2. Электрическим током называется направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц.

Электрический ток в проводниках различного рода представляет собой либо направленное движение электронов в металлах (проводники первого рода), имеющих отрицательный заряд, либо направленное движение более крупных частиц вещества — ионов, имеющих как положительный, так и отрицательный заряд — в электролитах (проводники второго рода), либо направленное движение электронов и ионов обоих знаков в ионизированных газах (проводники третьего рода).

За направление электрического тока условно принято направление движения положительно заряженных частиц.

Для существования электрического тока в веществе необходимо:

1. наличие заряженных частиц, способных свободно перемещаться по проводнику под действием сил электрического поля:

2. наличие источника тока, создающего и поддерживающего в проводнике в течение длительного времени электрическое поле;

Количественными характеристиками электрического тока являются сила тока I и плотность тока j.

Сила тока — скалярная физическая величина, определяемая отношением заряда Δq, проходящего через поперечное сечение проводника за некоторый промежуток времени Δt, к этому промежутку времени.

Единицей силы тока в СИ является ампер (А).

Если сила тока и его направление со временем не изменяются, то ток называется постоянным.

Единица силы тока — основная единица в СИ 1 А — есть сила такого неизменяющегося тока, который, проходя по двум бесконечно длинным параллельным прямолинейным проводникам очень маленького сечения, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, вызывает силу взаимодействия между ними 2·10-7 Η на каждый метр длины проводников.

Рассмотрим, как зависит сила тока от скорости упорядоченного движения свободных зарядов.

Выделим участок проводника площадью сечения S и длиной Δl (рис. 1). Заряд каждой частицы q0. В объеме проводника, ограниченном сечениями 1 и 2, содержится nSΔl частиц, где n — концентрация частиц. Их общий заряд 

Рис. 1

Если средняя скорость упорядоченного движения свободных зарядов , то за промежуток времени  все частицы, заключенные в рассматриваемом объеме, пройдут через сечение 2. Поэтому сила тока: 

Таким образом, сила тока в проводнике зависит от заряда, переносимого одной частицей, их концентрации, средней скорости направленного движения частиц и площади поперечного сечения проводника.

Заметим, что в металлах модуль вектора средней скорости упорядоченного движения электронов  при максимально допустимых значениях силы тока ~ 10-4 м/с, в то время как средняя скорость их теплового движения ~ 106 м/с.

Плотность тока j — это векторная физическая величина, модуль которой определяется отношением силы тока I в проводнике к площади S поперечного сечения проводника, т.е. 

В СИ единицей плотности тока является ампер на квадратный метр (А/м2).

Как следует из формулы (1), . Направление вектора плотности тока  совпадает с направлением вектора скорости упорядоченного движения  положительно заряженных частиц. Плотность постоянного тока постоянна по всему поперечному сечению проводника.

Билет 12.

Чтобы найти момент инерции тела, надо просуммировать момент инерции всех материальных точек, составляющих данное тело

(5.4)

В общем случае, если тело сплошное, оно представляет собой совокупность множества точек с бесконечно малыми массами , и моменты инерции тела определяется интегралом

(5.5)

о где — расстояние от элемента  до оси вращения.

Распределение массы в пределах тела можно охарактеризовать с помощью плотности

(5.5)

где m — масса однородного тела, V — его объем. Для тела с неравномерно распределенной массой это выражение даетсреднюю плотность.

Плотность в данной точке в этом случае определяется следующим образом

и тогда

(5.6)

Пределы интегрирования зависят от формы и размеров тела Интегрирование уравнения (5.5) наиболее просто осуществить для тех случаев, когда ось вращения проходит через центр тяжести тела. Рассмотрим результаты интегрирования для простейших (геометрически правильных) форм твердого тела, масса которого равномерно распределена по объему.

Момент инерции полого цилиндра с тонкими стенками, радиуса R.

Для полого цилиндра с тонкими стенками

Сплошной однородный диск. Ось вращения является осью диска радиуса . и массы m с плотностью Высота диска h. Внутри диска на расстоянии вырежем пустотелый цилиндр с толщиной стенки  и массой. Для него

Весь диск можно разбить на бесконечное множество цилиндров, а затем просуммировать:

Момент инерции шара относительно оси, проходящей через центр тяжести.

Момент инерции стержня длиной L и массой m относительно оси, проходящей:

а) через центр стержня — 

б) через начало стержня — 

Теорема Штейнера.

 Имеем тело, момент инерции которого относительно оси, проходящей через его центр масс  известен. Необходимо определить момент инерции относительно произвольно оси параллельной оси . Согласно теореме Штейнера, момент инерции тела относительно произвольной оси равен сумме момента инерции тела относительно оси, проходящей через центр масс и параллельной данной оси, плюс произведение массы тела на квадрат расстояния между осями:

(5.7)

электрический ток | это… Что такое электрический ток?

