Твердые ионные вещества

Хлористый натрий и медь имеют очень высокие температуры плавления и температуры кипения. У этих твердых веществ мало других общих свойств. Хлористый натрий не обладает свойствами, характерными для металла. Он не имеет блеска, образует прозрачные кристаллы. Хлористый натрий не проводит электрический ток и плохо проводит тепло. Силы, удерживающие ионы в кристалле, отличаются от сил, действующих в металле.

Кристалл хлористого натрия состоит из равного числа атомов натрия и хлора, но они не объединены в молекулы. На основании многочисленных экспериментальных данных химики пришли к выводу, что кристаллы хлористого натрия построены из ионов натрия Na+ и ионов хлора Сl, а не из нейтральных атомов или молекул. Числа ионов Na+ и Сl должны быть равны, так как кристалл в целом электрически нейтрален. Между противоположно заряженными частицами существует электростатическое притяжение. Это притяжение между положительными и отрицательными ионами обусловливает образование ионного твердого вещества.

Чтобы представить состав такого вещества, рассмотрим формулу NaCl. Разумеется, эта формула не указывает на присутствие в кристалле молекул NaCl, это не молекулярная формула. Поскольку формула NaCl показывает только состав, она называется эмпирической формулой.

Подробнее...

Электропроводность твердых веществ

Температуры плавления и теплоты плавления различных твердых веществ изменяются в очень широких пределах. Так, для того чтобы расплавить 1 моль твердого неона, надо затратить 80 кал тепла, а для расплавления 1 моля меди требуется больше 3000 кал. Одни твердые вещества растворяются в воде, образуя растворы, проводящие электрический ток (например, хлористый натрий), другие растворяются в воде, но образующийся раствор не проводит ток (например, сахар). Некоторые твердые вещества растворяются в этиловом спирте, но нерастворимы в воде (например, йод). Твердые вещества различаются также по внешнему виду. Мало общего между прозрачным куском стекла и блестящим куском алюминиевой фольги или между куском угля и прозрачным кристаллом хлористого натрия.

Высокая электропроводность таких веществ, как медь или серебро, известна всем. Измерения электропроводности многих других твердых веществ показывают, что все вещества, которые проводят электрический ток так же хорошо, как медь и серебро, напоминают их и по внешнему виду. Почти все эти хорошие проводники - металлы. Наиболее характерным свойством металла является высокая электропроводность.

Подробнее...

Свойства растворов

Хотя многие растворы бесцветны и по внешнему виду напоминают чистую воду, они очень сильно различаются по свойствам. Это можно показать на пяти чистых веществах - хлористом натрии, йоде, сахаре, этиловом спирте и воде. Этиловый спирт и вода при комнатной температуре - жидкости, остальные - твердые вещества. Познакомимся со свойствами растворов, которые образуют эти жидкости.

Сначала рассмотрим качественно растворимость твердых веществ в жидкостях. Добавляя небольшое количество каждого твердого вещества в 1 мл жидкости, мы легко обнаруживаем, что сахар растворяется в воде и в этиловом спирте, хлористый натрий хорошо растворяется в воде, но плохо - в этиловом спирте, а йод плохо растворяется в воде, но хорошо - в этиловом спирте. Таким образом, мы видим, что растворяющая способность двух выбранных нами растворителей весьма различна, по крайней мере, по отношению к хлористому натрию, сахару и йоду.

В описанном выше опыте мы получаем четыре раствора, содержащих значительное количество растворенного вещества:

I II III IV
Сахар в воде Сахар в этиловом спирте Хлористый настрий в воде Йод в этиловом спирте

Раствор IV легко отличить от трех остальных. Этот раствор имеет темно- коричневую окраску, три других раствора бесцветны. Их легко различить на вкус, но химики располагают более безопасными и надежными способами. Эти растворы заметно различаются по способности проводить электрический ток. Растворы сахара I и II имеют фактически такую же электропроводность, как и чистые растворители, - они практически не проводят ток. Раствор III проводит ток намного лучше, чем чистая вода.

Подробнее...

Электропроводность водных растворов

Движение электрических зарядов называется электрическим током. Поэтому когда мы говорим, что через раствор проходит электрический ток, мы имеем в виду, что в растворе происходит перенос электрических зарядов. Из данного раздела мы узнаем, как происходит этот перенос.

Вода очень плохо проводит электрический ток. Однако водный раствор хлористого натрия является хорошим проводником. Увеличению электропроводности способствует растворенная соль. Каким образом растворение соли создает условия для переноса зарядов в жидкости? Одним из возможных объяснений может быть предположение, что при растворении соли в воде образуются частицы, несущие электрический заряд. В результате движения этих заряженных частиц через раствор возникает ток. В данном случае растворенная соль имеет формулу NaCl, т. е. на каждый атом натрия приходится один атом хлора. Химики пришли к выводу, что при растворении хлористого натрия в воде атомы хлора приобретают отрицательный заряд, равный заряду электрона, а атомы натрия - положительный заряд, равный заряду протона. Атомы или молекулы, которые несут электрический заряд, называются ионами.

