6.Типы кристаллических решеток. (атомная, молекулярная, ионная и металлическая)

В зависимости от того, из каких частицы построена кристаллическая решетка и каков характер химической связи между ними, выделяют различные типы кристаллов.

Кристаллические решетки, состоящие из ионов, называются ионными. Их образуют вещества с ионной связью. Примером может служит кристалл хлорида натрия, в котором, как уже отмечалось, каждый ион натрия окружен шестью хлорид-ионами, а каждый хлорид-ион - шестью ионами натрия. Такому расположению соответствует наиболее плотная упаковка, если ионы представить в виде шаров, размещенных в кристалле . Очень часто кристаллические решетки изображают, как показано на рис где указывается только взаимное расположение частиц, но не их размеры.

Число ближайших соседних частиц, вплотную примыкающих к данной частице в кристалле или в отдельной молекуле, называется координационным числом.

Кристаллические решетки, в узлах которых находятся отдельные атомы, называются атомными. Атомы в таких решетках соединены между собой прочными ковалентными связями. Примером может служить алмаз - одна из модификаций углерода. Алмаз состоит из атомов углерода, каждый из которых связан с четырьмя соседними

Кристаллические решетки, состоящие из молекул (полярных и неполярных), называются молекулярными.Молекулы в таких решетках соединены между собой сравнительно слабыми межмолекулярными силами. Поэтому вещества с молекулярной решеткой имеют малую твердость и низкие температуры плавления, нерастворимы или малорастворимы в воде, их растворы почти не проводят электрический ток. Число неорганических веществ с молекулярной решеткой невелико.

Металлическая кристаллическая решетка присуща элементарным металлам, а также соединениям металлов друг с другом. Такие свойства металлических кристаллов, как летучесть, механическая прочность, температура плавления, сильно колеблются. Однако некоторые физические свойства исключительно характерны для кристаллов металлического типа ( см. гл. [1]

Металлические кристаллические решетки характеризуются наличием в их узлах положительно заряженных ионов металла. [2]

Металлическая кристаллическая решетка характеризуется наличием ионов, расположенных в ее узлах, и свободных электронов. Часть свободных электронов удерживается электрическим полем ионов, часть, так называемые электроны проводимости, непосредственно участвует в создании электрического тока. Однако при направленном движении под влиянием электрического поля электроны проводимости испытывают взаимодействие с ионами кристаллической решетки, которые находятся в состоянии теплового колебательного движения. После каждого такого взаимодействия направление движения и скорость электрона меняются. Такой процесс обмена энергией идет непрерывно и требует для ускорения электронов после каждого акта столкновения постоянной затраты энергии извне.

19. Стандартный электродный потенциал, его физический смысл. Уравнение Нернста.

Количественной мерой окислительной способности окислителя (и одновременно восстановительной способностиего восстановленной формы) является электрический потенциал электрода φ (электродный потенциал), на котором одновременно и с равными скоростями протекают полуреакция его восстановления и обратная ей полуреакция окисления соответствующей восстановленной формы.

Этот окислительно-восстановительный потенциал измеряется по отношению к стандартному водородному электроду и характеризует пару «окисленная форма – восстановленная форма» (поэтому выражения «потенциал окислителя» и «потенциал восстановителя», строго говоря, неверны). Чем выше потенциал пары, тем сильнее выражена окислительная способность окислителя и, соответственно, слабее – восстановительная способность восстановителя.

И напротив: чем ниже потенциал (вплоть до отрицательных значений), тем сильнее выражены восстановительные свойства восстановленной формы и слабее - окислительные свойства сопряженного с ней окислителя.

Типы электродов, конструкция стандартного водородного электрода и методы измерения потенциалов детально рассматриваются в курсе физической химии.

Уравнение Нернста

Зависимость окислительно-восстановительного потенциала, отвечающего полуреакции восстановления перманганат-иона в кислой среде (и, как уже отмечалось, одновременно полуреакции окисления катиона Mn2+ до перманганат-иона в кислой среде) от перечисленных выше определяющих его факторов количественно описывается уравнением Нернста

φ(MnO4–, H+ / Mn2+) = φo(MnO4–, H+ / Mn2+) + RT / 5Fln[MnO4–][H+]8 / [Mn2+].

В общем случае уравнение Нернста принято записывать в условной форме

φ(Ox/Red) = φo(Ox/Red) + RT/(nF) ln [Ox]/[Red],

отвечающей условной записи полуреакции восстановления окислителя

Ox + ne- = Red

Каждая из концентраций под знаком натурального логарифма в уравнении Нернста возводится в степень, соответствующую стехиометрическому коэффициенту данной частицы в уравнении полуреакции, n – число принимаемых окислителем электронов, R – универсальная газовая постоянная, T – температура, F – число Фарадея.

Измерить окислительно-восстановительный потенциал в реакционном сосуде во время протекания реакции, т.е. в неравновесных условиях, невозможно, так как при измерении потенциала электроны должны передаваться от восстановителя к окислителю не непосредственно, а через соединяющий электроды металлический проводник. При этом скорость передачи электронов (силу тока)нужно поддерживать очень малой за счет приложения внешней (компенсирующей) разности потенциалов. Иначе говоря, измерение электродных потенциалов возможно только в равновесных условиях, когда прямой контакт между окислителем и восстановителем исключен.