электри́ческий ток

направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц: электронов, ионов и др. Условно за направление электрического тока принимают направление движения положительных зарядов.

* * *

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

ЭЛЕКТРИ́ЧЕСКИЙ ТОК, направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц: электронов (см. ЭЛЕКТРОН (частица)), ионов (см. ИОНЫ) и др. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц; если ток создается отрицательно заряженными частицами (например, электронами), то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.

Различают электрический ток проводимости, связанный с движением заряженных частиц относительно той или иной среды (т. е. внутри макроскопических тел), и конвекционный ток (см. КОНВЕКЦИОННЫЙ ТОК) — движение макроскопических заряженных тел как целого (например, заряженных капель дождя).
Если в цепи устанавливается электрический ток, то это означает, что через поперечное сечение проводника (см. ПРОВОДНИКИ) все время переносится электрический заряд. Заряд, перенесенный в единицу времени, служит основной количественной характеристикой тока, называемой силой тока (см. СИЛА ТОКА). Сила тока равна отношению величины заряда, переносимого через поперечное сечение проводника за определенный интервал времени, к продолжительности этого интервала. Если сила тока и его направление со временем не меняется, то ток называют постоянным током (

см. ПОСТОЯННЫЙ ТОК).
Для возникновения и существования электрического тока необходимо наличие свободных положительно или отрицательно заряженных частиц, не связанных в единую электрически нейтральную систему, и силы, создающей и поддерживающей их упорядоченное движение. Обычно силой, вызывающей такое движение, является сила со стороны электрического поля внутри проводника, которая определяется электрическим напряжением (см. НАПРЯЖЕНИЕ (электрическое)) на концах проводника.
Важнейшей характеристикой проводника является зависимость силы тока от напряжения — вольт-амперная характеристика (см. ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА). Она имеет простейший вид для металлических проводников и электролитов: сила тока прямо пропорциональна напряжению (Ома закон (см. ОМА ЗАКОН)).
Протекая по веществу, электрический ток может оказывать магнитное, тепловое, химическое воздействие. Магнитное действие заключается в возникновении магнитного поля, это действие является всеобщим, проявляется у всех без исключения проводников. Тепловое действие электрического тока заключается в нагреве вещества, через которое протекает ток (исключение — сверхпроводники (см. СВЕРХПРОВОДНИКИ), в которых выделения теплоты не происходит). Химическое действие наблюдается преимущественно в электролитах и заключается в протекании химических реакций под действием электрического тока (например, при электролизе (см. ЭЛЕКТРОЛИЗ)).
Максвеллом введено понятие полного тока, который, в соответствии с его теорией всегда замкнут: на концах проводника обрывается лишь ток проводимости, а в диэлектрике (см. ДИЭЛЕКТРИКИ) (вакууме) между концами проводника имеется ток смещения (см. ТОК СМЕЩЕНИЯ), который замыкает ток проводимости. Поэтому плотность полного электрического тока j_полн равна сумме плотности тока проводимости j и плотности тока смещения j_см, и определяет создаваемое им магнитное поле.
J_полн = j + ?D/?t
Способность веществ проводить электрический ток очень сильно различается для разных материалов и характеризуется электропроводностью (см. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ). Проводники (см. ПРОВОДНИКИ), благодаря наличию в них большого количества подвижных заряженных частиц — носителей заряда, хорошо проводят электрический ток. Концентрация носителей заряда в диэлектриках (см. ДИЭЛЕКТРИКИ) крайне мала, и даже при больших напряжениях они служат хорошими изоляторами. В металлах (см. МЕТАЛЛЫ) свободными заряженными частицами — носителями тока — являются электроны проводимости, концентрация которых практически не зависит от температуры и составляет 10²²-10²³ см^-3. В электролитах (см. ЭЛЕКТРОЛИТЫ) электрический ток обусловлен направленным движением положительных и отрицательных ионов, образующихся в результате электролитической диссоциации.
Газы из нейтральных молекул являются диэлектриками. Электрический ток проводят лишь ионизованные газы — плазма (см. ПЛАЗМА). Носителями тока в плазме служат положительные и отрицательные ионы (как в электролитах) и свободные электроны (как в металлах).

