внутренний радиусы сферического конденсатора.

Распределение статического электричества на сфере иллюстрирует рисунок 5. Обратите внимание на то, что внутри сферического тела, как впрочем, и любого другого, заряды отсутствуют: вектор E=0, φ=const.

Рис. 5. Распределение заряженных частиц на сфере

Вы, наверно, слышали о клетке Фарадея. Человек, находящийся в замкнутом пространстве из токопроводящего материала, то есть в клетке, не ощущает на себе влияния мощных разрядов. Статическое электричество стекает по поверхностям стенок клетки на землю, и не могут попасть внутрь клетки.

Виды металлических связей и как они образуются

Все вещества во Вселенной имеют свою структуру строения, а следовательно — и свои свойства. Об особой связи частиц веществ впервые написал Уильям Хиггинс в XVIII веке. Тогда в своем научном труде ученый описал «особую соединительную силу», которая стала основой для возникновения теории о валентности, а позже — теории о химических связях.

Современная химия описывает существование нескольких типов химических связей:

металлическая;
ковалентная;
ионная;
водородная;
ван-дер-ваальсова.

Атомы металлов между собой объединяются в вещества с появлением новых свойств. При этом связь между атомами-металлами отличается свойствами от ковалентной и ионной связей.

Металлическая связь — особый вид химической связи, возникающий между атомами металлов за счет обобществления их крайних электронных оболочек и валентных электронов. Металлическая связь встречается в простых веществах металлах и их сплавах.

Металлическая связь формируется за счет частиц двух видов:

ионизированных атомов металлов, которые в процессе формирования отдают электроны, а значит получают положительный заряд;
свободных электронов, называемых «электронным газом», имеющих отрицательный заряд по своей природе происхождения.

Вещества с металлической связью чаще всего представляют собой чистые соединения и сплавы различных металлов, которые образуют новые вещества, например, бронзу, сталь, чугун, латунь и другие.

Атомы металлов имеют ряд особенностей:

небольшое количество электронов на внешнем электронном уровне;
большие радиусы.

Благодаря данным характеристикам соединения металлов легко отдают внешние электроны, что позволяет им становиться ионами с положительным зарядом.

По природе происхождения металлическая связь близка к ковалентной, а также к ионным соединениям, но в силу ряда отличий представляет собой отдельный тип химических связей.

Сходства и отличия металлической химической связи от ионной и ковалентной

Все виды связи переплетаются между собой и имеют сходные черты. Более того, некоторые соединения могут иметь сразу несколько видов связи в одной молекуле.

Металлическая связь сходна с ионной тем, что атомы металлов в соединениях легко отдают свои валентные электроны, которые слабо связаны со своими атомными ядрами. Отрыв электронов от ядра приводит к формированию катионов металлов.

Обобществление отрицательно заряженных электронов по системе частично перекрывающихся орбиталей металлов приводит к формированию прочной химической связи, что напоминает по механизму образования ковалентную связь.

Каждый из видов связи имеет свои особенности построения решеток, взаимодействия частиц, а также характерные свойства.

Несмотря на схожесть металлической связи с ковалентной и ионной, каждая из них имеет ряд характерных черт, благодаря которым можно легко определить вид связи в соединении.

Металлическая связь в отличие от ковалентной имеет высокую концентрацию электронов проводимости в атомах металлов. Она менее прочна, чем ковалентная, а ее энергия связей меньше в 3-4 раза.

В отличие от ковалентной связи металлическая:

ненасыщаема— объединяет большое количество атомов;
ненаправлена и делокализирована и электроны в связи обобществляются всеми атомами соединения.

В отличие от ионной связи металлическая образуется между катионами и отрицательно заряженными электронами, которые не привязаны к одному атомному ядру, а свободно движутся по кристаллической решетке.

Виды, особенности образования, как происходит, схема

Металлическая связь не может существовать между отдельными соединенными между собой атомами. Она появляется только в веществах.

При этом связи в этих веществах не отличаются постоянством. Электроны, отделившиеся от атомов металлов, превращаются в «электронный газ», благодаря чему они могут спокойно путешествовать по кристаллической решетке.

Основой для образования металлической химической связи является наличие свободных атомных орбиталей, а также свободных электронов.

Схему образования металлической связи можно записать следующим образом:

Число n будет зависеть от места химического элемента в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева. Число внешних электронов равно номеру группы, в которой находится металл.

