Определение заряда иона водорода. Смотреть что такое "Молекулярный ион водорода" в других словарях
Согласно опытным данными, первая ионизационная энергия (ПИЕ) молекулы водорода составляет 1,494 кДж/моль. В результате разрыва электрона с молекулой водорода образуется положительный ион водорода (H 2 +). Чтобы сравнить расчетные данные с экспериментальными, нам необходимо рассчитать энергию положительного иона водорода по той же схеме, которую мы использовали для определения энергии молекулы водорода. При использовании данной схемы мы приходим к выводу, что энергия положительного иона водорода равна энергии не гелиеподобного, а водородоподобного атома с зарядом Z, равным уменьшенному заряду в точке E, при этом Z может быть рассчитана по следующей формуле:
Z = (N 2 /2n) [(4n/N) 2/3 - 1] 3/2 - S n ,
где N является ядерным зарядом в единицах протона; n - число связывающих электронов; S n - обозначение межэлектронного отталкивания. В случае с одним электроном (H 2 +) S n равно нулю. Подробное доказательство данной формулы приведено в монографии.
При расчете с помощью этого уравнения, мы находим, что:
Z = (1 2 /2) [(4/1) 2/3 - 1] 3/2 = 0.5 (40.666 - 1) 1.5 = 0.93
Соответственно, энергия H 2 + определяется по формуле:
E H2 + = 1 317 . 0.932 = 1 150 кДж/моль
Молекула H 2 + может быть представлена как молекула, образованная из атома водорода и протона. Суммарная электронная энергия исходных компонентов равна ПИЕ атома водорода, т. е. 1 317 кДж/моль. То есть, согласно расчетам, при образовании иона H 2 + происходит не выделение энергии, а наоборот, ее потеря
величиной 167 кДж/моль. Таким образом, в соответствии с расчетами, молекула H 2 + является крайне неустойчивой. [данный факт упоминается в Энциклопедии неорганической химии (1994) на стр. 1 463.] Соответственно, когда происходит отрыв одного электрона от молекулы водорода, она распадается на атом водорода и протон. Суммарная энергия при этом составляет 1 317 кДж/моль. Таким образом, экспериментально вычисленная электронная энергия молекулы водорода (E H2) определяется по формуле:
E H2 = 1 317 кДж/моль + 1 494 кДж/моль = 2 811 кДж/моль,
где 1,317 кДж/моль есть значение энергии атома водорода и 1,494 кДж/моль есть ПИЕ атома водорода (FIE H 2) . Энергия молекулы водорода, вычисленная с помощью уравнений, составила 2,900 кДж/моль. Расхождение между опытными и расчетными данными составило 3.06%.
Таким образом, (2,900 кДж/моль - 2,811 кДж/моль) / 2,900 кДж/моль = 0.0306. То есть, значение энергии молекулы водорода, вычисленное с помощью уравнений, оказалось на 3.06% больше, чем значение, полученное с помощью экспериментальных данных.
Как уже было сказано в этом разделе, энергию молекулы водорода можно вычислить так же, как энергию гелиеподобного атома (ядро, окруженное двумя электронами). Исходя из расчета для гелиеподобных атомов, получаем:
E гел = 1,317 (Z - 0.25) 2 · 2
Энергии гелиеподобных атомов с ядерными зарядами, равными 1, 2 и 3 единицам протона, составили 1,485; 8,025 и 19,825 кДж/моль соответственно. Для сравнения, экспериментально вычисленная энергия этих атомов (сумма энергий ионизации H¯; He; и Li +) составила 1,395; 7,607 и 19,090 кДж/моль соответственно.
Иными словами, экспериментально вычисленные значения энергии для атомов H¯; He; и Li + оказались меньше, чем расчетные данные, на 6.1%; 5.2% и 3.7% соответственно.
Как уже отмечалось выше, экспериментально определенное значение энергии молекулы водорода оказалось на 3.06% меньше, чем значение, вычисленное на основе модели, что вполне убедительно доказывает, что модель является совершенно точной.