Словарь | Управление научной миссии

Аврора	Фотосфера
Хромосфера	Плазма
Корона	Протуберанцы
Корональный выброс массы (CME)	Радиационные пояса
Геомагнитная буря	Радиационная зона
Геомагнитно-индуцированный ток (GIC)	Солнечный цикл
Гелиосфера	Солнечные энергетические частицы (SEP)
Межпланетное магнитное поле (ММП)	Солнечные вспышки
Ионосфера	Солнечный максимум
Магнитное поле	Солнечный минимум
Линии магнитного поля	Солнечный ветер
Магнитное повторное соединение	Суббуря
Магнитосфера	Солнечные пятна
Магнитохвост

AURORA

AURORAR SICERER SICERER SICERER SICERER SICERER SICERER SICERER SICERER. Полярные сияния возникают, когда поступающие с Солнца заряженные частицы сталкиваются с кислородом и азотом на высоте от 60 до 200 миль в атмосфере Земли и испускают вспышку света и тепла. Электроны и протоны, высвобождаемые солнечными бурями, увеличивают количество солнечных частиц и могут создавать яркие полярные сияния в более низких широтах.

Хромосфера

Относительно тонкий слой солнечной атмосферы, расположенный над поверхностью Солнца. Температура в хромосфере повышается с 6000° К до примерно 20 000° К, что делает ее более горячей, чем фотосфера, но не такой горячей, как более высокие слои атмосферы, корона.

Корона

Динамическая атмосфера Солнца называется короной. Она заполнена электрически заряженными частицами, движение которых определяется клубком магнитных полей, окружающих Солнце. В то время как температура поверхности Солнца составляет 6000 К, температура короны может достигать миллионов градусов, что вызывает у исследователей вопросы о механизмах столь резкого нагрева атмосферы. Солнечные вспышки и корональные выбросы массы возникают в короне.

Корональный выброс массы (CME)

Не путать с интенсивным всплеском света, являющимся солнечной вспышкой. CME представляет собой облако намагниченного солнечного материала, которое извергается из солнечной атмосферы, короны, в межпланетное пространство. . КВМ часто происходят одновременно со вспышкой, и в настоящее время ученые изучают, как связаны эти два явления. В своем самом большом КВМ может содержать 10 миллиардов тонн вещества и может двигаться со скоростью миллион миль в час. Сразу после выброса в космос облако КВМ может вырасти до 30 миллионов миль в поперечнике, что в 35 раз больше диаметра Солнца. Когда выброс корональной массы направлен на Землю, может пройти от одного до трех дней, чтобы достичь нашей атмосферы, где он может создать тип космической погоды, известный как геомагнитная буря.

Геомагнитная буря

Геомагнитная буря, одна из наиболее распространенных форм космической погоды, возникает в любое время, когда магнитная среда Земли, магнитосфера, подвергается внезапным и повторяющимся изменениям. Геомагнитные бури могут быть вызваны высокоскоростными порывами солнечного ветра и когда КВМ соединяется с магнитосферой. Магнитные поля Солнца отталкивают самые внешние слои полей Земли, изменяя саму форму магнитосферы. Магнитные бури имеют поддающиеся измерению последствия во всем мире, такие как отключение радиосвязи и сбои в электросетях.

Геомагнитно-индуцированный ток (GIC)

Магнитные флуктуации, вызванные геомагнитной бурей в магнитосфере Земли, могут вызывать формирование электрических токов на Земле. Эти токи, индуцированные геомагнитным полем, или GIC, могут вызвать перегрузку цепей, прерывателей наконечников и, в крайних случаях, вывести из строя трансформаторы.

Гелиосфера

Гелиосфера — это вся наша солнечная система, как определено пузырем, созданным оттоком частиц от Солнца, называемым солнечным ветром, который течет далеко мимо самых отдаленных планет, на расстоянии от шести до девяти миллиардов миль от солнце. Солнечные частицы разлетаются от Солнца, отталкивая материал в остальную часть пространства, известную как межзвездная среда. Граница между ними определяет края гелиосферы.

Межпланетное магнитное поле (IMF)

Поскольку солнечный ветер движется от Солнца со скоростью несколько миллионов миль в час, он увлекает за собой солнечное магнитное поле. Это магнитное поле пронизывает Солнечную систему и известно как межпланетное магнитное поле. В то время как ММП обычно отклоняется вокруг магнитного поля Земли, ММП иногда может «повторно соединиться» с полем Земли, позволяя энергии солнечного ветра направляться прямо в наш защитный магнитосферный пузырь.

Ионосфера

Ионосфера представляет собой слой атмосферы Земли, который простирается на высоте от 50 до 300 миль над поверхностью планеты. Слой заполнен электрически заряженными частицами (а также нейтральными) и чувствителен к поступающему от Солнца веществу, поэтому ионосфера может резко реагировать на космическую погоду. Поскольку ионосфера является домом для низкоорбитальных космических аппаратов, а также областью космоса, через которую проходит радиосвязь, неожиданные изменения в этом регионе могут оказать драматическое влияние на человеческие технологии.