Характерные кристаллические решетки

Кристаллическая решетка в веществах с металлической связью является основой, неким каркасом кристалла, в узлах которой находятся ионы металла, а между ними в виде «электронного газа» перемещаются отрицательно заряженные электроны, периодически присоединяющиеся к ионам металлов, превращая их в атомы.

Форма кристаллической решетки отличается в зависимости от группы, к которой относится металл:

щелочные металлы (литий Li, калий K, рубидий Rb и другие) имеют объемно-центрированную кубическую кристаллическую решетку;
переходные элементы (алюминий Al, медь Cu, цинк Zn и другие) имеют гранецентрированную кубическую форму решетки;
щелочноземельные металлы (бериллий Be, кальций Ca, радий Ra, кроме бария) имеют гексагональную решетку;
индий In имеет тетрагональную решетку;
ртуть Hg имеет ромбоэдрическую решетку.

Физические свойства металлов

Почти все металлы и их сплавы имеют сходные физические свойства:

Ионная и металлическая связь

До появления знания об электроне, в науке главенствовала теория о валентности как о скрепляющей атомы внутри вещества силе.

Ее предвестником стала научная работа Уильяма Хиггинса, ирландского химика конца XVIII века, который описал существование неких связей между частицами веществ.

В начале прошлого века, когда появилась модель атомного ядра и выяснилось, что оно состоит из частиц трех видов: электронов, протонов и нейтронов — теория о валентности сменилась теорией о химических связях.

Феномен химических связей объясняется стремлением всего к упорядочиванию. Частицы веществ стремятся к наиболее стабильным и устойчивым формам с минимальным расходом энергии, благодаря чему появляется множество соединений.

Современная химия различает до шести видов связей, но чаще всего рассматривает только первые четыре из них:

металлическая;
ковалентная;
ионная;
водородная;
ван-дер-ваальсова;
двухэлектронная трехцентровая химическая.

От типа химической связи зависят ее свойства, а также строение химических решеток, структура и способы взаимодействия атомов и частиц.

Самой распространенной химической связью является ковалентная полярная, а остальные чаще всего являются либо крайними ее формами, либо вариациями с металлическими и нехарактерными неметаллическими химическими элементами в соединениях.

Ионная химическая связь

Ионная связь получила свое название от «иона» — частицы, вступающей в связь в соединении.

Ионная химическая связь — особый вид химической связи между частицами, основное действие которого направленно на заряженные частицы — ионы.

Ионная связь является крайней формой ковалентной полярной связи. При образовании, происходит поляризация атомов, в следствии чего образуются ионы.

Ионы — одноатомные или многоатомные частицы, имеющие ярко выраженный электрический заряд. Делятся на катионы — положительно заряженные атомы, и анионы — отрицательно заряженные.

Ионы могут иметь разный заряд и классифицируются по значению заряда на:

однозарядную ( K + );
двузарядную ( O 2 + );
трехзарядную ( A l 3 + ) группы.

Частицы, вступающие в ионную связь, должны иметь большую разницу в 2 определение — электроотрицательности — способности притягивать электронные пары к себе. По Полингу для образования ионной связи необходима разница в 1,7 и более.

При таком виде химической связи происходит почти полный переход одного электрона к другому атому. Частицы с меньшей ЭО практически полностью переходят во владения частицы с большей ЭО, однако полного перехода никогда не случается.

Отчуждение электронов называется окислением, а присоединение — восстановлением.

Полного разделения на + и – заряженные частицы нет, так как частицы пересекаются своим электронными орбиталями и связываются очень прочной связью, а также имеют сильное электростатическое взаимодействие между частицами.

Ионная связь характерна для соединений металлов и неметаллов, реже для соединений неметаллов с неметаллами, присутствует в оксидах, гидроксидах, гидридах щелочных и щелочноземельных металлов, в солях, соединениях металлов с галогенами.

Ионная связь характеризуется двумя главными чертами:

Вещества с ионной химической связью имеют ряд особенностей:

низкая летучесть;
высокая температура плавления;
низкая электростатическая проводимость из-за специфического строения кристаллической решетки;
твердость, но при этом хрупкость веществ;
заметная растворимость соединений в полярных растворителях.

Металлическая связь

Атомы металлов имеют возможность соединяться не только с неметаллами, но и между собой. В таком случае происходит формирование металлической связи.

