Вода як розчинник
4. Вода як розчинник. властивості води
Як відомо, життя зародилося у воді і як і раніше залишається тісно пов'язаною з водою. Тому фізико-хімічні властивості води мають фундаментальне значення для процесів життєдіяльності.
Унікальні властивості води H2 O стають очевидними при порівнянні з метаном (CH4). Обидві молекули однакові за масою і розмірами. Проте температура кипіння води на 250 о С вище в порівнянні з температурою кипіння метану. В результаті вода на поверхні Землі знаходиться в рідкому, а метан - в газоподібному стані. Висока точка кипіння води є наслідком високої теплоємності випаровування, що в свою чергу обумовлено нерівномірним розподілом електронної щільності в молекулі води. Молекула води має форму тетраедра, в центрі якого розташований атом кисню. Дві вершини тетраедра зайняті вільними електронними парами атома кисню (зеленого кольору), а інші дві - атомами водню. Тому зв'язку H-О-H розташовані під кутом один до одного. Крім того, через високу електронегативності атома кисню зв'язок О-H полярна (див. С. 14). Атоми водню несуть частковий позитивний заряд близько +0,4, а атом кисню - частковий негативний заряд близько -0,6, т. Е, молекула води є електричний диполь. Тому кожна молекула води, подібно маленькому магніту, притягує до себе за рахунок утворення водневих містків (Б) ще чотири молекули. При випаровуванні води руйнування зтіх численних водневих зв'язків вимагає великих витрат енергії. Молекули метану неполярних, не є диполями і відносно слабко взаємодіють один з одним. Внаслідок цього рідкий метан випаровується при дуже низьких температурах.
Структура води і льоду
Біполярний будова молекул води сприяє утворенню водневих зв'язків. При цьому кожна молекула проявляє властивості як донора, так і акцептора водню. Тому у води в рідкому стані багато молекули пов'язані між собою водневими «містками» (зв'язками). причому утворюються асоціати знаходяться в динамічній рівновазі. Часто утворюються тетраедричних структури, так звані "кластери" води. При зниженні температури частка кластерів зростає аж до початку кристалізації. При нормальному атмосферному тиску вода кристалізується при 0 o C. при цьому більшість молекул води виявляються вбудованими в гексагональну решітку. Оскільки в твердому стані відстань між молекулами в середньому більше, ніж в рідині, густина льоду менше в порівнянні з щільністю води. Це властивість води дуже важливо в екологічному відношенні хоча б тому, що взимку на поверхні водойм утворюється шар льоду і вони рідко промерзають до дна.
На відміну від більшості інших рідин вода є ідеальним розчинником для диссоциирующих речовин. В електричному полі того чи іншого іона молекули води утворюють регулярні структури відповідно до зарядом іона. Ця гидратная оболонка екранує іон від іонів протилежного заряду. Вода має високу константу діелектричної проникності (78), тобто в воді електростатичне тяжіння двох протилежно заряджених іонів знижується приблизно в 80 разів (1/78). Молекули води, що знаходяться у внутрішній сфері безпосередньо біля іона, практично іммобілізовані (прив'язані до цього йону) і переміщаються разом з центральним іоном. Добре розчинні у воді і нейтральні з'єднання з декількома гідроксильними групами, такі, як гліцерин або цукру, оскільки вони здатні утворювати водневі зв'язки з молекулами розчинника.
5. Виникнення струму в гальванічному елементі. Електрорушійна сила. Переваги та недоліки гальванічних елементів
Два металу, занурені в розчини їх солей, з'єднані між собою електролітичним ключем, утворюють гальванічний елемент.
Виникнення електричного струму гальванічному елементі обумовлено різницею електроднихпотенціалів взятих металів і супроводжується глибокими хімічними перетвореннями, що відбуваються на електродах. Покажемо це на прикладі роботи мідно - цинкового елементу.
На цинковому електроді, опущеному в розчин сульфату цинку, відбувається окислення атомів цинку в іони (розчинення цинку):
електрони при цьому надходять в зовнішній ланцюг. На мідному електроді, зануреному в розчин сульфату міді, відбувається відновлення іонів металу в атоми:
Одночасно частина іонів SO4 2- переходить через "електролітичний місток" в посудину з розчином сульфату цинку,
Сумарне рівняння процесу отримаємо:
Zn - 2 e = Zn 2 + анодний процес
Cu 2+ + 2e = Cu катодний процес
Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu сумарний процес
Електрод, на якому протікає процес окислення, називається анодом (в нашому випадку цинковий), а електрод, на якому протікає процес відновлення - катодом (мідний). Гальванічний елемент можна записати у вигляді короткої електрохімічної схеми:
(-) Zn | Zn 2+ || Cu 2+ | Cu (+) в іонному вигляді або
(-) Zn / ZnSO4 // CuSO4 / Cu (+) в молекулярному
Зазвичай анод записується зліва, а катод - справа.