Магнитное поле

Силовое поле, создаваемое электрическими токами, которое направляет движение всего, что имеет электрический заряд. Земля, Солнце и несколько планет окружены гигантскими магнитными полями, которые примерно связывают северный и южный полюса вдоль магнитных силовых линий, известных как силовые линии магнитного поля.

Линии магнитного поля

Магнитное поле имеет как силу, так и направление в каждой точке пространства. Например, в каждой точке Земли магнитное поле — и, следовательно, компас — указывает в определенном направлении, примерно на север. Поэтому магнитные поля обычно изображают в виде линий: направление линии указывает направление поля, а близость линий указывает на напряженность.

Магнитное воссоединение

Источник многих энергетических явлений на Солнце и в магнитосфере, от солнечных вспышек и выбросов корональной массы до полярного сияния. Магнитное повторное соединение происходит, когда силовые линии магнитного поля пересекаются, разрываются, а затем снова соединяются в новом направлении, резко возвращаясь в новые положения, обеспечивая огромное количество энергии.

Магнитосфера

Магнитосфера представляет собой пузырь магнитных полей, окружающих Землю, созданный естественным магнетизмом планеты. Магнитосфера защищает людей на Земле от поступающей солнечной энергии, однако она меняет форму и размер в зависимости от такой космической погоды, и эти колебания могут ухудшать сигналы связи и вызывать неожиданные скачки напряжения в электросетях.

Хвост магнитосферы

Хвост магнитосферы Земли тянется за ней, сформированный потоком солнечного ветра на ночной стороне Земли. Он простирается более чем на сто тысяч миль и может собирать большое количество поступающей от Солнца энергии, прежде чем выпустить ее на Землю или дальше по хвосту.

Фотосфера

Поверхностный слой Солнца, который мы можем видеть в видимом диапазоне света.

Плазма

Материал Солнца и его атмосферы, а также материал ионосферы Земли, полярного сияния и флуоресцентного света — все это плазма. Плазма — это состояние вещества, похожее на твердое, жидкое и газообразное. Плазма настолько невероятно горячая, что электроны покидают свои атомы, превращая ее в газ из заряженных частиц. Хотя это редкость на Земле, 99% материи, которую мы видим во Вселенной, состоит из плазмы. Электрический заряд сильно влияет на то, как движутся частицы, поскольку частицы одновременно управляются и постоянно создают магнитные поля. Например, на изображениях солнечной активности крупным планом можно очень четко увидеть плазму, следующую за силовыми линиями магнитного поля. И наоборот, когда плазма движется, она тащит за собой собственные магнитные поля. Этот постоянный обмен является одной из причин, почему изучение динамики плазмы на Солнце или в магнитосфере является столь сложной задачей.

Протуберанцы

Огромные столбы газа, образующие дугу над краем солнца или горизонтом. Когда те же самые структуры видны на фоне солнца, они называются филаментами. Они сделаны из более холодного солнечного материала или плазмы, поддерживаемой в солнечной атмосфере магнитными полями. Протуберанцы и нити могут извергаться из Солнца с огромной энергией и иногда являются источником выбросов корональной массы.

Радиационные пояса

Два радиационных пояса, окружающих Землю, также известные как пояса Ван Аллена. Эти две концентрические области в форме пончика заполнены высокоэнергетическими частицами от Солнца и земной ионосферы, которые вращаются, отскакивают и дрейфуют, иногда попадая в атмосферу Земли, иногда улетая в космос. Внутренний ремень довольно стабилен; однако внешний пояс может со временем набухать и сжиматься, иногда раздуваясь настолько, что ремни выглядят как одно целое.

Зона излучения

В зоне излучения энергия ядра медленно распространяется наружу. Этот регион настолько плотный, что солнечной энергии требуется около 150 000 лет, чтобы пройти сквозь него.

Солнечный цикл

Солнце проходит через 11-летние колебания или циклы высокой и низкой активности – солнечные вспышки и выбросы корональной массы, например, основанные на регулярном увеличении и уменьшении количества солнечных пятен. Также наблюдались циклы продолжительностью от 9 до 14 лет. Цикл вызван тем, что северный и южный магнитные полюса Солнца переворачиваются каждые 11 лет.

Солнечные энергетические частицы (SEP)

Во время извержения на Солнце Солнце может испускать очень быстрые, очень энергичные частицы, которые движутся со скоростью около 80% скорости света. Такие заряженные частицы могут достичь магнитосферы Земли либо в результате вспышки, либо в результате выброса корональной массы. В любом случае энергия, которую они сбрасывают в атмосферу, может создать так называемый шторм солнечной радиации, который может вызвать отключение низкочастотного радио на Земле.