Металлическая химическая связь — особый вид химической связи, образующийся между атомами металлов за счет обобществления их крайних электронных оболочек и валентных электронов.

В металлическую связь вступают частицы двух видов:

Металлическая связь образуется только в веществах, а не между отдельными атомами. При этом связи внутри вещества связи не перманенты и не отличаются постоянством.

Кристаллическая решетка в веществах с металлической связью образуется в виде некого каркаса, в узлах которого находятся ионы металлов, а между ними в свободной форме путешествует «электронный газ», состоящий из свободных электронов.

щелочные металлы (литий Li, калий K, рубидий Rb и другие) имеют объемно-центрированную кубическую кристаллическую решетку;
переходные элементы (алюминий Al, медь Cu, цинк Zn и другие) имеют гранецентрированную кубическую форму решетки;
щелоноземельные металлы (бериллий Be, кальций Ca, радий Ra, кроме бария) имеют гексагональную решетку;
индий In имеет тетрагональную решетку;
ртуть Hg имеет ромбоэдричсекую решетку.

Соединения, обладающие металлической связью, представляют собой либо чистые соединения металлов, либо их сплавы, которые образуют новые вещества, например, бронзу, сталь, чугун, латунь и другие.

Все металлы и их сплавы имеют сходные физические свойства:

металлический блеск;
теплопроводность материала;
высокая ковкость, пластичность материала;
хорошая электропроводность;
твердое агрегатное состояние в нормальных условиях среды;
высокая плотность материала.

Чем отличаются друг от друга и от ковалентной, что общего

Основные виды химической связи имеют довольно сходный принцип строения по природе происхождения. Они переплетаются между собой и имеют общие признаки. Более того, внутри одной молекулы нередко бывают сразу несколько видов химических связей.

Металлическая и ионная связь сходны между собой, а также сходны с ковалентной связью.

Металлическая и ковалентная связи сходны тем, что электроны, вступающие в связь обоих видах, становятся общими и принадлежат всем атомам либо в виде электронных пар, либо в виде электронного газа.

Ионная и ковалентная связи имеют сходство принципом строения. По сути происхождения, ионная связь является крайней формой ковалентной полярной связи. Полностью ионной связи в природе не существует — на какой-то процент она всегда остается ковалентной.

Однако отличия между связями все же есть. Именно по ним можно определить тип химической связи в соединении.

Металлическая от ковалентной связи отличается, в первую очередь, тем, что происходит между двумя атомами металлов, а не неметаллов. Благодаря этому она имеет высокую концентрацию электронов проводимости в своих атомах. Она менее прочна, чем ковалентная, а ее энергия связей меньше в 3-4 раза.

ненасыщаема — объединяет большое количество атомов;
ненаправлена — из-за сферической формы орбиталей;
делокализирована — электроны в связи обобществляются всеми атомами соединения.

Ионная связь в отличие от ковалентной происходит между атомами металлов и неметаллов, реже между неметаллами. Она образуется между катионами и отрицательно заряженными электронами, которые не привязаны к одному ядру, а свободно движутся по кристаллической решетке.

Металлическая от ионной связи отличается:

типом связываемых частиц — у металлической связи нет как такового аниона, вместо него катионы притягивают электронный газ;
прочностью связи при ударе — взаимное смещение катионов не приводит к разрыву, но если в связи находятся катион и анион, то связь может быть разорвана.

Как образуется ионная и металлическая связь, примеры

Ионная связь образуется между металлом и неметаллом (иногда неметаллом и неметаллом) с разным уровнем электроотрицательности. Ионы могут быть простыми и иметь только один атом, как, например, C l - , N a + , так и сложными и иметь несколько атомов и общий уровень заряда при них, как, например, N H 4 - .

Графически образование ионной связи можно проследить на схеме образования соединения натрия и хлора:

По принципу ионной связи образуются также хлороводород HCl, оксид кальция CaO, фторид натрия NaF, бромид серебра AgBr и другие.

Металлическая связь образуется между двумя неметаллами. В связь вступают ионы металла и свободные электроны. Основой для образования металлической химической связи является наличие свободных атомных орбиталей, а также свободных электронов.

Схему образования металлической связи одной формулой можно записать следующим образом:

Электрический ток в металлах: подробное объяснение

Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов. Более подробно об этом читайте далее в нашей статье.