Отрицательный хлор-ион обозначается Cl-, а положительный ион натрия - Na+. Используя эти обозначения, можно записать уравнение для процесса растворения хлористого натрия в воде:

NaCl (тв) + Н2О ? Na+ (водн) + Сl- (водн) (1)

Уравнение (1) показывает, что при растворении хлористого натрия в воде в растворе образуются ионы натрия и хлор-ионы. Химики обычно придерживаются более краткой формы записи, так как она передает суть процесса:

Подробнее...

Растворимость

Твердое вещество при внесении в жидкость начинает растворяться. При этом концентрация раствора увеличивается. После того как растворится все твердое вещество, концентрация раствора становится постоянной и определяется относительными количествами растворенного вещества и растворителя. Если теперь к раствору добавить еще некоторое количество твердого вещества, то его концентрация снова увеличится. Однако наступает такой момент, когда при дальнейшем добавлении растворяемого вещества концентрация раствора уже не будет увеличиваться. В результате растворения в определенном количестве жидкости всего твердого вещества, которое может в нем раствориться, достигается концентрация, соответствующая растворимости этого твердого вещества. Раствор, находящийся в равновесии с избытком растворенного вещества, называется насыщенным.

Растворимость твердых веществ в жидкостях весьма различна. Например, хлористый натрий продолжает растворяться в воде при 20° С до тех пор, пока концентрация не станет равной примерно 6 М. Это значит, что растворимость NaCl в воде при 20° С равна 6 моль/л. Растворимость NaCl в этиловом спирте при той же температуре составляет лишь 0,009 моль/л. Даже для одной и той же жидкости растворимости различаются в широких пределах. Так, растворимость хлористого кальция СаСl2 и азотнокислого серебра AgNO3 в воде превышает 1 моль/л, а растворимость хлористого серебра AgCl составляет лишь 10-5 моль/л.

Подробнее...

Взаимодействие электрических зарядов 

С помощью батареи шарам электрометра можно сообщить электрические заряды. В этом случае шары оказывают друг на друга определенное воздействие. Принцип действия электрохимического элемента чрезвычайно важен для химии. Источником электрических зарядов является батарея. Тем самым мы как бы признаем, что вещество, находящееся в электрохимических элементах, содержит электрические заряды.

Возникает вопрос: «Почему два шара электрометра после приобретения зарядов взаимодействуют друг с другом?» Как мы объясним это явление? Мы говорим, что шары имеют избыток электронов (или протонов) и эти электроны (или протоны) взаимодействуют друг с другом. Но это не дает реального объяснения действию электрических сил на расстоянии. Теперь нам предстоит ответить на аналогичные вопросы: «Почему два электрона (или два протона) взаимно отталкиваются? Почему электрон притягивает протон?» Отметим пока следующее: «Способность приобретать электрический заряд - основное свойство материи. Тело, получившее заряд, взаимодействует с другими заряженными телами». Такое утверждение может быть принято в качестве определения основного свойства - свойства, которое обычно наблюдается, но еще не получило успешного объяснения. Не объясняя само свойство, мы называем его основным. Весьма любопытно, что после того как свойство, для которого длительное время трудно было найти объяснение, названо основным, его объяснение уже не кажется необходимым.

Компонентами раствора являются чистые вещества, которые при смешении образуют раствор. Если раствор двухкомпонентный, то один из компонентов называется растворителем, а другой - растворенным веществом. Эти термины приняты просто для удобства. Поскольку для получения раствора необходимо смешать оба компонента, между ними нельзя провести четкого разграничения. Когда приготовляют раствор из чистой жидкости и твердого вещества, жидкий компонент обычно называют растворителем.

 

Чтобы выразить состав раствора, мы должны указать относительные количества и природу компонентов. Эти относительные количества называются концентрациями. Концентрации можно выражать по-разному. Мы рассмотрим здесь один из способов выражения концентрации.

 

Химики часто выражают концентрацию твердого вещества в водном растворе числом молей этого вещества в 1 л раствора. Это так называемая молярная концентрация. Одномолярный (1М) раствор содержит 1 моль растворенного вещества в 1 л раствора, двухмолярный (2М) - 2 моля растворенного вещества в 1 л и децимолярный (0,1М ) - 0,1 моля растворенного вещества в 1 л раствора. Концентрация воды не указывается, хотя для приготовления раствора необходимо добавлять определенное количество воды.

Подробнее...

Обнаружение электрического заряда

Простейший электрометр состоит из двух очень легких шаров, покрытых тонкой металлической пленкой. Шары подвешивают близко друг к другу на тонких металлических нитях в закрытой коробке, чтобы исключить атмосферное влияние. Каждый из шаров присоединен к медной клемме. С коробкой соединена батарея - набор электрохимических элементов. У батареи имеются два полюса: Р1, и Р2. Если полюс Р1 соединить медной проволокой с левой клеммой электрометра, а полюс Р2 - с правой, то мы заметим, что шары будут двигаться по направлению друг к другу. Очевидно, через проволоки шарам была сообщена способность к взаимному влиянию - сила притяжения. Эта сила продолжает действовать и в том случае, когда из электрометра с помощью вакуум-насоса откачивают воздух. Шары притягиваются друг к другу, будучи разделенными «пустым пространством». Они чувствуют «силу на расстоянии».

Если теперь разъединить проволоки, то сила притяжения сохраняется. Однако если две клеммы электрометра соединить медной проволокой, то шары возвращаются в первоначальное положение и снова висят вертикально. Притяжение исчезает.

Мы видим, что с помощью батареи можно сообщить шарам способность к взаимному притяжению. Естественно предположить, что от батареи что-то передавалось шарам. Это «что-то» называется электрическим зарядом. Перемещение этого электрического заряда от батареи по металлическим проволокам к шарам называется электрическим током. Электрический заряд исчезает, когда шары электрометра соединены медной проволокой.

Подробнее...

Жидкие растворы

В лабораторной практике мы имеем дело преимущественно с жидкими растворами. Они могут быть получены смешением двух жидкостей (например, спирта и воды), растворением газа в жидкости (например, двуокиси углерода в воде) или растворением твердого вещества в жидкости (например, сахара в воде). В результате образуется гомогенная система - раствор, который состоит более чем из одного компонента. В случае жидкого раствора компоненты взаимно разбавляются. В соленой воде соль разбавляет воду, а вода, разумеется, разбавляет соль. Этот раствор только частично состоит из молекул воды. Было показано, что давление пара раствора соответственно ниже, чем давление пара чистой воды. Если вода должна быть нагрета до 100° С, чтобы ее давление пара возросло до 760 мм рт. ст., то для достижения такого же давления пара раствор соли необходимо нагреть до более высокой температуры. Следовательно, температура кипения соленой воды выше, чем температура кипения чистой воды. Степень повышения температуры кипения раствора зависит от относительных количеств воды и соли. Чем больше соли растворяют в воде, тем выше температура кипения раствора.

Аналогично этому соленая вода и раствор спирта в воде замерзают при более низких температурах, чем чистая вода. На этом основано действие антифризов, которые добавляют к воде, используемой в автомобильных радиаторах. Антифризы растворяются в воде, залитой в радиатор, и понижают ее температуру замерзания. Степень понижения температуры замерзания также зависит от относительных количеств воды и антифриза.

Подробнее...

Электрические явления

Известно, что по электропроводности можно различать растворы. Однако химику необходимо знать гораздо больше об электрической природе материи. Понимание свойств веществ, связанных с их электрической природой, явится ключом к объяснению химических свойств. Мы увидим, что знание природы электрических явлений позволяет предсказывать молекулярные формулы, объяснять течение химических реакций и понимать энергетические изменения, которые происходят при этих реакциях.

Ниже приведены наиболее известные электрические явления, встречающиеся в жизни:

1. Притяжение волос к гребню в сухой день.

2. Вспышка молнии.

3. Удар, который вы испытываете, если возьметесь за голый провод в радиоприемнике.

4. Тепло, выделяющееся при прохождении электрического тока через электронагреватель.

5. Свет, испускаемый нитью лампы накаливания при прохождении через нее электрического тока.

Подробнее...

Твердые растворы

Твердые растворы встречаются реже. Устойчивость кристаллов определяется закономерностью в расположении атомов. Посторонний атом нарушает эту закономерность и, следовательно, уменьшает устойчивость кристалла. Поэтому при образовании кристалла наблюдается тенденция к удалению посторонних атомов из кристаллической решетки. Вот почему перекристаллизация является хорошим методом очистки вещества.

Однако металлы довольно часто образуют твердые растворы. Атомы одного элемента могут входить в кристалл другого элемента, если они близки по размерам. Золото и медь образуют такие твердые растворы. Атомы золота могут замещать атомы меди в кристалле меди. Атомы меди тоже могут замещать атомы золота в кристалле золота. Подобные твердые растворы называются сплавами. Некоторые твердые металлы растворяют водород или углерод. Например, сталь - это железо, содержащее небольшое количество растворенного углерода.

НАУЧНЫЕ РАЗДЕЛЫ