Энергия иона водорода Н 2 +
Одноэлектронная связь менее прочна (энергия разрыва 61 ккал /моль), чем обычная двухэлектронная связь в нейтральной молекуле водорода (d HH =0,74Å, энергия разрыва 104 ккал/моль) . Расчеты зависимостей полной энергии и её компонент от межъядерного расстояния для простейшей структуры с химической связью - молекулярного иона водорода H 2 + с одноэлектронной связью - показывают, что минимум полной энергии, который достигается при равновесном межъядерном расстоянии, равном 1,06Å, связан с резким понижением потенциальной энергии электрона вследствие концентрации и сжатия облака электронной плотности в межъядерной области. Можно представить образование иона H 2 + как результат реакции атома водорода и протона :
H+ H + → H 2 + + 61 ккал
1. Молекулярный ион водорода H 2 + содержит два протона, заряженных положительно, и один электрон , заряженный отрицательно. Единственный электрон компенсирует электротатическое отталкивание двух протонов и удерживает их на расстоянии d H H = 1,06 Å. Центр электронной плотности электронного облака (орбитали) равноудалён от обоих протонов на боровский радиус α 0 = 0,53 Å и является центром симметрии молекулярного иона водорода H 2 +
2. Молекулярный ион водорода H 3 + содержит три протона и два электрона. Электростатическое отталкивание трёх протонов компенсируется двумя электронами. Методом кулоновского взрыва показано, что протоны молекулярного иона водорода H 3 +
Находятся в вершинах равностороннего треугольника с межъядерным расстоянием 1,25 ± 0,2Å .
Ссылки
- Сайт Уфимского кванто-химического общества. Лекция № 13 "Электронная корреляция"
См. также
Примечания
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Молекулярный ион водорода" в других словарях:
Атом водорода физическая система, состоящая из атомного ядра, несущего элементарный положительный электрический заряд, и электрона, несущего элементарный отрицательный электрический заряд. В состав атомного ядра может входить протон или… … Википедия
Молекула водорода простейшая молекула, состоящая из двух атомов водорода. В её состав входят два ядра атомов водорода и два электрона. Вследствие взаимодействия между электронами и ядрами образуется ковалентная химическая связь. Кроме… … Википедия
1 Водород → Гелий … Википедия
Рис.1. Электронная теория химической связи была предложена и развита американским физикохимиком Льюисом Г.Н в 1912 1916 гг … Википедия
Предложена Лайнусом Полингом на симпозиуме по теоретической органической химии, посвящённом памяти А.Кекуле (симпозиум состоялся в Лондоне в сентябре 1958 г.). В докладе Полинга дана теория двойной связи как комбинации двух одинаковых изогнутых… … Википедия - Эта статья или раздел нуждается в переработке. Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей. Квантовая химия это направл … Википедия
Кулоновская электронная корреляция это взаимная согласованность движения образующих химическую связь электронов атомов, учитывающая электростатическое отталкивание электронов, имеющих отрицательный элементарный электрический заряд. Основной … Википедия
§ 79. Заряд и масса иона.
Из сказанного в предыдущих параграфах следует прежде всего, что заряды, несомые положительными и отрицательными ионами, будучи обратными по знаку, должны быть тождественными по абсолютной величине, так как они образуются, вообще говоря, путем расщепления нейтральных молекул вещества. Первые количественные определения величин, позволяющих судить о массе ионов различных категорий, были произведены Дж. Дж. Томсоном и В. Вииом, а первые приближенные определения заряда иона были выполнены Дж. Дж. Томсоном.
Основные серии исследований были посвящены определению отношения заряда иона е к его массеm . В одном из методов, примененных Дж. Дж. Томсоном в 1897 году, он оперировал с так называемымикатодными лучами, открытыми Круксом и состоящими из потока каких-то весьма своеобразных частиц, несущих отрицательные заряды. Как известно, катодные лучи были наблюдены Круксом в очень ясно выраженной форме внутри стеклянного сосуда с весьма разреженным пространством, в котором были расположены два электрода: плоский или слегка вогнутый катод и какой-либо анод. При достаточно высокой разности потенциалов между этими электродами с поверхности отрицательного электрода, приблизительно перпендикулярно ей, исходят вышеупомянутые катодные лучи, обладающие целым рядом особых свойств. Пучок катодных лучей отклоняется действием поперечного магнитного поля, что можно обнаружить, пользуясь либо флюоресценцией остатков газа в трубке, либо флюоресценцией специального экрана, на который падают лучи. Такое же отклонение можно получить, пропуская катодные лучи и между пластинками конденсатора, распо-
ложенными внутри трубки и заряжаемыми от некоторого постоянного источника. В обоих случаях направление отклонения точно соответствует отрицательной электризации частиц, образующих катодные лучи. Подобные наблюдения можно произвести, например, при помощи трубки с очень разреженным газом, представленной на рисунке 132.
Здесь С есть катод, А - анод со щелью порядка 2 - 3 миллиметров,В - металлический диск, соединенный с землей и имеющий щель около одного миллиметра шириною,D 1 иD 2 - пластины конденсатора,F - флюоресцирующий экран, нанесенный на внутренней поверхности стеклянной трубки. Катодные лучи, исходящие с поверхности катода С, проходят через щели вА иВ в направленииОР и дают на экране светящийся следР. Представим себе теперь, что трубка расположена в однородном магнитном поле, перпендикулярном плоскости рисунка 132, т. е. перпендикулярно ОP. Катодный пучок при этом из прямолинейного превратится в искривленный(ОР") по дуге круга, радиус которого будет зависеть от магнитной индукцииВ, от зарядае частиц, образующих катодные лучи, от их массыт и от их скоростиv . Действительно, радиус кривизны траектории иона будет определяться условием равенства по абсолютной величине центробежной силы, с одной стороны, и силы, отклоняющей частицу к центру кривизны, с другой стороны. Центробежная сила будетmv 2 /r. Отклоняющая частицу
сила будет равна произведению из магнитной индукции В и величиныev , представляющей собою не что иное, как меру силы тока, обусловливаемого движением зарядае со скоростьюv (угол между направлением вектораВ равен в данном случае 90°). Следовательно, можем написать:
mv 2 / r =Bev .
С другой стороны, сообщая пластинам D 1 и D 2 некоторую разность потенциалов, мы можем вызвать отклонение катодного пучка и путем воздействия поперечным электрическим полем на движущиеся заряженные элементы пучка. Обозначая электрическую силу между пластинамиD 1 иD 2 черезЕ, мы можем механическую силу этого воздействия на каждую отдельную частицу выразить черезЕе. При этом знак разности потенциалов между пластинамиD 1 иd 2
может быть взят такой, чтобы отклоняющие действия на катодный пучок со стороны электрического и магнитного полей были противоположны друг другу. Установив некоторое определенное значе-ни5 электрической силы Е, будем затем изменять соответствующим образом магнитную индукциюВ и таким путем можем добиться уничтожения отклонения катодного пучка, о чем можно судить по возвращении флюоресцирующего следа пучка в точкуР. Когда это будет достигнуто, мы будем иметь право написать:
Ее =Ве v .
Принимая в внимание значение В, таким образом подобранное, и комбинируя полученные два соотношения, мы получаем:
Величина же самого заряда е была, как увидим дальше, непосредственно определена из других наблюдений.
Отношение е кm и величина скоростиv были получены Дж. Дж. Томсоном и другим методом, в котором, между прочим, определялась по способу Перрена величина количества отрицательного электричества, несомого некоторой порцией катодного потока (рис. 133).
Именно на пути катодного пучка, исходящего из отрицательного электрода С, располагается пустотелый металлический цилиндр В с отверстием в днище, обращенном к электроду С. Этот цилиндрВ весьма тщательно изолирован и для предотвращения всякого рода влияний электрического характера помещен внутри охранной металлической камерыА, играющей в то же время роль анода. ЦилиндрВ присоединяется к специально градуированному электрометру, при помощи которого можно измерять электрический заряд, приобретаемый цилиндром. Как показал Перрен, катодный пучок, попадая внутрь цилиндраВ, заряжает его отрицательным электричеством, причем величина этого заряда при данных неизменных условиях строго пропорциональна времени, в течение которого катодный пучок действует. Производя опыт в течение неко-
торого определенного промежутка времени, Дж. Дж. Томсон измерил заряд Q , приобретенный за это время цилиндромВ. Обозначая черезN число носителей отрицательного электричества, вошедших внутрь цилиндраВ, получаем:
Ne = Q .