Важно знать

Как известно, электрический ток – это упорядоченный поток носителей электрического заряда. Носители – это заряженные частицы, способные свободно перемещаться во всем объеме тела.

В случае металлов этими частицами являются электроны, которые высвобождаются при образовании связи между атомами металла.

Известно, что металлы в твердом состоянии имеют кристаллическую структуру. Частицы в кристаллах расположены в определенном порядке, образуя пространственную решетку (кристалл).

Наконец, кристаллическая решетка металла образована положительными ионами, погруженными в “облако” хаотически движущихся так называемых свободных электронов, также называемых электронами проводимости. В зависимости от валентности атомов металла, один атом может освободить от одного до трех электронов при образовании металлических связей. Число таких высвобожденных электронов непосредственно переводится в число носителей заряда. Это является одним из факторов, влияющих на способность металла проводить электрический ток.

Доказательством того, что ток в металлах вызывается электронами, послужили эксперименты наших отечественных физиков Леонида Исааковича Мандельштама и Николая Дмитриевича Папалекси, а также американских физиков Бальфура Стюарта и Роберта Толмана.

Способность металла проводить электрический ток может быть описана физической величиной, называемой удельным электрическим сопротивлением. Эта физическая величина обозначается греческой буквой ρ (читается как “ро”). Единицей измерения удельного сопротивления является Ом · м, т.е. произведение Ом на метр. Удельное сопротивление – это константа, которая характеризует материал и имеет различные значения для разных материалов. Например, удельное сопротивление меди составляет 1.72*10 -8 Ом · м. Это означает, что электрическое сопротивление медного проводника длиной 1 метр и площадью поперечного сечения 1 м равно 1.72*10 -8 Ом . В целом, чем ниже удельное сопротивление материала, тем лучше он проводит электрический ток.

В таблице ниже приведены некоторые примеры удельного сопротивления часто используемых металлов.

Металл	Удельное сопротивление (Ом · м)
Серебро	1.59*10 -8
Медь	1.72*10 -8
Алюминий	2.82*10 -8
Вольфрам	5.6*10 -8
Железо	10*10 -8

Удельное электрическое сопротивление может быть связано с микроскопическими свойствами материала. В частности, он зависит от концентрации носителей заряда и их подвижности.

Движение свободных электронов в металлах не является полностью “свободным”, поскольку во время их движении они взаимодействуют с другими электронами, и прежде всего с ионами кристаллической решетки. Специфика этого движения описывается так называемой классической моделью проводимости.

Основные предположения и выводы этой модели представлены в большом упрощении ниже.

Классическая модель проводимости

Без внешнего электрического поля электроны совершают тепловые хаотические движения, сталкиваясь друг с другом, а также сталкиваясь с ионами кристаллической решетки. В результате такого движения среднее положение электронов практически не меняется (см. рис. 1.).

Рис. 1. Пример траектории электрона во время его хаотического теплового движения в металле

Из-за квантовых эффектов, и в частности из-за принципа запрета Паули, который не позволяет всем электронам занимать самое низкое энергетическое состояние, средняя скорость электронов в металлах, связанная с их хаотическим тепловым движением, больше, чем скорость частиц в классическом идеальном газе той же температуры. Она составляет порядка 10 м/с.

Если электрическое напряжение U приложено к концам проводника длиной L в нем появится электрическое поле с напряженностью E = U / L

Под действием этого внешнего поля, согласно второму закону динамики, электроны ускоряются: a = F / m,

где F = e*E – сила, с которой электрическое поле действует на электрон с зарядом e. Таким образом, ускорение электрона составляет: a = e*E / m .

Ускоренное движение электрона длится лишь довольно короткое время, пока он не столкнется с ионом
кристаллической решетки. В результате такого столкновения электрон теряет практически всю свою кинетическую энергию. Однако замедленный электрон не остается в состоянии покоя – он снова ускоряется под действием электрического поля, снова сталкивается с одним из ионов из ионы кристаллической решетки и т.д. Этот эффект добавляет к скорости тепловых движений дополнительную направленную среднюю скорость u, которая из-за отрицательного заряда электрона имеет направление, противоположное напряженности внешнего электрического поля. Эта скорость называется средней скоростью дрейфа (рис. 2).

Рис. 2. Дрейф электрона под действием внешнего электрического поля

В проводнике начинает течь электрический ток с силой тока I (см. рисунок 3).