Солнечные вспышки

Мощный всплеск света и радиации из-за высвобождения магнитной энергии на солнце. Вспышки на сегодняшний день являются крупнейшими взрывами в Солнечной системе, с выбросом энергии, сравнимым с миллиардами водородных бомб. Излучение от вспышки распространяется со скоростью света и достигает Земли за восемь минут. Энергия обычно поглощается земной атмосферой, которая защищает людей на Земле, однако энергия может вызвать отключение радиосвязи на Земле на минуты или, в худшем случае, на часы. Излучение от вспышки также было бы вредным для астронавтов за пределами атмосферы Земли. Некоторые, но далеко не все вспышки сопровождаются корональным выбросом массы (КВМ).

Максимум солнечной активности

Время в течение 11-летнего солнечного цикла, когда количество солнечных пятен и солнечная активность достигают максимума. Следующий солнечный максимум прогнозируется на конец 2013 года.

Солнечный минимум

Время в течение 11-летнего солнечного цикла, когда количество солнечных пятен наименьшее. Это также время, когда магнитные поля Солнца наиболее просты, с относительно упорядоченными линиями магнитного поля, соединяющими магнитный север и юг, как на простом стержневом магните.

Солнечный ветер

Постоянный поток вещества солнечной короны, стекающего с Солнца. Солнечный ветер намного менее плотный, чем ветер на Земле — на самом деле он может быть в 1000 раз менее плотным, чем искусственный вакуум на Земле, — но он намного быстрее, обычно двигаясь со скоростью от одного до двух миллионов миль в час. . Действительно, он постоянно находится в движении: в Солнечной системе нет места, где скорость солнечного ветра равна нулю.

Суббуря

Высвобождение магнитной энергии, возникающей в хвосте магнитосферы Земли, за счет энергии, направляемой туда солнечным ветром и другими солнечными явлениями. Суббури довольно распространены, и когда они высвобождают энергию к Земле, энергия течет по линиям магнитного поля к северному и южному полюсам Земли, вызывая полярные сияния.

Солнечные пятна

Темные области на поверхности Солнца, содержащие постоянно меняющиеся сильные магнитные поля. Среднее солнечное пятно размером примерно с Землю и движется вместе с вращением Солнца в течение нескольких дней или даже недель. Магнитная активность солнечных пятен может вызывать различные солнечные извержения, такие как вспышки и корональные выбросы массы (КВМ). Количество солнечных пятен на солнце увеличивается и уменьшается примерно в течение 11-летнего цикла, что определяет то, что называется солнечным циклом. Они кажутся темными, поскольку они холоднее окружающего солнечного материала.

9.2: Ионная связь и энергия решетки

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

98641

Развитие навыков

• Описание характеристик ионной связи.
• Количественно описать энергетические факторы, участвующие в образовании ионной связи.

Ионы – это атомы или молекулы, обладающие электрическим зарядом. Катионы заряжены положительно, анионы заряжены отрицательно. Ионы образуются, когда атомы приобретают или теряют валентные электроны. Поскольку электроны заряжены отрицательно, атом, потерявший один или несколько электронов, станет положительно заряженным; атом, который получает один или несколько электронов, становится отрицательно заряженным. Ионная связь — это притяжение между положительно и отрицательно заряженными ионами. Эти противоположно заряженные ионы притягиваются друг к другу, образуя ионные сети или решеток . Электростатика объясняет, почему это происходит: противоположные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются. Когда многие ионы притягиваются друг к другу, они образуют большие упорядоченные кристаллические решетки, в которых каждый ион окружен ионами противоположного заряда. Как правило, когда металлы реагируют с неметаллами, электроны передаются от металлов к неметаллам. Металлы образуют положительно заряженные ионы, а неметаллы — отрицательно заряженные ионы.

Свойства ионных соединений вытекают из упорядоченного расположения в кристаллической решетке прочно связанных заряженных частиц, из которых они состоят. Ионные соединения, как правило, имеют высокие температуры плавления и кипения, потому что притяжение между ионами в решетке очень сильное. Удаление ионов из решетки разрушает структуру, поэтому ионные соединения имеют тенденцию быть скорее хрупкими, чем пластичными. Ионные соединения не проводят электричество в твердом состоянии, потому что ионы не могут свободно перемещаться по решетке; однако, когда ионные соединения растворяются, они могут диссоциирует на отдельные ионы, которые свободно перемещаются в растворе и поэтому хорошо проводят электричество.

Создание ионных связей

Ионные связи образуются при химической реакции металлов и неметаллов. По определению металл относительно стабилен, если он теряет электроны, образуя полную валентную оболочку, и становится положительно заряженным. Точно так же неметалл становится стабильным, приобретая электроны, чтобы завершить свою валентную оболочку и стать отрицательно заряженным. Когда металлы и неметаллы реагируют, металлы теряют электроны, передавая их неметаллам, которые их приобретают. Следовательно, образуются ионы, которые мгновенно притягиваются друг к другу — ионная связь. В общем ионном соединении должны быть уравновешены положительные и отрицательные заряды, потому что электроны не могут создаваться или разрушаться, а только переносятся. Таким образом, общее количество электронов, потерянных катионными частицами, должно равняться общему количеству электронов, полученных анионными частицами.

Ионные соединения удерживаются вместе электростатическими силами, которые описываются в классической физике законом Кулона . Согласно этому закону, энергия электростатического притяжения (\(Е\)) между двумя заряженными частицами пропорциональна величине зарядов (\(Q)1\) и \(Q_2\)) и обратно пропорциональна межъядерное расстояние между частицами (\(r\)):

\[E \propto \dfrac{Q_{1}Q_{2}}{r} \label{Eq1a} \]

Энергия притяжения (\ (E\)) является типом потенциальной энергии , так как она основана на положении заряженных частиц относительно друг друга. Если две частицы имеют противоположные заряды (как в ионных соединениях), значение (\(E\)) будет отрицательным, что означает, что энергия высвобождается при сближении частиц, то есть частицы естественным образом притягиваются друг друга. Согласно закону Кулона, чем больше величина заряда каждой частицы, тем сильнее будет притяжение. Так, например, Mg ^{2 +} и O ^2- будут иметь более сильное притяжение, чем Na ⁺ и Cl ^— , из-за больших зарядов. Кроме того, чем ближе заряды друг к другу, тем сильнее притяжение. Следовательно, ионы меньшего размера также образуют более прочные ионные связи.

В ионной решетке одновременно взаимодействуют более двух заряженных частиц, высвобождая количество энергии, известное как энергия решетки . Энергия решетки не совсем такая, как предсказывает закон Кулона, но применяются те же общие принципы электростатического притяжения. В ионном соединении значение энергии решетки соответствует прочности ионной связи.

Пример \(\PageIndex{1}\): Хлорид натрия

Например, в реакции Na (натрий) и Cl (хлор) каждый атом Cl отбирает один электрон у атома Na. Поэтому каждый Na становится катионом Na ⁺ , а каждый атом Cl становится анионом Cl ^— . Из-за их противоположных зарядов они притягиваются друг к другу, образуя ионную решетку. Формула (отношение положительных ионов к отрицательным) в решетке \(\ce{NaCl}\).

\[\ce{2Na (т) + Cl2(г) \rightarrow 2NaCl (т)} \номер\]

Эти ионы расположены в твердом \(\ce{NaCl}\) в правильном трехмерном расположение (или решетка):

решетка NaCl. (слева) трехмерная структура и (справа) простой двухмерный срез решетки. Изображения использованы с разрешения Википедии и Майка Блабера.

Хлор имеет высокое сродство к электронам, а натрий имеет низкую энергию ионизации. Таким образом, хлор получает электрон от атома натрия. Это можно представить с помощью точечных символов Льюиса, показывающих валентные электроны в каждом атоме (здесь мы будем рассматривать один атом хлора, а не Cl ₂ ):

Изогнутая стрелка указывает на перенос электрона от натрия к хлору с образованием иона металла Na ⁺ и иона хлорида Cl ^— . Каждый ион теперь имеет полную валентную оболочку из восьми электронов:

• Na ^+: 2s ² 2p ⁶
• Класс ^— : 3s ² 3p ⁶

Электронная конфигурация ионов

Если ионная связь становится сильнее для соединений с более высоко заряженными ионами, то почему натрий теряет только один электрон с образованием Na ⁺ вместо, скажем, Na ²⁺ ? Количество электронов, переносимых между ионами, зависит не только от энергии, выделяемой при образовании решетки, но также и от энергии, необходимой для отрыва электронов от одного атома и добавления их к другому. Другими словами, энергия решетки, высвобождаемая при образовании ионного соединения, должна быть уравновешена требуемой энергией ионизации и сродством к электрону образующихся ионов. Поскольку ион Na ⁺ имеет электронную конфигурацию благородного газа, удаление следующего электрона из этой стабильной конфигурации потребует больше энергии, чем выделяется при формировании решетки (натрий I ₂ = 4560 кДж/моль). Таким образом, натрий присутствует в ионных соединениях в виде Na ⁺ , а не Na ²⁺ . Точно так же добавление электрона для заполнения валентной оболочки (и достижения электронной конфигурации благородного газа) является экзотермическим или лишь слегка эндотермическим. Чтобы добавить дополнительный электрон в новую подоболочку , требуется огромная энергия — больше, чем энергия решетки. Так, в ионных соединениях мы находим Cl ^— , но не Cl ^2-. Как правило, элементы главной группы образуют ионы только с ближайшей электронной конфигурацией благородного газа — в противном случае энергии решетки не хватило бы для компенсации энергии ионизации / сродства к электрону

Типичные значения энергии решетки могут компенсировать такие большие значения, как I ₃ для валентных электронов (т.е. могут лишить катионы до 3 валентных электронов). Поскольку большинству переходных металлов потребуется удалить более 3 электронов, чтобы получить ядро ​​из благородного газа, они не встречаются в ионных соединениях с ядром из благородного газа. Переходный металл всегда сначала теряет электроны с более высокой подоболочки «s», а затем теряет электроны с нижележащей подоболочки «d». (Остальные электроны в незаполненной подоболочке d являются причиной ярких цветов, наблюдаемых во многих соединениях переходных металлов!) Например, ионы железа будут , а не образуют ядро ​​благородного газа:

• Fe: [Ar]4s ² 3d ⁶
• Fe ²⁺ : [Ar] 3d ⁶
• Fe ³⁺ : [Ar] 3d ⁵

Некоторые ионы металлов могут образовывать ядро ​​псевдоблагородного газа (и быть бесцветными), например:

• Ag: [Kr]5s ¹ 4d ¹⁰ Ag ⁺ [Kr]4d ^{10 :} Соединение AgCl
• Cd: [Kr]5s ² 4d ¹⁰ Cd ²⁺ [Kr]4d ¹⁰ Соединение: CdS

Примечание: Атомы серебра и кадмия потеряли 5s-электроны при переходе в ионное состояние. Помните, что атомы всегда первыми теряли электроны из подоболочки с наибольшим квантовым числом n (то есть за 5s до 4d).

Когда положительный ион образуется из атома, электроны всегда теряются первыми из подоболочки с наибольшим главным квантовым числом.

Многоатомные ионы

Не все ионные соединения образуются только из двух элементов. Существует множество многоатомных ионов , в которых два или более атома связаны друг с другом ковалентными связями. Они образуют стабильную группу, которая несет заряд (положительный или отрицательный). Группа атомов в целом действует как заряженная частица при образовании ионного соединения с противоположно заряженным ионом. Многоатомные ионы могут быть как положительными, так и отрицательными, например:

• NH ₄ ⁺ (аммоний) = катион
• SO ₄ ^2- (сульфат) = анион

Принципы ионной связи с многоатомными ионами такие же, как и с одноатомными ионами. Противоположные ионы объединяются, образуя кристаллическую решетку, высвобождая энергию решетки. Основываясь на форме и зарядах многоатомных ионов, эти соединения могут образовывать кристаллические решетки с интересной и сложной структурой.

Энергетика образования ионных связей

Ионные связи образуются, когда положительно и отрицательно заряженные ионы притягиваются электростатическими силами. Рассмотрим одну пару ионов, один катион и один анион. Насколько велика будет сила их притяжения? Мы можем переписать Закон Кулона (уравнение \ref{Eq1a}) количественно для любых двух заряженных частиц:

\[ E = k\dfrac{Q_{1}Q_{2}}{r} \label{Eq1b} \]

где заряд каждого иона представлен символом \( Q\) , а межъядерное расстояние между частицами представлено символом (\(r\)). Константа пропорциональности k равна 2,31 × 10 ⁻²⁸ Дж·м. Это значение \( к\) включает заряд одного электрона (1,6022 × 10 ^-19 С) для каждого иона. Уравнение также можно записать, используя заряд каждого иона, выраженный в кулонах (Кл), включенный в константу. В этом случае константа пропорциональности k равна 8,999 × 109 Дж·м/Кл ² . В приведенном примере Q ₁ = +1 (1,6022 × 10 ⁻¹⁹ C) и Q ₂ = −1 (1,6022 × 10 ⁻¹⁹ C). Если \(Q_1\) и \(Q_2\) имеют противоположные знаки (как в \(\ce{NaCl}\), например, где Q ₁ равно +1 для Na ⁺ и Q ₂ равно -1 для Cl ⁻ ), тогда E отрицательно, что означает, что энергия высвобождается при переносе противоположно заряженных ионов вместе с бесконечного расстояния, чтобы сформировать изолированную ионную пару.

Энергия всегда высвобождается при образовании связи и, соответственно, всегда требуется энергия для разрыва связи.

Как показано зеленой кривой в нижней половине рисунка \(\PageIndex{1}\), максимальная энергия будет выделяться, когда ионы находятся бесконечно близко друг к другу, при r = 0. Однако, поскольку ионы занимают пространство и имеют структуру с положительным ядром, окруженным электронами, они не могут находиться бесконечно близко друг к другу. На очень коротких расстояниях отталкивающие электрон-электронные взаимодействия между электронами на соседних ионах становятся сильнее, чем притягивающие взаимодействия между ионами с противоположными зарядами, как показано красной кривой в верхней половине рисунка \(\PageIndex{1}\). Полная энергия системы представляет собой баланс между притягивающими и отталкивающими взаимодействиями. Фиолетовая кривая на рисунке \(\PageIndex{1}\) показывает, что полная энергия системы достигает минимума при r ₀ , точка, в которой электростатическое отталкивание и притяжение точно сбалансированы. Это расстояние совпадает с экспериментально измеренным расстоянием связи .

Рисунок \(\PageIndex{1}\): График зависимости потенциальной энергии от межъядерного расстояния для взаимодействия между газообразным ионом Na ⁺ и газообразным ионом Cl ⁻ . Энергия системы достигает минимума на определенном расстоянии ( r 9{ 23}\; \отменить{ион\; пар}/моль\право )=-589\; кДж/моль \label{Eq3} \]

Это энергия, выделяемая при образовании 1 моль газообразных ионных пар, , а не , когда 1 моль положительных и отрицательных ионов конденсируется с образованием кристаллической решетки. Из-за дальнодействующих взаимодействий в структуре решетки эта энергия не соответствует прямо энергии решетки кристаллического твердого тела. Однако большое отрицательное значение указывает на то, что объединение положительных и отрицательных ионов энергетически очень выгодно, независимо от того, образуется ли ионная пара или кристаллическая решетка.

Таблица \(\PageIndex{1}\): Диапазон энергий решетки от 700 кДж/моль до 4000 кДж/моль:

Соединение	Энергия решетки (кДж/моль)
LiF	1024
ЛиИ	744
НаФ	911
NaCl	788
НаИ	693
КФ	815
КБр	682
КИ	641
мгф 2	2910
SrCl 2	2130
MgO	3938

Подытожим важные моменты об ионной связи:

• При r ₀ ионы более стабильны (имеют меньшую потенциальную энергию), чем на бесконечном межъядерном расстоянии. При сближении противоположно заряженных ионов от r = ∞ до r = r ₀ энергия системы понижается (выделяется энергия).
• Из-за низкой потенциальной энергии на r ₀ , для разделения ионов в систему необходимо добавить энергию. Необходимое количество энергии – это энергия связи.
• Энергия системы достигает минимума на определенном межъядерном расстоянии (расстоянии связи).

Пример \(\PageIndex{2}\): LiF

Рассчитайте количество энергии, выделяющейся при образовании 1 моль газообразной пары ионов Li ⁺ F ⁻ из разделенных ионов. Наблюдаемое межъядерное расстояние в газовой фазе равно 156 пм.

Дано: катион и анион, количество и межъядерное расстояние

Запрошено: энергия, высвобождаемая при образовании пар газообразных ионов

Стратегия:

Подставьте соответствующие значения в уравнение }\), чтобы получить энергию, выделяемую при образовании одной пары ионов, а затем умножить это значение на число Авогадро, чтобы получить энергию, выделяемую на моль.

Решение:

Вставка значений для Li 9{23} \cancel{\text{ионная пара}}/моль\справа)\\[5pt] &−891 \;кДж/моль \end{align*}\]

Потому что Li ⁺ и F ^— меньше, чем Na ⁺ и Cl ⁻ (см. раздел 7.3), межъядерное расстояние в LiF короче, чем в NaCl. Следовательно, в соответствии с уравнением \(\ref{Eq1b}\), при образовании 1 моль газообразных пар ионов Li ⁺ F ^— выделяется гораздо больше энергии (-891 кДж/моль), чем при образовании 1 моль газообразный Na ⁺ Cl 9Образуется 0331– ионных пар (–589 кДж/моль).

Упражнение \(\PageIndex{2}\): Оксид магния

Рассчитайте количество энергии, выделяющееся при образовании 1 моль газообразных пар ионов \(\ce{MgO}\) из разделенных ионов. Межъядерное расстояние в газовой фазе равно 175 пм.

Ответить

-3180 кДж/моль = -3,18 × 10 ³ кДж/моль

Резюме

Ионные соединения образуются, когда электроны переносятся между атомами или группами атомов с образованием заряженных ионов, которые затем образуют структуру кристаллической решетки благодаря электростатическому притяжению.