Joni un elektroni. Kas ir joni - liela medicīnas enciklopēdija. Ķīmiskās un fizikālās īpašības

JONI (no grieķu. jonu iet, klīst), atomi vai ķīm. radikāļi, kas nes elektriskos lādiņus.-Istoria. Kā Faradejs pirmo reizi konstatēja, elektriskās strāvas vadīšana šķīdumos ir saistīta ar materiāla daļiņu kustību, kas nes elektriskos lādiņus. Viela, kas vada elektrisko strāvu - elektrolīts - sadalās pozitīvi un negatīvi lādētos radikāļos, kurus pievelk elektrostatisko spēku darbība - pirmais pie katoda, otrs uz anodu. Faradejs šādus atomus jeb atomu grupas (radikālus), kas pārvietojas šķīdumā un nes elektriskos lādiņus, sauca par joniem: pozitīvi lādētie joni (virzās uz katodu) ir katjoni, negatīvie – par anjoniem. Atšķirībā no metāla vadītājiem, kuros elektroenerģijas sadale nav saistīta ar vielas pārnešanu un sadalīšanos, elektrolītu šķīdumus sauc par "otrā veida vadītājiem". Faradejs uzskatīja, ka tikai tad, kad galvaniskā strāva tiek izlaista caur šķīdumu, iedarbojoties ārējiem elektriskiem spēkiem, dažas elektrolītu molekulas tiek sadalītas jonos. Elektrolītiskās disociācijas teorijas pamatlicējs Arrēnijs (Sv. Arrhenius), pamatojoties uz milzīgu eksperimentālo materiālu, parādīja, ka noteikta elektrolīta molekulu daļa pastāvīgi tiek disocīta jonos neatkarīgi no tā, vai šķīdums šobrīd vada elektrību. strāva. Tas lika pamatu priekšstatam par brīvo jonu pastāvēšanu šķīdumā kā stabilu vielas stāvokli. Elektrolīta disociācijas pakāpe, kas norāda, kura tā molekulu daļa sadalās I., ir galvenā Arrēnija mācības vērtība, kas raksturo elektrolīta līdzdalību vairākos procesos, kas notiek šķīdumos. Mūsdienu teorija par elektrolītisko disociāciju un elektrolītu aktivitāti tika tālāk attīstīta pētījumos par Bjerrum, Debye un Gyukel (Bjerrum, Debye, Htickel) uc elektrostatisko mijiedarbību. Šo elektrostatisko starpjonu spēku ietekme ļāva izskaidrot daudzas elektrolītu šķīdumu iezīmes, kas neiekļāvās klasiskās Arrēnija teorijas ietvaros. Jonu teorijas radītājiem nebija konkrēta priekšstata par starojuma struktūru un metodi, kā tajā apvienot vielu un lādiņu. Tādā pašā veidā I. galvenais īpašums, viņa apbrīnojamā ķīmija. inerce salīdzinājumā ar atbilstošo neitrālo atomu. Tātad nātrija atomi spēcīgi reaģē ar ūdeni, sadalot to, izdalot ūdeņradi; jods dod specifisku reakciju ar cieti utt. e. Bet NaJ šķīdums, kas sastāv no brīva I. nātrija un joda, neatklāj nevienu no šīm reakcijām, kamēr nav iznīcināts tā jonu lādiņš (kā tas notiek elektrolīzes gadījumā). Šīs vissvarīgākās jonu īpašības varēja saprast tikai mūsdienu strukturālās teorijas gaismā. atoms(cm.). Jonu struktūra. Saskaņā ar Rutherforda un Bora (Rutherford, Bohr) teoriju matērija tiek veidota no pozitīviem un negatīviem elektriskiem lādiņiem. Elementāri pozitīvais lādiņš ir protons, kuram ir ūdeņraža atoma masa, savukārt brīvajam negatīvajam lādiņam elektronam ir 1800 reižu mazāka masa. Atoms ir uzbūvēts no ārkārtīgi maza centrālā pozitīvā kodola, ap kuru, tāpat kā planētas, kas pārvietojas ap sauli, elektroni griežas sarežģītā orbītu sistēmā. Atomu kodols sastāv no protoniem vai protonu kombinācijas ar mazāku elektronu skaitu. Pozitīvo lādiņu skaits kodolā (vai pozitīvo lādiņu pārsniegums pār intranukleāro elektronu skaitu) ir vienāds ar elektronu skaitu apvalkā, kas ieskauj kodolu. I Šis skaitlis vienmērīgi palielinās par vienu, pārejot no H (atoma kodola lādiņa 1) uz katru nākamo elementu atbilstoši secībai, kādā tie aizņem periodiska sistēma (cm.). Elektronu apvalks, kas ieskauj atoma kodolu, sastāv no vairākiem secīgiem slāņiem, no kuriem katrs satur noteiktu skaitu elektronu. Ārējais slānis var saturēt līdz 8 elektroniem (izņēmums ir pirmais elektronu slānis, kas atrodas tieši blakus kodolam; lielākais elektronu skaits tajā ir divi). Ja ārējā slānī ir kopējais "elektronu skaits, atoms iegūst pilnīgu struktūru un neparasti stabilu elektronisko konfigurāciju, un attiecīgi pilnīgu ķīmisko inerci. Tie ir cēlgāzu atomi, kuru ķīmiskā valence ir nulle. Pāreja uz nākamo periodiskās sistēmas elementu (sārmu metālu) nozīmē jauna elektrona pievienošanu, kas atrodas uz jauna ārējā elektronu slāņa. Turpināta atoma uzbūve nākamajos elementos beidzas tikai ar jaunu stabilu nākamā elektronu kombināciju. cēlgāze. Pēc