Рис. 3. Дрейфующие электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки

Предполагая, что движение электрона равномерно ускоряется между столкновениями с ионами решетки, с ускорением a = e*E / m , и предполагая, что в результате столкновения электрон передает всю свою кинетическую энергию кристаллической решетке, мы можем вычислить скорость, которую развивает электрон в своем свободном движении: v = a*τ . В этой формуле τ – средний интервал времени между последующими столкновениями дрейфующего электрона с ионами кристаллической решетки.

Поскольку при равномерно ускоренном движении без начальной скорости средняя скорость является средним арифметическим начальной (равной нулю) и конечной скоростью, то получаем: u = v / 2 = e*E*τ / 2*m .

Из полученной формулы следует, что скорость дрейфа, помимо внешнего электрического поля, определяется средним интервалом времени между столкновениями электронов с ионами решетки. Этот параметр зависит от многих факторов (включая температуру, кристаллическую структуру металла, дефекты кристаллической структуры, примеси) и, как выясняется, существенно влияет на электрическое сопротивление материала.

Средняя дрейфовая скорость электронов составляет порядка 10 -4 м/с. Она очень мала по сравнению со скоростью теплового движения, которая составляет порядка 10 6 м/с.

Классическая теория проводимости достаточно хорошо описывает явление электропроводности в металлах. Однако эта теория не может объяснить экспериментально наблюдаемую зависимость электрического сопротивления от температуры.

Причина упомянутой неудачи классической теории проводимости заключается в том, что она не учитывает влияние ионов решетки на движение электронов между столкновениями. Более близкие к реальности результаты дает квантовая теория проводимости, которая описывает электроны как частицы, подверженные квантовой статистике, движущиеся в периодическом электрическом поле, создаваемом положительными ионами решетки.

Выводы простым языком

Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решётки. Поэтому в обычных условиях металл электрически нейтрален. Свободные электроны в нём движутся беспорядочно. Но если в металле создать электрическое поле, то свободные электроны начнут двигаться направленно под действием электрических сил. Возникнет электрический ток. Беспорядочное движение электронов при этом сохраняется, подобно тому как сохраняется беспорядочное движение в стайке мошкары, когда под действием ветра она перемещается в одном направлении.

« Скорость движения самих электронов в проводнике под действием электрического поля невелика – несколько миллиметров в секунду, а иногда и ещё меньше. Но как только в проводнике возникает электрическое поле, оно с огромной скоростью, близкой к скорости света в вакууме (300 000 км/c), распространяетcя по всей длине проводника. »
Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010

Как пример, электрический сигнал, посланный, например, по проводам из Москвы во Владивосток (s = 8000 км), приходит туда примерно через 0,03 с.

Одновременно с распространением электрического поля все электроны начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника. Так, например, когда цепь электрической лампы замкнута, электроны в спирали лампы также движутся упорядоченно.

Сравнение электрического тока с потоком воды в водопроводной системе и распространения электрического поля с распространением давления воды поможет нам понять это. Когда вода поднимается в резервуар для воды, давление (напор) воды очень быстро распространяется по всей системе водоснабжения. Когда мы включаем кран, вода уже находится под давлением и сразу же начинает течь. Но вода, которая была в кране, течет, а вода из башни достигает крана гораздо позже, потому что вода движется с меньшей скоростью, чем распространяется давление.

Когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике, то имеют в виду скорость распространения по проводнику электрического поля.

Урок 6. Простые ионы

В уроке 6 «Простые ионы» из курса «Химия для чайников» познакомимся с простыми ионами и выясним, чему равен его заряд; также рассмотрим как образуется ионная химическая связь; научимся определять степень окисления и валентность элементов. Данный урок очень важный, и чтобы его лучше понять, обязательно просмотрите прошлые уроки, особое внимание уделяя уроку 1 «Схема строения атомов», а также уроку 3 «Схема образования молекул».

Ионная химическая связь

Мы уже кратко рассматривали ковалентную полярную химическую связь, в которой из-за незначительного различия в электроотрицательности атомов (0.4-2.0) электронная пара распределяется между ними не равномерно. Для тех, кто забыл, напоминаю, что электроотрицательность — это способность атомов притягивать к себе электроны.