Затем Дж. Дж. Томсон измерил количество кинетической энергии, которою обладают эти N частиц, заставляя тот же катодный пучок в такой же промежуток времени падать на специально изготовленную термопару, располагаемую для этого на пути катодного пучка, вместо цилиндраВ, и проградуированную, как калориметр. Обозначая черезW количество энергии, приобретаемой калориметрической термопарой вследствие бомбардировки ееN частицами, обладающими массойm каждая и несущимися со скоростьюv , и допуская, что кинетическая энергия каждой частицы целиком превращается в тепло при ударе о поверхность термопары, получаем второе соотношение:
1 / 2 Nmv 2 =M .
Производя, наконец, описанный выше опыт с отклонением катодного пучка магнитным полем, присоединяем третье соотношение:
mv 2 / r = Bev .
Из этих трех соотношений получается:
Таким образом, Дж. Дж. Томсон мог различными способами определить отношение заряда к массе и скорость частиц, из которых состоит катодный пучок. Величина скорости v в широких пределах зависит от разности потенциалов, приложенной к электродам трубки. В условиях работы Дж. Дж. Томсона при напряжениях, доходивших до 10000 вольт и несколько выше,v доходило до 3,6 10 9 сантиметра в секунду, т. е. до величины, несколько превышавшей одну десятую скорости света. Что касается величины отношенияe / m , то совершенно независимо от всяких привходящих обстоятельств (напряжения, природы газа в трубке, вещества отрицательного электрода и т. д.), это отношение оказывается неизменно одного и того же порядка. Дж. Дж. Томсон получал в описанных опытах:
e / m =около 10 7 в абс. эл.-магн. единицах.
В настоящее время мы знаем, на основании результатов позднейших, более совершенных экспериментов, что более точное значение этого отношения должно быть:
e / m =1,76 10 7 в абс. эл.-магн. единицах.
Указанное небольшое расхождение, объясняемое целым рядом источников ошибок в первоначальных опытах, не имеет, однако, никакого существенного значения при обосновании тех чрезвычайно важных и принципиальных выводов, к которым Дж. Дж. Томсон пришел, анализируя полученные им результаты. В этом отношении необходимо знать лишь порядок величины - , и его-то Дж. Дж. Томсон определил в достаточной степени точно, а затем сопоставил полученное значение с тем, что получается для отношения заряда к массе в случае обычных материальных ионов. Он подсчитал, что в случае самого легкого иона, с которым мы имеем дело при прохождении тока через электролиты, именно в случае водородного иона, интересующее нас отношение будет около 10 4 (более точная его величина равна 0,96 10 4). Как мы увидим дальше, Дж. Дж. Томсон показал, что величина заряда элементов катодного пучка и электролитических ионов должна быть признана одной и той же. Из этого он вывел заключение, что масса частицы катодного потока во много раз (более, чем в тысячу раз) легче самого легкого атома, атома водорода. В настоящее время мы знаем, что масса атома водорода приблизительно в 1840 раз больше массыэлектрона, каковое название, предложенное Джонстоном Стонеем, окончательно утвердилось в науке для обозначения тех носителей отрицательного электричества, с которыми мы встречаемся, вообще говоря, всегда в случае прохождения тока через газы и пустоту. Величайшая заслуга Дж. Дж. Томсона состоит именно в том, что он первый установил основные физические характеристики легчайших материальных частиц, являющихся носителями наименьшего электрического заряда, с которым мы встречаемся на опыте. Эти легчайшие частицы, масса которых в 1840 раз меньше массы атома водорода, мы теперь с полным основанием рассматриваем какатомы электричества. Тщательное теоретическое и экспериментальное изучение вопроса о массе электрона показывает, что она не постоянна, но оказывается функцией скорости. Обозначая массу электрона, двигающегося медленно сравнительно со скоростью света, черезm 0 , можно на основании новейших опытов принять:
где v есть скорость движения электрона, ас - скорость света, можно теоретически обосновать следующее выражение для массы электрона, двигающегося со скоростьюv :
В связи с этим возникло представление об электромагнитной природе массы электрона.
Представляет большой интерес сопоставление значений - для электрона и для положительных газовых ионов, и с этою целью можно воспользоваться результатами опытов В. Вина, который определял это отношение в случае положительных ионов, образующих так называемыезакатодные лучи, впервые наблюденные Гольдштейном. Если электрический разряд происходит между некоторыми анодом и катодом в сильно разреженном газе и при этом катод состоит из металлической пластинки с большим числом небольших отверстий, то позади катода, т. е. со стороны, противоположной аноду, наблюдаются очень слабо светящиеся пучки, проникающие сквозь отверстия и вызывающие заметную флюоресценцию стекла в месте их падения на стенки сосуда. Вин показал, во-первых, что закатодные лучи Гольдштейна состоят из положительно заряженных ионов, которые приобрели очень большие скорости в электрическом поле по другую сторону катода и благодаря этому оказались способными, так сказать, проскочить по инерции сквозь отверстия. Воздействуя на пучок закатодных лучей электрическим и магнитным полем и пользуясь тем же методом, который был выше описан применительно к катодным лучам, Вин
мог определить величину - для закатодных лучей и получил: e / m =около 300 в абс. эл.-магн. единицах,
v - около 3 10 7 сантиметров в секунду.
Итак, скорость оказалась раз в 100 меньше скоростей, наблюдаемых для электронов в условиях аналогичных электрических полей. Так как, далее, нет сомнения в том, что заряды, несомые как положительными, так и отрицательными ионами в газах должны быть тождественными, то, очевидно, масса положительных ионов в опытах Вина оказалась приблизительно в 30000 раз больше массы электрона. Для справки можем указать, что для железа при электролизе растворов солей железа получается
e / m =около 400.
Другими словами, положительные газовые ионы обладают массами того же порядке, что и тяжелые электролитические ионы, т. е. они представляют собою те или иные, иногда очень тяжелые комбинации обычных атомов и молекул вещества.
Переходя теперь к вопросу о зарядах, несомых газовыми ионами, остановимся сначала на работах Дж. Дж. Томсона, который был первым, определившим заряд электрона. Он воспользовался свойством водяных паров сгущаться вокруг ионов и образовывать капельки тумана. Свойство это было открыто Вильсоном, показавшим, что в случае адиабатического расширения насыщенного водяного пара в присутствии газовых конов возникает туман и при меньшей степени расширения, чем это требуется, если воздух совершенно не содержит ионов. Вильсон установил, что в воздухе, очищенном от пыли и свободном от ионизации, насыщенный водяной пар дает туман только тогда, когда внезапное увеличение объема газа будет не менее, чем в 1,38 раза. При расширении в 1,25 раза образуется туман лишь при наличии отрицательных ионов, конденсирующих на себе капельки воды. Это наблюдается и при дальнейшем увеличении степени расширения вплоть до предела, равного 1,31, по достижении которого начинают конденсировать воду и положительные ионы. При степени расширения от 1,31 до 1,38 водяные пары будут сгущаться на ионах обоих знаков. Начиная с расширения в 1,38 раза, образование тумана происходит, как было выше указано, независимо от наличия ионов. Дж. Дж. Томсон ионизировал при помощи рентгеновых лучей воздух, насыщеный водяным паром, и производил затем адиабатическое (практически, очень быстрое) расширение его в 1,25 раза. Облачко тумана, образовавшееся из капелек, сконденсировавшихся вокруг отрицательных ионов, падает под действием силы тяжести, и, пользуясь соотношениями, данными Стоксом, можно было по скорости падения определить размеры и массу отдельных капелек. Полное количество сконденсированной воды Дж. Дж. Томсон вычислил, основываясь на данных термодинамики, и разделил его на массу отдельной капельки. Таким путем было определено число всех капелек, составлявших туман. Для получения величины полного заряда, несомого совокупностью отрицательных ионов, участвовавших в образовании тумана, было применено электрическое поле, под действием которого ионы одного знака оседали на электрод, соединенный со специально проградуированным электрометром. Разделяя этот полный заряд на число капелек, Дж. Дж. Томсон получил заряд каждого иона. И в данном случае большим достижением его было достаточно точное определение порядка величины заряда газового иона. Именно, он получил:
е= около 4 10 -10 абс. эл.-стат. единиц.
Дж. Дж. Томсон сопоставил это количество электричества с зарядом электролитического иона, например, водородного. Если N есть число молекул в куб. сантиметре водорода при давлении в 760мм ртутного столба и при температуре 0°С, ае есть заряд водородного иона, с которым мы имеем дело при электролизе растворов, то на основании непосредственных опытов можно положить:
Ne "= 1,22 10 10 абс. эл.-стат. единиц.
1,29 10 -10 <е"< 6,1 10 -10 ,
откуда следует, что заряд, несомый газовым ионом, равен заряду, которым обладает водородный ион при электролизе растворов. Этот результат классических опытов Дж. Дж. Томсона в полной мере оправдывается всею совокупностью современных данных, с несомненностью свидетельствующих о том, что в самых разнообразных случаях мы неизменно встречаемся с одним и тем же элементарным электрическим зарядом. Более поздние и более совершенные методы наблюдений позволили весьма точно (с точностью до четырех знаков) определить величину заряда е. В этом отношении особенное значение имеют опыты Милликена, наблюдавшего поведение в электрическом поле отдельных мельчайших капелек масла и ртути, заряженных очень небольшим числом ионов. Определяя заряды капелек, Милликен установил, что они неизменно оказываются кратными некоторого определенного количества электричества(е), и тем показал на непосредственном опыте атомность электричества. В настоящее время значениее, полученное Милликеном, считается весьма достоверным и, таким образом, на основании его исследований принимают:
е =4,774 10 -10 абс. эл.-стат. единиц =1,592 10 -20 абс. эл.-магн. единиц.
Электронная оболочка атома состоит из электронных орбиталей, на которых расположено разное количество . Электрон - отрицательно заряженная элементарная . Ее электрический заряд
равен -1.
При помощи связей атомы могут также соединяться в молекулы.
Основания. Вещества этой группы также можно определить с помощью индикатора. Характерную реакцию дает фенолфталеин, который в щелочной среде становится малиновым. Это происходит за счет присутствия гидроксид-ионов.
Металлы. Чтобы определить ионы металлов, для этого нужно воспользоваться спиртовкой или горелкой. Возьмите медную проволочку, на одном конце сделайте петельку 6-10 мм в диаметре и внесите в пламя. Практически сразу увидите, что оно приобрело окраску красивого зеленого цвета. Это происходит как раз за счет ионов меди. Тот же самый результат будет наблюдаться, если проволочку сначала обмакнуть в соли меди (хлорид меди, нитрат меди, сульфат меди), а потом внести в пламя.
Чтобы определить наличие ионов щелочных металлов (натрия и калия) и щелочно-земельных (кальция и ) нужно также внести соответствующие растворы в пламя спиртовки. Ионы натрия окрасят пламя в ярко-желтый цвет, ионы кальция – в кирпично-красный. Ионы бария, входящие в состав веществ дадут желто-зеленое окрашивание, а ионы калия – фиолетовое.
Для определения ионов кислотных существует целый ряд качественных . Сульфат-ион можно определить, выбрав в качестве реагента ион , что в результате даст белый осадок. Чтобы узнать, что в пробирке находится карбонат-ион, возьмите любую разбавленную кислоту и в итоге увидите вскипание. Дополнительно пропустите образовавшийся углекислый газ через известковую воду, наблюдая при этом помутнение.
Чтобы определить ортофосфат-ион, достаточно прилить в пробирку с ним нитрат серебра, в результате реакции будет наблюдаться выпадение желтого осадка. Для распознавания солей аммония нужно провести реакцию с растворимыми щелочами. Визуального наблюдения не будет, но зато появится неприятный запах за счет образовавшегося аммиака.
Для распознавания галоген-ионов (хлора, йода) реагентом для всех трех является нитрат серебра и во всех случаях произойдет выпадение осадка. В результате ион хлора с нитратом серебра даст белый осадок (хлорида серебра), ион брома – бело-желтый осадок (бромида серебра), а ион йода – осадок желтого цвета (образуется йодид серебра).
Видео по теме
Обратите внимание
При выполнении даже самых простых опытов обязательно соблюдайте правила техники безопасности
Полезный совет
Имеется достаточно много реакций, в которых реагентом выступает нитрат серебра. Если это вещество попадет на поверхность стола или одежду, то удалить пятна не удастся.
В обычных условиях атом электрически нейтрален. При этом ядро атома, состоящее из протонов и нейтронов, положительно, а электроны несут отрицательный заряд. При избытке или недостатке электронов атом превращается в ион.
Инструкция
Химические соединения могут иметь молекулярную или ионную природу. Молекулы также электрически нейтральны, а ионы несут в себе некоторый заряд. Так, молекула аммиака NH3 нейтральна, а вот ион аммония NH4+ заряжен положительно. Связи в молекуле аммиака , образованные по обменному типу. Четвертый атом водорода присоединяется по донорно-акцепторному механизму, это тоже ковалентная связь. Аммоний образуется при взаимодействии аммиака с растворами кислот.
Важно понимать, что заряд ядра элемента не зависит от химических превращений. Сколько электронов ни добавляй и ни отнимай, заряд ядра останется тем же. К примеру, атом O, анион O- и катион O+ характеризуются одним и тем же зарядом ядра +8. При этом атом имеет 8 электронов, анион 9, катион - 7. Само ядро можно изменить только путем ядерных превращений.
Из формулы (66.2), объединяющей оба закона Фарадея, следует, что если заряд численно равен постоянной Фарадея , то масса равна , т. е. при прохождении через электролит заряда, равного 96 484 Кл, выделяется [кг] любого вещества, т. е. моля этого вещества. Иначе говоря, для выделения одного моля вещества через электролит должен протечь заряд , численно равный [Кл]. Таким образом, при выделении моля одновалентного вещества (1,008 г водорода, 22,99 г натрия, 107,87 г серебра и т. д.) через электролит проходит заряд, численно равный Кл; при выделении моля двухвалентного вещества (16,00 г кислорода, 65,38 г цинка, 63,55 г меди и т. д.) через электролит проходит заряд, численно равный Кл, и т. д.
Но мы знаем, что в одном моле любого вещества содержится одно и то же число атомов, равное постоянной Авогадро моль-1. Таким образом, каждый, ион одновалентного вещества, выделяющийся на электроде, несет на себе заряд
Кл. (69.1)
При выделении каждого атома двухвалентного вещества через электролит проходит заряд Кл, вдвое больший, и т. д. Вообще при выделении каждого атома -валентного вещества через электролит переносится заряд [Кл].
Мы видим, что заряды, переносимые при электролизе с каждым ионом, представляют собой целые кратные некоторого минимального количества электричества, равного Кл. Любой одновалентный ион (ион калия, серебра и т. д.) переносит один такой заряд. Любой двухвалентный ион (ион цинка, ртути и т. д.) переносит два таких заряда. Никогда не встречаются при электролизе случаи, когда бы с ионом переносился заряд, содержащий дробную часть от Кл. Немецкий физик и физиолог Герман Гельмгольц (1821-1894), обративший внимание на это следствие из закона Фарадея, сделал отсюда заключение, что указанное количество электричества Кл представляет собой наименьшее количество электричества, существующее в природе; этот минимальный заряд получил название элементарного заряда. Одновалентные анионы (ионы хлора, йода и т. д.) несут на себе один отрицательный элементарный заряд, одновалентные катионы (ионы водорода, натрия, калия, серебра и т. д.) – один положительный элементарный заряд, двухвалентные анионы – два отрицательных элементарных заряда, двухвалентные катионы – два положительных элементарных заряда и т. д.
Таким образом, в явлениях электролиза исследователи впервые столкнулись с проявлениями дискретной (прерывистой) природы электричества (§ 5) и сумели определить элементарный электрический заряд. Позже были обнаружены и другие явления, в которых проявляется дискретная природа электричества, и были найдены другие способы измерения элементарного отрицательного заряда – заряда электрона. Все эти измерения дали для заряда электрона то же значение, какое мы получили только что из закона Фарадея. Это является лучшим подтверждением правильности того ионного механизма прохождения тока через электролиты, который мы обрисовали в предыдущем параграфе.
Ионы принято обозначать знаками «+» или «-» около соответствующих формул (обычно справа вверху). Число знаков «+» или «-» равно валентности иона (например, ионы меди бывают или , ионы хлора – только , и т. д.).