Kosela (Kossel) domām, cēlgāzes elektroniskā konfigurācija (ar astoņu elektronu ārējo slāni) attēlo stabilu stāvokli, katra elementa atoms tiecas pēc pārejas spietā. Šī pāreja tiek veikta pazaudējot vai satverot trūkstošos elektronus.Visvieglāk tas rodas sārmu metālos un halogenīdos, no kuriem pietiek pirmajam zaudēt, bet otrajam iegūt vienu elektronu, lai kļūtu līdzīgs tuvākajam dižciltīgajam. pie gāzes Tāpat citos elementos elektronu skaits, kas tiem jāzaudē vai jāiegūst, lai atklātu vai pabeigtu ārējo astoņu elektronu slāni, ir vienāds ar maksimālo pozitīvo vai negatīvo valenču skaitu, ko tie atklāj. Tomēr šajā gadījumā tiek pārkāpta atoma elektriskā neitralitāte, tā pozitīvo un negatīvo lādiņu sākotnējā vienādība. Atoms tiek pārveidots par pozitīvu vai negatīvu I., un pēdējā lādiņš pēc zīmes un lieluma atbilst atbilstošā atoma vai radikāļa valencei. Pretēji lādētu I. elektrostatiskā pievilcība savieno tos heteropolārā molekulā. Vidēs, kurām, piemēram, ūdenim, ir augsta dielektriskā konstante, elektrostatisko spēku ietekme tiek vājināta, un heteropolārā molekula atkal sadalās savos jonos. Tādējādi katram I. ir nevis atoma, no kura tas radies, bet gan tuvākās cēlgāzes elektroniskā struktūra. No pēdējās tas atšķiras tikai ar savu lādiņu (un vieglumu, ar kādu, to pazaudējot, tas atkal pārvēršas par sākotnējo elementu). Šī jona struktūra pilnībā izskaidro tā vissvarīgāko īpašību, ko atzīmēja Arrhenius: pārsteidzošu ķīmisko inerci, kas ir brīvā I iezīme. atšķirībā no I no atoma, par kuru tas pārvēršas, zaudējot lādiņu. Tuvojoties stabilas, ķīmiski inertas cēlgāzes struktūrai, joni atšķiras viens no otra tikai ar sava elektriskā lādiņa lielumu un sadalījumu, t.i., tīri fizikālajām īpašībām. Tāpēc tie galvenokārt ir fizikālo pētījumu metožu objekts, fizikālās ķīmijas objekts. Hidratācija un izmēri I. Svarīgākās fiziskās. I. īpašības ir tā izmēri un elektriskās strāvas lielums. maksas. Lādiņa blīvums ir atkarīgs arī no šo lielumu attiecības, jo lielāks, jo mazāks ir daļiņas izmērs, kas nes noteiktu lādiņu. Tomēr, ja mēs vēlētos izveidot priekšstatu par to relatīvo lielumu no I struktūras, no viņu elektroniskā modeļa, mēs pieļautu nopietnu kļūdu. Ūdenī esošie joni Li -, Na", K" uc sastāv ne tikai no norādītajām vielām, bet arī no ievērojama daudzuma ar tām cieši saistītu un kopā kustīgu ūdens molekulu. Ūdens molekula, tāpat kā daudzu citu vielu molekula, ir dipols, kura pretējos galos koncentrējas pretēji lādiņi (uz viena pola ir negatīvs skābekļa lādiņš, uz otra pozitīvs ūdeņraža lādiņš). Šādi dipoli ir orientēti ap lādētu daļiņu, pievelkot to pretējo polu. Rezultātā katrs jons ūdens šķīdumā tiek hidratēts, to ieskauj apvalks, kas veidots no ūdens molekulām. Jo tālāk no centra, jo neprecīzāka šī orientācija kļūst, pakāpeniski pārvēršoties haotiskā brīvo ūdens molekulu sadalījumā. Tas. I. hidratāciju izraisa to elektriskais lādiņš (Born). Hidratācijas rezultātā I. kā patstāvīgi kustīgas daļiņas izmēri var ievērojami palielināties, un bieži vien joni, kuriem ir mazāki atomu izmēri, piemēram, piemēram. Li, sasniedz vēl lielāku vērtību nekā I., kas veidojas no lielākiem atomiem, piemēram, K. Tas nozīmē vēl vienu, ne mazāk paradoksālu secinājumu, kam ir liela nozīme noteiktu šūnu caurlaidības problēmu izpratnē: molekulai sadaloties jonos, pēdējai (kopā ar apkārtējo ūdens oderi!) var būt lielāki izmēri nekā pašai molekulai, kas tos atdala. Mobilitāte I. Noteiktas darbības ir raksturīgas I. kopā ar neitrālām molekulām. Tas ir osmotiskais spiediens, kas ir atkarīgs tikai no izšķīdušo daļiņu kinētiskās enerģijas. Citi ir saistīti ar elektrisko lādiņu, kas atšķir I. no neitrālas molekulas. Šīs īpašības ietver elektrovadītspēju. To nosaka jonu lādiņu skaita un I mobilitātes reizinājums. Katrs I. pārvietojas elektriskajā laukā ar ātrumu, kas ir proporcionāls spēkam, kas uz to iedarbojas, un apgriezti proporcionāls pretestībai, ar kuru tā saskaras. Ja potenciālu starpība ir viens volts uz 1 tad ēd kustības ātrums (in cm/sek. pie 18°) vairākiem joniem tiks izteikti ar šādiem skaitļiem: Katjons U (cm/s) Anjons V (cm/sek.) Na* K" Ag\ NH, 33,0. 10" 3,5,10" 4,6,10" 6,75. 10-* 5.7 .10- "6.7 .10" "OH" SG Br "G no; Mpo; 18.2 .yu-" 6.85.10-" 7.0 .1Q-" 6.95. )