Топливные элементы.

Топливные элементы – это такие источники тока, в которых образование тока происходит за счёт окисления топлива на аноде и восстановления его на катоде.

КПД 25%.

75% энергии рассеивается.

Схема водородно-кислородного топливного элемента

(-) Pt,Ni H2

КОН 30 – 40%

O2,NiPt(+) Пористые угольные электроды.

Ан. пр.: 2H2+ 4OH= 4H2O+ 4e

Кат. пр.: О2+ 2H2O+ 4e→ 4OH

Т. О. Р. Н2+ ½ О2=H2O

1,23 В КПД = 83%

В одном из простейших топливных элементов происходит поглощение Н2и О2в присутствии щелочного раствора. Газы поступают в элемент сквозь пористые угольные электроды. В качестве окисляемых на аноде веществ можно применять газообразные углеводороды, а кислорода, содержащегося в воздухе вполне достаточно для обеспечения катода электродным веществом.

Создан и биологический топливный элемент, в котором используются ферменты и мембраны, обладающие селективной проницаемостью для анионов и катионов.

В одном из вариантов такого элемента фермент гидролизирует анод, разлагая на ионные составляющие.

R CONH2 + H2O → RCOO + NH4

Селективная мембрана представляет собой твёрдое, пористое вещество, на внутренней стороне которого находятся фиксированные ионы, позволяющие диффундировать сквозь поры лишь ионам противоположного знака.

Тема 2. Строение вещества

2.1.1. Строение атома. Квантово-механическая модель атома. Принцип Паули, правило Хунда. Строение многоэлектронных атомов. Периодическая система Д.И. Менделеева и изменение свойств элементов и их соединений.

Атом на протяжении долгого времени считался неделимым, однако в конце 18

века ряд ученых высказали предположение о сложном строении атома.

Только в конце IX века были сделаны исторические открытия,

подтверждающие сложность строения атома:

В числе открытий следует назвать:

1) Открытие периодического закона и создание периодической системы

элементов (Д.И. Менделеев, 1869г.).

2)Открытие электрона Д.Д. Томсоном при исследовании катодных лучей в разрядной трубке (1897г.). Квантовые числа.

Поведение электрона в атоме описывается набором значений четырех

квантовых чисел.

1) Главное квантовое число n

Определяет удаленностью атомной орбитали от ядра или общую энергию

электронов на данном уровне.

n - положительное целое число от 1,2,3... до ∞ (пока до 7)

Физический смысл: n - соответствует номеру периода. Уровень в атоме.

2) Орбитальное квантовое число e

Определяет форму электронного облака, зависит от n - главного квантового

числа. Принимает значение – от 0 до (n-1). Принято обозначать e = 0,1,2,3,4 буквами s,p,d,f соответственно.

Согласно теоретическим данным s-орбитали имеют форму шара.

модель s- электронного облака

р- орбитали - форму гантелей (возможны 3 ориентации облака m_е= -1 0 +1. Оси трех соответствующих гантелеобразных орбиталей направлены под углом 90° друг к другу.

d- и f- электронные облака имеют более сложные формы;

Физический смысл- указывает на число подуровней в энергетическом уровне.

3) Магнитное квантовое число m_e - магнитный момент всех электронов, принимает целочисленные значения от - e до +e. Характеризует разрешенные ориентации электронного облака в пространстве.

Для s подуровней – одна АО для p – три АО

Для d- пять АО для f – семь АО

Физический смысл- число орбиталей.

Три первых квантовых числа имеют строго определенные значения.

4) Спиновое квантовое число m_s - собственный магнитный момент

электрона.

Электрон обладает еще одним видом движения - движением вокруг своей оси, называемым спином. m_s принимает 2 значения ±1/2 (вращается по часовой стрелке и против нее).

Основные положения распределения электронов в атоме.

1) Правило Паули (швейцарский физик 1925 г)

В атоме не могут быть даже двух электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел.

Два электрона должны отличаться, по крайней мере, значениями одного квантового числа.

Для Не два электрона имеют следующие значения квантовых чисел. Для первого электрона n = 1 l = 0 m_е = 0 m_s +

Для второго электрона n = 1 l = 0 m_е = 0 m_s -

Правило Паули показывает, что на каждой атомной орбитали (АО) не может быть больше двух электронов:

Два электрона, находящиеся на одной орбитали, называются спаренными.

2)Принцип наименьшей энергии

В атоме каждый электрон стремится занять положение, соответствующее минимальному значению энергии, что отвечает наибольшей связи его с ядром. Поэтому электрон не будет занимать выше лежащий уровень, если в нижележащем есть место.

рис. 6.1 Примерная схема относительного расположения энергетических подуровней в многоэлектронных атомах

таблица 6.1 Квантовые числа в оболочках с n от 1 до 4

Заполнение электронами энергетических уровней и подуровней идет в следующей последовательности ( рис. 6.1, табл. 6.1).

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰6p⁶7s²5f¹⁴6d¹⁰7p⁶

Правило Гунда (устанавливает порядок заполнения на подуровне).

Электроны в пределах подуровня располагаются так, чтобы суммарное спиновое число было максимальным.

Следовательно, электроны в пределах подуровня располагаются каждый в отдельной ячейке в виде не спаренных электронов, и только после того, когда каждая ячейка в пределах подуровня будет занята электроном, электроны с противоположным спином спариваются.

Расположение трех электронов на p- подуровне

Расположение четырех электронов на p– подуровне

Электронные формулы.

Порядковый номер элемента соответствует заряду ядра. – Закон Мозли 1925г.

Ti²² 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²4s² 4s²3d²

Ge³² 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p² 4s²4p²

В краткую электронную форму входят электроны внешнего и незаполненного предвнешнего.

Из общего правила расположения электронов по энергетическим уровням исключение составляют атомы порядковым номером: 24,29,47,79,78,41,42,46.

Cr²⁴ 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁴

3d⁴4s² 3d¹⁰4s¹

Cu²⁹ 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁹

3d⁹4s² 3d¹⁰4s¹

Такие атомы называются атомами с аномальной структурой.

Атомы со структурой, близкой к d⁵,d¹⁰,f⁷,f¹⁴склонны проявлять аномальное строение, которое заключается в провале электронов с внешнего уровня на предвнешний. Атомы, с наполовину заполненными и полностью заполненнымиd- иf- подуровнями, считаются устойчивыми.