Поэтому квадратными скобками в уравнении Нернста обозначены, как обычно, равновесные (в условиях измерения) концентрации частиц. Хотя потенциалы окислительно-восстановительных пар во время протекания реакции нельзя измерить, их можно вычислить, подставляя в уравнение Нернста текущие, т.е. отвечающие данному моменту времени концентрации.

Если рассматривается изменение потенциала по мере протекания реакции, то сначала это начальные концентрации, затем концентрации, зависящие от времени, и, наконец, после прекращения реакции, равновесные.

По мере протекания реакции вычисляемый по уравнению Нернста потенциал окислителя уменьшается, а отвечающий второй полуреакции потенциал восстановителя, напротив, увеличивается. Когда эти потенциалы выравниваются, реакция прекращается, и система приходит в состояние химического равновесия.

Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы

Первое слагаемое в правой части уравнения Нернста – это стандартный окислительно-восстановительный потенциал, т.е. потенциал, измеренный или чаще вычисленный при стандартных условиях.

В стандартных условиях концентрации всех частиц в растворе по определению равны 1 моль/л, и второе слагаемое в правой части уравнения обращается в нуль.

В нестандартных условиях, когда хотя бы одна из концентраций не равна 1 моль/л, определяемый уравнением Нернста потенциал отличается от стандартного. Потенциал в нестандартных условиях часто называют реальным потенциалом.

Термином «электрохимический потенциал», строго говоря, пользоваться не рекомендуется, так как он закреплен за другой величиной (суммой химического потенциала иона и произведением его заряда на электрический потенциал), с которой студенты встретятся в курсе физической химии.

Если в ОВР принимают участие один или несколько газов, их стандартными состояниями являются состояния при давлении 1 атм = 101300 Па. Температура при определении стандартных состояний и стандартных потенциалов не стандартизуется и может быть любой, но таблицы стандартных потенциалов в справочниках составлены для Т=298 К (25 оС).

Студент должен отличать стандартные состояния веществ от не имеющих с ними по существу ничего общего нормальных условий (р = 1 атм, Т=273 К), к которым, пользуясь уравнением состояния идеальных газов pV = nRT, принято приводить объемы газов, измеренные в иных условиях.

Таблица стандартных потенциалов, составленная в порядке их убывания, однозначно ранжирует окислители (т.е. окисленные формы различных окислительно-восстановительных пар) по их силе. Одновременно ранжируются по силе и восстановители (восстановленные формы пар).

1) Классы неорганических соединений (оксиды гидролиз соли)

1 Оксидами называются сложные вещества, состоящие из двух химических элементов, один из которых кислород.

Классификация оксидов. По химическим свойствам оксиды делятся на две группы:

1) безразличные – не образуют солей, например: NO, CO,H2O;

2) солеобразующие, которые, в свою очередь, подразделяются на:

– основные – это оксиды типичных металлов со степенью окисления +1,+2 (I и II групп главных подгрупп, кроме бериллия) и оксиды металлов в минимальной степени окисления, если металл обладает переменной степенью окисления (CrO, MnO);

– кислотные – это оксиды типичных неметаллов (CO2, SO3, N2O5) и металлов в максимальной степени окисления, равной номеру группы в ПСЭ Д.И.Менделеева (CrO3, Mn2O7);

– амфотерные оксиды (обладающие как основными, так и кислотными свойствами, в зависимости от условий проведения реакции) – это оксиды металлов BeO, Al2O3, ZnO и металлов побочных подгрупп в промежуточной степени окисления (Cr2O3, MnO2).

1.Основные оксиды взаимодействуют с кислотами, получаются соль и вода:

CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O

2. Оксиды активных металлов взаимодействуют с водой с образованием щелочи:

Li2O +H2O=2LiOH

1. Кислотные оксиды взаимодействуют с растворимыми основаниями, получаются соль и вода:

СO2 + Ca (OH)= CaCO3 + H2O

2. Большинство кислотных оксидов взаимодействуют с водой с образованием кислоты:

P2O5 + 3 H2O = H3PO4

3. Основные и кислотные оксиды взаимодействуют между собой с образованием соли:

Ca O + CO2 = CaCO3

2..... Гидроксиды (гидроокиси) — соединения оксидов химических элементов с водой. Известны гидроксиды почти всех химических элементов; некоторые из них встречаются в природе в виде минералов. Гидроксиды щелочных металлов называются щелочами.

Классификация

В зависимости от того, является ли соответствующий оксид основным, кислотным или амфотерным, соответственно различают:

основные гидроксиды (основания) — гидроксиды, проявляющие основные свойства (например, гидроксид кальция Ca(ОН)2, гидроксид калия KOH, гидроксид натрия NaOH и др.);

кислотные гидроксиды (кислородосодержащие кислоты) — гидроксиды, проявляющие кислотные свойства (например, азотная кислота HNO3, серная кислота H2SO4, сернистая кислота H2SO3 и др.)

амфотерные гидроксиды, проявляющие в зависимости от условий либо основные, либо кислотные свойства (например, гидроксид алюминия Al(ОН)3, гидроксид цинка Zn(ОН)2)