Необхідною умовою роботи гальванічного елемента виникнення різниці потенціалів на його електродах.
При обчисленні напруги гальванічного елемента прийнято потенціал з меншою алгебраїчної величиною віднімати з потенціалу з більшою алгебраїчної величиною; іншими словами, з потенціалу позитивного полюса (катода) віднімати потенціал негативного (анода)
Напруга мідно - цинкового гальванічного елемента визначається
x = j o Cu / Cu 2+ - j o Zn / Zn 2 + = (+0,34) - (- 0,76) = +1,10 в
Позитивний знак напруги визначає напрямок мимовільного протікання реакції зліва направо. Як відомо, рушійною силою хімічної реакції є спад енергії Гіббса. Для реакцій, що здійснюються в умовах гальванічного елемента, робота, вироблена системою, дорівнює роботі електричного струму:
де I - струм в ланцюзі;
U - падіння напруги;
Q- кількість електрики
У разі, якщо реакція протікає оборотно в рівноважних умовах, U = E (напруга елемента дорівнює напрузі на електродах при струмі рівному нулю) і робота буде максимальна:
Для одного моля речовини, що вступає в реакцію, Q = nF, де n - число електронів, що приймаються або віддаються речовиною; F = 96500 Кл / моль, число Фарадея, це кількість електрики, необхідне для виділення 1 моль речовини. З урахуванням цього можна записати:
У стандартних умовах:
Взаємозв'язок між напругою гальванічного елемента і значенням DG дає можливість безпосередньо визначити величину DG.
Для мідно - цинкового елементу
Amax = -DG298 o + 2 * 96500 * 1,1 = 212300 Дж = 212,3 кДж
Це значення DG збігається з виміряної стандартної ентальпії для цієї реакції, яка дорівнює -212,3 кДж. Великий вплив на величину електродного потенціалу надає концентрація катіонів, однойменних з металом електрода. Електродний потенціал з урахуванням цього впливу обчислюється за формулою Нернста:
j = j o + (RT / nF) ln C
де j 0 - нормальний потенціал металу, В;
n - його валентність (ряд іона металу);
C - концентрація катіонів цього ж металу в моль / л;
Для газоподібних речовин під знаком логарифма замість Ci входять парціальні тиску відповідних речовин. З огляду на, що зазвичай гальванічні елементи працюють при стандартних умовах, рівняння Нернста можна записати:
j = j o + (0,059 / n) lg C
Електрорушійна сила (ЕРС) - фізична величина, що характеризує роботу сторонніх (непотенційного) сил в джерелах постійного або змінного струму. У замкнутому провідному контурі ЕРС дорівнює роботі цих сил по переміщенню одиничного позитивного заряду уздовж контуру.
ЕРС можна виразити через напруженість електричного поля сторонніх сил (Eex). У замкнутому контурі (L) тоді ЕРС буде дорівнює:
,
де dl - елемент довжини контура.
ЕРС, так само як і напруга, вимірюється в вольтах.
Гальванічні елементи як джерела електричної енергії мають істотні переваги: вони можуть бути різних розмірів і форм, не мають макроскопически рухливих, схильних до зносу частин, відносно легкі і автономні, мало чутливі до вібрації і коливань температури, працюють безшумно, добре регулюються. Їх ККД досить високий (до 90%), так як перетворення хімічної енергії в електричну відбувається в них без проміжної теплової стадії, а електродні процеси в деяких випадках близькі до оборотних.
Істотним недоліком гальванічних елементів є саморозряд - витрачання ними електрохімічних активних речовин при відсутності зовнішнього струму. Причиною цього може бути-наприклад, розчинення металу електродів внаслідок утворення tax званих локальних елементів, або протікання процесу, що генерує струм, "безпосереднім хімічним" шляхом, або ж недостатня ізолює здатність діелектричних деталей елемента. Саморозряд зменшує термін служби елемента, останній з часом стає непридатним, навіть якщо він взагалі не використовувався для отримання енергії.
Інформація про роботу «Неорганічна хімія»