Однако, если электроотрицательность атомов различается больше чем на 2 по таблице электроотрицательности, то электронная пара полностью переходит к более электроотрицательному атому, и в результате образуется ионная химическая связь. Ионная химическая связь образуется только между атомами типичных металлов (т.к. они легко теряют внешние электроны) и неметаллов (т.к. они обладают большой электроотрицательностью).

Положительные и отрицательные ионы

Наглядным примером ионной химической связи может служить обычная поваренная соль NaCl, которая присутствует на каждой кухне. Атомы натрия (и вообще всех металлов) слабо удерживают внешние электроны, тогда как атомы хлора напротив, обладают очень большой способностью притягивать к себе электроны, т.е обладают большой электроотрицательностью.

Поэтому при образовании молекулы NaCl каждый атом Na теряет один электрон (e — ), образуя положительный ион натрия Na + , а каждый атом Cl, наоборот, приобретает этот потерянный электрон натрия, образуя отрицательный ион хлора Cl — . Это записывается в виде двух реакций:

Записать ½Cl₂ пришлось потому, что газообразный хлор в природе состоит из двухатомных молекул, а не из свободных одиночных атомов хлора.

На рисунке выше, изображена кристаллическая решетка NaCl, где каждый хлорид-ион Cl — окружен со всех сторон соседними положительными ионами натрия Na + ; ионы натрия Na + точно также окружены ближайшими хлорид-ионами Cl — . Подобное расположение ионов обладает высокой устойчивостью.

Положительно заряженные ионы называются катионами. К ним в основном относятся металлы, так как они легко отдают от одного до трех электронов. Ниже приведены примеры катионов:

Анионами являются неметаллы, поскольку с радостью присоединяют к себе электроны, превращаясь в отрицательно заряженные ионы. Примеры анионов:

Степень окисления веществ

Заряд простого, одноатомного иона, например Mg 2+ или F 2- , называется его степенью окисления. Степень окисления — это такое число электронов, которое необходимо прибавить (восстановить) к иону или отнять (окислить) у него, чтобы он превратился обратно в нейтральный атом.

Реакция восстановления: Mg 2+ + 2e — → Mg
Реакция окисления: F 2- → F + 2e —

Процесс присоединения электронов к атому или просто их смещение в сторону данного атома называется реакцией восстановления, а оттягивание электронов от атома или их полное удаление называется реакцией окисления. Вот вам отличная шпаргалка со степенями окисления простых ионов:

Пример 12. Окисляется или восстанавливается хлор при образовании хлорид-иона? Какова степень окисления этого иона?
Решение: Хлор восстанавливается, поскольку к каждому атому хлора необходимо присоединить один электрон, чтобы образовался хлорид-ион. Хлорид-ион, Сl — , имеет степень окисления -1.

Пример 13. Окисляются или восстанавливаются металлы при образовании ими ионов? Какова степень окисления иона алюминия?
Решение: При образовании ионов металлов последние окисляются, поскольку при этом происходит удаление электронов от атомов металла. Ион алюминия, Аl 3+ , имеет степень окисления +3.

Валентность химических элементов

Валентностью называют число химических связей, которые данный атом образует с другими атомами в молекуле. Однако, если говорить простыми словами, то под валентностью понимается все та же степень окисления, но в отличии от нее валентность не имеет знака и не равна нулю.

Молекулярная формула	Валентность	Степень окисления
H₂O	H(I), O(II)	H +1 , O -2
CS₂	C(IV), S(II)	C +4 , S -2
CH₄	C(IV), H(I)	C -4 , H +1

Название ионов

Ионы металлов, которые имеют различные (переменные) степени окисления, записываются следующим образом:

Fe 2+ железо(II) или ион двухвалентного железа
Fe 3+ железо(III) или ион трехвалентного железа
Сu + медь(I) или ион одновалентной меди
Cu 2+ медь (II) или ион двухвалентной меди
Sn 2+ олово(II) или двухвалентного олова
Sn 4+ олово(IV) или ион четырехвалентного олова

Пример 2: Окисление или восстановление происходит при превращении иона трехвалентного железа в ион двухвалентного? Запишите уравнение этого процесса.

Решение: Уравнение реакции имеет следующий вид: Fe 3+ + e — → Fe 2+ . Она представляет собой процесс восстановления, поскольку к исходному иону присоединяется электрон.

Надеюсь урок 6 «Простые ионы» оказался для вас понятным и полезным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.

Читайте также: