Semnificația practică a acestui raport este că, cunoscând μ, care este relativ ușor de măsurat, este posibil să se determine D,

ceea ce este destul de dificil de determinat direct.

Difuzie ambipolară

Atât electronii, cât și ionii difuzează în plasma de descărcare a gazului. Procesul de difuzie este după cum urmează. Electronii cu mobilitate mai mare difuzează mai repede decât ionii. Datorită acestui fapt, se creează un câmp electric între electroni și ionii pozitivi rămași. Acest câmp inhibă difuzia suplimentară a electronilor și invers, accelerează difuzia ionilor. Când ionii sunt atrași de electroni, câmpul electric indicat slăbește, iar electronii sunt din nou detașați de ioni. Acest proces este în desfășurare. Această difuzie se numește difuzie ambipolară, al cărei coeficient este

de aceea D amb ≈ 2D u. O astfel de difuzie are loc, de exemplu, în coloana pozitivă a unei descărcări de strălucire.

1.6. Excitația și ionizarea atomilor și moleculelor

Se știe că un atom constă dintr-un ion pozitiv și electroni, al căror număr este determinat de numărul elementului din tabelul periodic al D.I. Mendeleev. Electronii dintr-un atom se află la anumite niveluri de energie. Dacă electronul primește puțină energie din exterior, se duce la mai mult nivel inalt, care se numește nivel de excitare.

De obicei, electronul se află la nivelul de excitație pentru o perioadă scurtă de timp, de ordinul 10-8 s. Când un electron primește energie semnificativă, se îndepărtează de nucleu la o distanță atât de mare încât își poate pierde conexiunea cu el și devine liber. Cel mai puțin legat de nucleu sunt electronii de valență, care se află la niveluri mai ridicate de energie și, prin urmare, se desprind mai ușor de atom. Procesul de detașare a unui electron dintr-un atom se numește ionizare.

În fig. 1.3 arată imaginea energetică a unui electron de valență într-un atom. Aici W o este nivelul solului unui electron, W mst este un metastabil

nivel, W 1, W 2 - niveluri de excitație (primul, al doilea etc.).

Partea I. Capitolul 1. Procese electronice și ionice într-o descărcare de gaz

Figura: 1.3. Imagine energetică a unui electron dintr-un atom

W ′ \u003d 0 este o stare când un electron își pierde legătura cu un atom. Cantitatea W și \u003d W ′ - W o este

cu energie de ionizare. Valorile nivelurilor indicate pentru unele gaze sunt date în tabel. 1.3.

Nivelul metastabil se caracterizează prin faptul că tranzițiile electronice către și de la el sunt interzise. Acest nivel este umplut cu așa-numita interacțiune de schimb, când un electron din exterior aterizează pe nivelul W mst și excesul

electronul părăsește atomul. Nivelurile metastabile joacă un rol important în procesele care au loc în plasma cu descărcare de gaz, deoarece la nivelul normal de excitație, electronul este de 10-8 s, iar la nivelul metastabil - 10-2 ÷ 10-3 s.

Tabelul 1.3

Procesul de excitație a particulelor atomice determină, de asemenea, ionizarea prin așa-numitul fenomen de difuzie a radiației de rezonanță. Acest fenomen constă în faptul că un atom excitat, trecând într-o stare normală, emite o cuantă de lumină, care excită următorul atom și așa mai departe. Regiunea de difuzie a radiației de rezonanță este determinată de calea liberă medie fotonică λ ν, care depinde

sitele pe densitatea particulelor atomice n. Deci, pentru n \u003d 1016 cm-3 λ ν \u003d 10-2 ÷ 1

vezi Fenomenul difuziei radiațiilor rezonante este, de asemenea, determinat de prezența nivelurilor metastabile.

Ionizarea în trepte poate avea loc în funcție de diferite scheme: a) primul electron sau foton produce excitația unui neutru

particulă, iar al doilea electron sau foton conferă energie suplimentară electronului de valență, provocând ionizarea acestei particule neutre;

Partea I. Capitolul 1. Procese electronice și ionice într-o descărcare de gaz

atom, iar în acest moment atomul excitat trece în starea normală și emite o cuantă de lumină, care crește energia

c) în cele din urmă, doi atomi excitați sunt apropiați unul de celălalt. În acest caz, unul dintre ei trece în starea normală și emite o cuantă de lumină, care ionizează al doilea atom.

Trebuie remarcat faptul că ionizarea treptată devine efectivă atunci când concentrația de electroni rapidi (cu energii apropiate de

la W și), fotonii și atomii excitați sunt suficient de mari. Aceasta este

aici ionizarea devine suficient de intensă. La rândul lor, fotonii incidenți pe atomi și molecule pot produce, de asemenea, excitație și ionizare (directă sau treptată). Sursa fotonilor într-o descărcare de gaz este radiația unei avalanșe de electroni.

1.6.1. Excitația și ionizarea moleculelor

Pentru gazele moleculare, este necesar să se țină seama de posibilitatea de a excita moleculele în sine, care, spre deosebire de atomi, efectuează mișcări de rotație și vibrație. Aceste mișcări sunt, de asemenea, cuantificate. Energia saltului în timpul mișcării de rotație este de 10-3 ÷ 10-1 eV, iar în timpul mișcării vibraționale - 10-2 ÷ 1 eV.

În ciocnirea elastică a unui electron cu un atom, electronul pierde

reniul unui electron cu o moleculă, electronul excită mișcarea de rotație și vibrație a moleculelor. În acest din urmă caz, electronul pierde o energie deosebit de semnificativă până la 10-1 ÷ 1 eV. Prin urmare, excitația mișcărilor vibraționale ale moleculelor este un mecanism eficient pentru extragerea energiei dintr-un electron. În prezența unui astfel de mecanism, accelerarea electronului este împiedicată și este necesar un câmp mai puternic pentru ca electronul să câștige energie suficientă pentru ionizare. Prin urmare, pentru defalcarea unui gaz molecular, este necesară o tensiune mai mare decât pentru defalcarea unui gaz atomic (inert) la aceeași distanță interelectrodică și presiune egală. Acest lucru este demonstrat de datele din tabel. 1.4, unde comparația valorilor λ t, S t și U pr atom

și gaze moleculare la presiunea atmosferică și d \u003d 1,3 cm.

Partea I. Capitolul 1. Procese electronice și ionice într-o descărcare de gaz

De la masă. 1.4 se vede că, deși secțiunile transversale de transport S t pentru o moleculă

gazele și argonul sunt comparabile, dar tensiunea de rupere a argonului este mult mai mică.

1.7. Ionizare termică

La temperaturi ridicate, ionizarea gazelor poate apărea datorită creșterii energiei cinetice a particulelor atomice, numită ionizare termică. Deci, pentru vaporii de Na, K, Cs, ionizarea termică este semnificativă la o temperatură de câteva mii de grade, iar pentru aer la o temperatură de aproximativ 104 grade. Probabilitatea ionizării termice crește odată cu creșterea temperaturii și scăderea potențialului de ionizare al atomilor (moleculelor). La temperaturi obișnuite, ionizarea termică este neglijabilă și practic poate avea efect numai în timpul dezvoltării unei descărcări de arc.

Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că încă din 1951 Hornbeck și Molnar au descoperit că atunci când electronii monoenergetici au fost trecuți prin frig gaze inerte formarea ionilor are loc la o energie electronică suficientă doar pentru excitație, dar nu și pentru ionizarea atomilor. Acest proces a fost numit ionizare asociativă.

Ionizarea asociativă joacă uneori un rol important în propagarea undelor de ionizare și a descărcărilor de scânteie în locurile în care există încă foarte puțini electroni. Acolo se formează atomi excitați ca urmare a absorbției de cuante de lumină care ies din regiuni deja ionizate. În aerul încălzit moderat, la temperaturi de 4000-8000 K, moleculele sunt suficient disociate, dar există încă prea puțini electroni pentru dezvoltarea unei avalanșe. În acest caz, principalul mecanism de ionizare este o reacție la care participă atomi de N și O neexcitați.

Ionizarea asociativă se desfășoară conform următoarei scheme N + O + 2. 8 eV ↔ NO + + q. Energia lipsă de 2,8 eV provine din energia cinetică a mișcării relative a atomilor.

Descoperirile radioactivității au confirmat complexitatea structurii nu numai a atomilor, ci și a nucleilor acestora. În 1903, E. Rutherford și F. Soddy au propus teoria degradării radioactive, care a schimbat radical vechile puncte de vedere asupra structurii atomilor. În conformitate cu această teorie, elementele radioactive se descompun spontan odată cu eliberarea particulelor α- sau β și formarea atomilor de elemente noi care sunt chimic diferite de cele originale. În acest caz, se păstrează stabilitatea masei atât a atomilor inițiali, cât și a celor formate ca urmare a cursului procesului de descompunere. E. Rutherford în 1919 a investigat pentru prima dată transformarea artificială a nucleelor. În timpul bombardării atomilor de azot cu particule α, el a eliberat nucleele atomilor de hidrogen (protoni) și atomii nucleului de oxigen. Astfel de transformări se numesc reacții nucleare, deoarece nucleele atomilor altor elemente sunt obținute din nucleele atomilor unui element. Reacțiile nucleare sunt scrise folosind ecuații. Deci, reacția nucleară discutată mai sus poate fi scrisă după cum urmează:

Definiția fenomenului de radioactivitate poate fi dată folosind conceptul de izotopi: radioactivitatea este transformarea nucleelor \u200b\u200binstabile de atomi ai unui element chimic în nuclei de atomi ai unui alt element, care este însoțită de eliberarea particulelor elementare. Radioactivitatea pe care o prezintă izotopii elementelor care există în natură se numește radioactivitate naturală. Rata transformărilor radioactive este diferită pentru diferiți izotopi. Se caracterizează printr-o constantă de dezintegrare radioactivă, care arată câți atomi ai unei dezintegrări de nuclizi radioactivi în 1 s. S-a stabilit că numărul atomilor unui nuclid radioactiv care se descompune pe unitate de timp este proporțional cu numărul total de atomi ai acestui nuclid și depinde de valoarea constantei de dezintegrare radioactivă. De exemplu, dacă, într-o anumită perioadă, jumătate din numărul total de atomi ai unui nuclid radioactiv s-a degradat, atunci în următoarea perioadă, jumătate din rămășiță se va descompune, adică jumătate din perioada precedentă etc.

Durata de viață a unui nuclid radioactiv este caracterizată printr-un timp de înjumătățire, adică o astfel de perioadă de timp în care jumătate din cantitatea inițială a acestui nuclid se descompune. De exemplu, timpul de înjumătățire al radonului este de 3,85 zile, radiul este de 1620 de ani, iar Uranus este de 4,5 miliarde de ani. Sunt cunoscute astfel de tipuri de transformări radioactive: decăderea α, decăderea β, fisiunea spontană (autoinitiată) a nucleelor. Aceste tipuri de transformări radioactive sunt însoțite de eliberarea de particule α, electroni, pozitroni, raze γ. În procesul decăderii α, nucleul unui atom al unui element radioactiv eliberează nucleul unui atom de heliu, în urma căruia sarcina nucleului unui atom al elementului radioactiv original scade cu două unități, iar numărul de masă cu patru. De exemplu, transformările unui atom de radiu într-un atom de radon pot fi scrise prin ecuație

Reacția nucleară a decaderii β, care este însoțită de eliberarea de electroni, pozitroni sau antrenarea electronilor orbitali, poate fi, de asemenea, scrisă prin ecuație

unde e este un electron; hν este cuantica razelor γ; ν o este un antineutrino (o particulă elementară a cărei masă de repaus și sarcină sunt egale cu zero).

Posibilitatea decăderii β este asociată cu faptul că, în conformitate cu conceptele moderne, un neutron se poate transforma în anumite condiții într-un proton, eliberând în același timp un electron și un antineutrino. Un proton și un neutron sunt două stări ale aceleiași particule nucleare - un nucleon. Acest proces poate fi descris de diagramă

Neutron -\u003e Proton + Electron + Antineutrino

În procesul de dezintegrare β a atomilor unui element radioactiv, unul dintre neutroni, care face parte din nucleul atomic, eliberează un electron și un antineutrino, transformându-se într-un proton. În acest caz, sarcina pozitivă a nucleului crește cu una. Acest tip de dezintegrare radioactivă se numește descompunere electronică (decadere β). Deci, dacă nucleul unui atom al unui element radioactiv eliberează o particulă α, se obține nucleul unui atom al unui element nou cu un număr de protoni cu două unități mai mic și, atunci când o particulă β este eliberată, un nucleu al unui nou atom cu un număr de protoni mai mare decât cel original. Aceasta este esența legii deplasării Soddy-Faience. Nucleii atomici ai unor izotopi instabili pot elibera particule care au o sarcină pozitivă de +1 și o masă apropiată de cea a unui electron. Această particulă se numește pozitron. Deci, posibila conversie a unui proton la neutron conform schemei:

Proton → Neutron + Positron + Neutrino

Transformarea unui proton în neutron este observată numai atunci când instabilitatea nucleului este cauzată de conținutul în exces de protoni din acesta. Apoi, unul dintre protoni se transformă într-un neutron, iar pozitronul și neutrinii care apar în acest caz zboară din nucleu; sarcina nucleului scade cu una. Acest tip de dezintegrare radioactivă se numește decadere pozitronică (decadere β +). Deci, datorită degradării β a nucleului unui atom al unui element radioactiv, se obține un atom al unui element care este deplasat într-un loc spre dreapta (β-dezintegrare) sau spre stânga (β + -decadere) de la elementul radioactiv original. O scădere a sarcinii nucleare a unui atom radioactiv poate fi cauzată nu numai de decăderea β +, ci și de tragerea electronilor, ca urmare a căruia unul dintre electronii bilei de electroni cel mai apropiat de nucleu este captat de nucleu. Acest electron cu unul dintre protonii nucleului formează un neutron: e - + p → n

Teoria structurii nucleului atomic a fost dezvoltată în anii 30 ai secolului XX. Oamenii de știință ucraineni D.D. Ivanenko și E.M. Gapon, precum și omul de știință german W. Heisenberg. În conformitate cu această teorie, nucleii atomilor sunt compuși din protoni încărcați pozitiv și neutroni neutri electric. Masele relative ale acestor particule elementare sunt aproape aceleași (masa protonului este 1,00728, masa neutronului este 1,00866). Protonii și neutronii (nucleonii) sunt conținuți în nucleu de forțe nucleare foarte puternice. Forțele nucleare funcționează doar la distanțe foarte mici - de ordinul a 10-15 m.

Energia care este eliberată în timpul formării unui nucleu din protoni și neutroni se numește energia de legare a nucleului și caracterizează stabilitatea acestuia.

După cum sa menționat deja, o pereche comună de electroni, care realizează o legătură covalentă, se poate forma datorită electronilor nepereche prezenți în atomii interacționați neexcitați. Acest lucru se întâmplă, de exemplu, în timpul formării moleculelor precum. Aici fiecare dintre atomi are un electron nepereche; când doi astfel de atomi interacționează, se creează o pereche comună de electroni - apare o legătură covalentă.

Există trei electroni nepereche în atomul de azot neexcitat:

În consecință, datorită electronilor nepereche, atomul de azot poate participa la formarea a trei legături covalente. Acest lucru se întâmplă, de exemplu, în molecule sau, în care covalența azotului este 3.

Cu toate acestea, numărul de legături covalente poate fi, de asemenea, mai mare decât numărul de electroni pereche din atomul neexcitat. Deci, în starea normală, stratul electronic exterior al unui atom de carbon are o structură descrisă de diagramă:

Datorită electronilor nepereche disponibili, un atom de carbon poate forma două legături covalente. Între timp, carbonul se caracterizează prin compuși în care fiecare dintre atomii săi este legat de atomii vecini prin patru legături covalente (de exemplu, și așa mai departe). Acest lucru se dovedește a fi posibil datorită faptului că, odată cu cheltuirea unei anumite energii, unul dintre electronii prezenți în atom poate fi transferat la subnivel, în urma căruia atomul trece într-o stare excitată, iar numărul de electroni nepereche crește. Un astfel de proces de excitație, însoțit de „aburirea” electronilor, poate fi reprezentat de următoarea schemă, în care starea excitată este marcată cu un asterisc la simbolul elementului:

Există acum patru electroni nepereche în stratul exterior de electroni al atomului de carbon; prin urmare, un atom de carbon excitat poate participa la formarea a patru legături covalente. În acest caz, o creștere a numărului de legături covalente create este însoțită de eliberarea a mai multă energie decât este cheltuită pentru transferul unui atom într-o stare excitată.

Dacă excitația unui atom, care duce la o creștere a numărului de electroni nepereche, este asociată cu cheltuieli foarte mari de energie, atunci aceste cheltuieli nu sunt compensate de energia de formare a unor noi legături; atunci un astfel de proces în ansamblu se dovedește a fi nefavorabil din punct de vedere energetic. Deci, atomii de oxigen și fluor nu au orbitali liberi în stratul exterior de electroni:

Aici, o creștere a numărului de electroni nepereche este posibilă doar prin transferul unuia dintre electroni la următorul nivel de energie, adică la o stare. Cu toate acestea, o astfel de tranziție este asociată cu o cheltuială foarte mare de energie, care nu este acoperită de energia eliberată atunci când apar noi obligațiuni. Prin urmare, datorită electronilor nepereche, un atom de oxigen nu poate forma mai mult de două legături covalente, iar un atom de fluor - doar unul. Într-adevăr, aceste elemente se caracterizează printr-o covalență constantă egală cu două pentru oxigen și una pentru fluor.

Atomii elementelor perioadei a treia și a perioadelor ulterioare au un -sub-nivel în stratul exterior de electroni, către care, la excitație, pot trece electronii s- și p ai stratului exterior. Prin urmare, aici apar posibilități suplimentare pentru creșterea numărului de electroni nepereche. Deci, un atom de clor, care are un electron nepereche într-o stare neexcitată,

pot fi convertite, în detrimentul unei anumite energii, în stări excitate caracterizate prin trei, cinci sau șapte electroni nepereche;

Prin urmare, spre deosebire de atomul de fluor, atomul de clor poate participa la formarea nu numai a unuia, ci și a trei, cinci sau șapte legături covalente. Deci, în acidul cloruros, covalența clorului este de trei, în acidul cloric - cinci, iar în acidul percloric - șapte. În mod similar, un atom de sulf, care are și un subnivel β neocupat, poate trece în stări excitate cu patru sau șase electroni nepereche și, prin urmare, participă la formarea nu numai a doi, ca și în oxigen, ci și a patru sau șase legături covalente. Acest lucru poate explica existența compușilor în care sulful prezintă o covalență de patru sau șase.

În multe cazuri, legăturile covalente apar, de asemenea, datorită unor electroni asociați prezenți în câmpul de electroni extern al atomului. Luați în considerare, de exemplu, structura electronică a unei molecule de amoniac:

Aici, punctele indică electronii care aparțineau inițial atomului de azot, iar crucile - cei care aparțineau atomilor de hidrogen. Dintre cei opt electroni externi ai atomului de azot, șase formează trei legături covalente și sunt comune atomului de azot și atomilor de hidrogen. Dar doi electroni aparțin doar azotului și formează o pereche de electroni singulari. O astfel de pereche de electroni poate participa, de asemenea, la formarea unei legături covalente cu un alt atom, dacă există un orbital liber în stratul de electroni extern al acestui atom. Un -orbital neumplut este prezent, de exemplu, într-un hidrogen non, care este în general lipsit de electroni:

Prin urmare, atunci când o moleculă interacționează cu un ion hidrogen, o legătură covalentă apare între ele; perechea solitară de electroni a atomului de azot devine comună la doi atomi, rezultând în formarea unui ion de amoniu:

Aici, o legătură covalentă a apărut datorită unei perechi de electroni, (pereche de electroni) și orbitalului liber al unui alt atom (acceptor al unei perechi de electroni) care aparținea inițial unui atom (donator al unei perechi de electroni).

Această metodă de formare a unei legături covalente se numește donator-acceptor. În exemplul considerat, un atom de azot servește ca donator de perechi de electroni, iar un atom de hidrogen ca acceptor.

Experiența a stabilit că cele patru legături din ionul de amoniu sunt echivalente din toate punctele de vedere. Rezultă din aceasta că legătura formată prin metoda donator-acceptor nu diferă prin proprietățile sale de legătura covalentă creată de electronii neperecheați ai atomilor care interacționează.

Un alt exemplu de moleculă în care există legături formate prin metoda donator-acceptor este molecula de oxid nitric.

Anterior, formula structurală a acestui compus a fost descrisă după cum urmează:

Conform acestei formule, atomul central de azot este conectat la atomii învecinați prin cinci legături covalente, astfel încât există zece electroni (cinci perechi de electroni) în stratul său exterior de electroni. Dar această concluzie contrazice structura electronică a atomului de azot, deoarece stratul său exterior L conține doar patru orbitați (unul orbital s și trei orbital p) și nu poate conține mai mult de opt electroni. Prin urmare, formula structurală dată nu poate fi considerată corectă.

Luați în considerare structura electronică a oxidului de azot, iar electronii atomilor individuali vor fi denotați alternativ prin puncte sau încrucișări. Atomul de oxigen, care are doi electroni nepereche, formează două legături covalente cu atomul central de azot:

Datorită electronului nepereche rămas la atomul central de azot, acesta din urmă formează o legătură covalentă cu al doilea atom de azot:

Astfel, straturile externe de electroni ale atomului de oxigen și atomul central de azot sunt umplute: aici se formează configurații stabile de opt electroni. Dar în stratul exterior de electroni al atomului de azot cel mai exterior există doar șase electroni; acest atom poate fi deci un acceptor al unei alte perechi de electroni. Atomul de azot central vecin are o pereche de electroni singulari și poate acționa ca un donator.

Acest lucru duce la formarea unei alte legături covalente între atomii de azot prin metoda donator-acceptor:

Acum, fiecare dintre cei trei atomi care alcătuiesc molecula are o structură stabilă de opt electroni a stratului exterior. Dacă legătura covalentă formată prin metoda donator-acceptor este desemnată, așa cum se obișnuiește, cu o săgeată direcționată de la atomul donator la atomul acceptor, atunci formula structurală a oxidului nitric (I) poate fi reprezentată după cum urmează:

Astfel, în oxidul de azot, covalența atomului central de azot este de patru, iar cea extremă este de două.

Exemplele luate în considerare arată că atomii au o varietate de posibilități pentru formarea legăturilor covalente. Acesta din urmă poate fi creat atât datorită electronilor neperecheați ai unui atom neexcitat, cât și datorită electronilor nepereche care apar ca urmare a excitației unui atom („despărțirea” perechilor de electroni), și, în cele din urmă, prin metoda donator-acceptor. Cu toate acestea, numărul total de legături covalente pe care le poate forma un atom dat este limitat. Este determinat de numărul total de orbitali de valență, adică acei orbitali, a căror utilizare pentru formarea legăturilor covalente se dovedește a fi favorabilă din punct de vedere energetic. Calculul mecanic cuantic arată că orbitalele s și p ale stratului de electroni extern și orbitalul stratului anterior aparțin unor astfel de orbitali; în unele cazuri, așa cum am văzut cu exemplele de atomi de clor și sulf, orbitalii de valență pot fi folosiți și în orbitalele stratului exterior.

Atomii tuturor elementelor din a doua perioadă au patru orbitali în stratul exterior de electroni în absența -orbitali în stratul anterior. În consecință, orbitalii de valență ai acestor atomi nu pot găzdui mai mult de opt electroni. Aceasta înseamnă că covalența maximă a elementelor din a doua perioadă este de patru.

Atomii elementelor din perioada a treia și a perioadelor ulterioare pot fi folosiți pentru a forma legături covalente nu numai s- și, ci și -orbitale. Compuși cunoscuți ai -elementelor în care formarea legăturilor covalente implică orbitalele s- și p ale stratului exterior de electroni și toate cele cinci -orbitale ale stratului anterior; în astfel de cazuri, covalența elementului corespunzător ajunge la nouă.

Capacitatea atomilor de a participa la formarea unui număr limitat de legături covalente se numește saturația legăturii covalente.

Curent electric în gaze.

Descărcare electrică care nu se autosusține.Experiența arată că două plăci încărcate opus, separate de un strat de aer, nu sunt descărcate.

De obicei, o substanță în stare gazoasă este un izolator, deoarece atomii sau moleculele din care este compusă conțin același număr de sarcini electrice negative și pozitive și sunt, în general, neutre.

Să aducem flacăra unei lămpi de chibrit sau spirit în spațiul dintre plăci (Fig. 164).

Electrometrul va începe să se descarce rapid. În consecință, aerul sub influența flăcării a devenit un conductor. Când flacăra este îndepărtată din spațiul dintre plăci, descărcarea electrometrului se oprește. Același rezultat poate fi obținut prin iradierea plăcilor cu lumina unui arc electric. Aceste experimente demonstrează că gazul poate deveni un conductor al curentului electric.

Fenomenul trecerii unui curent electric printr-un gaz, observat doar sub condiția unei influențe externe, se numește descărcare electrică care nu se autosusține.

Ionizare termică.Încălzirea gazului îl face un conductor al curentului electric, deoarece unii dintre atomii sau moleculele gazului sunt transformați în ioni încărcați.

Pentru a detașa un electron de un atom, este necesar să lucrați împotriva forțelor de atracție Coulomb dintre un nucleu încărcat pozitiv și un electron negativ. Procesul de detașare a unui electron de un atom se numește ionizarea unui atom. Energia minimă care trebuie consumată pentru a detașa un electron de un atom sau moleculă se numește energie de legare.

Un electron poate fi rupt de un atom atunci când doi atomi se ciocnesc dacă energia lor cinetică depășește energia de legare a electronului. Energia cinetică a mișcării termice a atomilor sau moleculelor este direct proporțională cu temperatura absolută; prin urmare, odată cu creșterea temperaturii gazului, crește numărul de coliziuni de atomi sau molecule însoțite de ionizare.

Procesul de formare a electronilor liberi și a ionilor pozitivi ca urmare a coliziunilor de atomi și molecule de gaze la temperaturi ridicate se numește ionizare termică.

Plasma.Un gaz în care o proporție semnificativă de atomi sau molecule sunt ionizate se numește plasmă. Gradul de ionizare termică a plasmei depinde de temperatură. De exemplu, la o temperatură de 10.000 K, ionizează mai puțin de 10% din numărul total de atomi de hidrogen; la temperaturi de peste 20.000 K, hidrogenul este aproape complet ionizat.

Electronii și ionii din plasmă se pot deplasa sub influența unui câmp electric. Astfel, la temperaturi scăzute gazul este un izolator, la temperaturi ridicate se transformă în plasmă și devine un conductor al curentului electric.

Fotoionizarea.Energia necesară pentru detașarea unui electron de un atom sau moleculă poate fi transmisă de lumină. Ionizarea atomilor sau moleculelor prin lumină se numește fotoionizare.

Descărcare electrică auto... Odată cu creșterea intensității câmpului electric până la o anumită valoare definită, în funcție de natura gazului și de presiunea acestuia, apare un curent electric în gaz chiar și fără influența ionizatoarelor externe. Fenomenul de trecere a unui curent electric printr-un gaz, care nu depinde de acțiunea ionizatoarelor externe, se numește descărcare electrică independentă.

În aer la presiune atmosferică, o descărcare electrică auto-susținută are loc la o intensitate a câmpului electric de aproximativ

Mecanismul principal al ionizării gazelor într-o descărcare electrică auto-susținută este ionizarea atomilor și a moleculelor datorită impactului electronilor.

Ionizare cu impact electronic.Ionizarea prin impact de electroni devine posibilă atunci când electronul, pe calea liberă, dobândește energie cinetică care depășește energia de legare W a electronului cu atomul.

Energia cinetică Wc a electronului, dobândită sub acțiunea unui câmp electric de forță, este egală cu activitatea forțelor câmpului electric:

unde l este calea liberă.

Prin urmare, condiția aproximativă pentru debutul ionizării prin impactul electronilor are forma

Energia de legare a electronilor din atomi și molecule este de obicei exprimată în tensiuni electronice (eV). 1 eV este egal cu munca pe care o face câmpul electric atunci când un electron (sau altă particulă cu o sarcină elementară) se deplasează între punctele câmpului, tensiunea dintre care este 1 V:

Energia de ionizare a unui atom de hidrogen, de exemplu, este de 13,6 eV.

Mecanism de auto-descărcare. Dezvoltarea unei descărcări electrice auto-susținute într-un gaz are loc după cum urmează. Un electron liber sub acțiunea unui câmp electric capătă accelerație. Dacă câmpul electric este suficient de puternic, calea liberă a electronului crește energia cinetică atât de mult încât o ionizează atunci când se ciocnește cu molecula.

Primul electron, care a provocat ionizarea moleculei, și al doilea electron eliberat ca urmare a ionizării, sub acțiunea unui câmp electric, capătă accelerație în direcția de la catod la anod. Fiecare dintre ele în următoarele coliziuni eliberează încă un electron și numărul total de electroni liberi devine egal cu patru. Apoi, în același mod crește la 8, 16, 32, 64 etc. Numărul de electroni liberi care se deplasează de la catod la anod crește ca o avalanșă până când ajung la anod (Fig. 165).

Ionii pozitivi generați în gaz se deplasează sub acțiunea unui câmp electric de la anod la catod. Când ionii pozitivi lovesc catodul și sub acțiunea luminii emise în timpul procesului de descărcare, electroni noi pot fi eliberați din catod. La rândul lor, acești electroni sunt accelerați de câmpul electric și creează noi avalanșe electron-ion, astfel încât procesul poate continua continuu.

Concentrația ionilor în plasmă crește pe măsură ce se dezvoltă descărcarea auto-susținută și rezistența electrică a decalajului de descărcare scade. Puterea curentului în circuitul de auto-descărcare este de obicei determinată numai de rezistența internă a sursei de curent și rezistența electrică a altor elemente ale circuitului.

Descărcare de scânteie. Fulger.Dacă sursa de curent nu este capabilă să suporte o descărcare electrică auto-susținută pentru o lungă perioadă de timp, atunci descărcarea auto-susținută care are loc se numește descărcare cu scânteie. Descărcarea prin scânteie se termină la scurt timp după începerea descărcării ca urmare a unei scăderi semnificative a tensiunii. Exemple de descărcări de scânteie sunt scânteile care apar atunci când se spală părul, se separă coli de hârtie sau se descarcă un condensator.

Fulgerele observate în timpul unei furtuni reprezintă, de asemenea, o descărcare electrică independentă. Puterea curentă în canalul fulgerului ajunge la 10.000-20.000 A, durata impulsului curent este de câteva zeci de microsecunde. Descărcarea electrică independentă între nori și Pământ după câteva fulgere se oprește singură, deoarece majoritatea sarcinilor electrice în exces din nori sunt neutralizate de curentul electric care curge prin canalul de plasmă al fulgerului (Fig. 166).

Cu o creștere a curentului în canalul fulgerului, plasma se încălzește până la o temperatură de peste 10.000 K. Modificările presiunii în canalul plasmatic al fulgerului cu o creștere a curentului și terminarea descărcării provoacă fenomene sonore numite tunete.

Descărcare strălucitoare... Pe măsură ce presiunea gazului în golul de descărcare scade, canalul de descărcare devine mai larg și apoi întregul tub de descărcare este umplut uniform cu plasma strălucitoare. Acest tip de descărcare electrică auto-susținută în gaze se numește descărcare strălucitoare (Fig. 167).

Arc electric.Dacă puterea curentă într-o descărcare de gaz auto-susținută este foarte mare, atunci impactul ionilor și electronilor pozitivi poate provoca încălzirea catodului și a anodului. Electronii sunt emiși de la suprafața catodului la o temperatură ridicată, ceea ce asigură menținerea unei descărcări autosusținute în gaz. O descărcare electrică auto-susținută pe termen lung în gaze, menținută prin emisie termionică din catod, se numește descărcare cu arc (Fig. 168).

Descărcare Corona.În câmpurile electrice foarte neomogene, formate, de exemplu, între un punct și un plan sau între un fir și un plan (linia de alimentare), are loc o descărcare separată de un tip special, numită descărcare coronă. Într-o descărcare coronală, ionizarea cu impact de electroni are loc doar lângă unul dintre electrozi, într-o regiune cu o intensitate mare a câmpului electric.

Aplicarea descărcărilor electrice. Impacturile electronilor accelerați de un câmp electric conduc nu numai la ionizarea atomilor și moleculelor gazului, ci și la excitarea atomilor și moleculelor, însoțită de emisia de lumină. Radiația luminoasă a unei plasma cu descărcare electrică independentă este utilizată pe scară largă în economia națională și în viața de zi cu zi. Acestea sunt lămpi fluorescente și lămpi cu descărcare de gaz pentru iluminatul stradal, un arc electric într-un aparat de proiecție cinematografică și lămpi cu mercur-cuarț utilizate în spitale și clinici.

Temperatura ridicată a plasmei cu descărcare în arc îl face potrivit pentru tăiere și sudare structuri metalice, pentru topirea metalelor. Cu ajutorul unei descărcări de scânteie, sunt prelucrate piesele realizate din cele mai dure materiale.

Descărcarea electrică a gazelor este, de asemenea, un fenomen nedorit, care trebuie abordat în tehnologie. De exemplu, descărcarea coroanei de la firele liniilor electrice de înaltă tensiune duce la pierderi inutile de energie electrică. Creșterea acestor pierderi odată cu creșterea tensiunii pune o limită pe calea creșterii în continuare a tensiunii în linia electrică, în timp ce pentru a reduce pierderile de energie pentru încălzirea firelor, o astfel de creștere este extrem de dorită.

Recombinarea.

Recombinarea este inversul ionizării. Acesta constă în captarea unui electron liber de către un ion. Recombinarea duce la o scădere a sarcinii unui ion sau la conversia unui ion într-un atom neutru sau moleculă. Recombinarea unui electron și a unui atom neutru (moleculă) este de asemenea posibilă, ceea ce duce la formarea unui ion negativ și, în cazuri mai rare, recombinarea unui ion negativ cu formarea unui ion negativ încărcat de două sau de trei ori. În locul unui electron, în unele cazuri, pot acționa alte particule elementare, de exemplu, mezonii, creând mezoatomi sau mezomolecule. În primele etape ale dezvoltării universului, a avut loc o reacție de recombinare a hidrogenului.

Recombinarea este procesul invers de rupere a unei legături chimice. Recombinarea este asociată cu formarea unei legături covalente obișnuite datorită împărțirii electronilor nepereche aparținând diferitelor particule (atomi, radicali liberi)

Exemple de recombinare:

H + H → H2 + Q;

Cl + Cl → Cl2 + Q;

CH3 + CH3 → C2H6 + Q etc.

Perechi de electroni

Dacă există un electron în orbital, atunci se numește nepereche iar dacă două - atunci asta perechi de electroni.

Patru numere cuantice n, l, m, m s caracterizează pe deplin starea energetică a unui electron dintr-un atom.

Având în vedere structura învelișului de electroni al multor atomi de electroni ai diferitelor elemente, este necesar să se ia în considerare trei puncte principale:

· principiul lui Pauli,

Principiul energiei minime,

Regula lui Gund.

Conform principiul Pauli un atom nu poate avea doi electroni cu aceleași valori ale tuturor celor patru numere cuantice.

Principiul lui Pauli determină numărul maxim de electroni într-un orbital, nivel și subnivel. Deoarece AO se caracterizează prin trei numere cuantice n, l, m, atunci electronii unui orbital dat pot diferi doar în ceea ce privește numărul cuantic de spin domnișoară... Dar numărul cuantic spin domnișoarăpoate avea doar două valori + 1/2 și - 1/2. În consecință, într-un orbital nu pot exista mai mult de doi electroni cu valori diferite ale numerelor cuantice de spin.

Figura: 4.6. Capacitatea maximă a unui orbital este de 2 electroni.

Numărul maxim de electroni la nivelul energiei este definit ca 2 n 2, iar pe subnivel - ca 2 (2 l + 1). Numărul maxim de electroni aflați la diferite niveluri și subnivele este dat în tabel. 4.1.

Tabelul 4.1.

Numărul maxim de electroni la niveluri cuantice și subnivele

Secvența de umplere a orbitalilor cu electroni se efectuează în conformitate cu principiul energiei minime .

Conform principiului celei mai mici energii, electronii umple orbitalii în ordinea creșterii energiei.

Se determină ordinea umplerii orbitalilor regula Klechkovsky: o creștere a energiei și, în consecință, umplerea orbitalelor are loc în ordinea crescătoare a sumei numerelor cuantice principale și orbitale (n + l) și pentru o sumă egală (n + l) - în ordinea crescătoare a numărului cuantic principal n.

De exemplu, energia unui electron la subnivelul 4s este mai mică decât la 3 d, întrucât în \u200b\u200bprimul caz suma n + l \u003d 4 + 0 \u003d 4 (reamintim că pentru s-valoarea solubilă a numărului cuantic orbital l\u003d \u003d 0), iar în al doilea n + l \u003d 3 + 2 \u003d 5 ( d - subnivel, l\u003d 2). Prin urmare, primul subnivel 4 este umplut sși apoi 3 d (vezi Figura 4.8).

Pe subnivele 3 d (n = 3, l = 2) , 4r (n = 4, l \u003d 1) și 5 s (n = 5, l \u003d 0) suma valorilor p și l sunt aceleași și egale cu 5. În caz de egalitate a valorilor sumelor n și lmai întâi se completează subnivelul cu valoarea minimă n, adică subnivelul 3 d.

În conformitate cu regula Klechkovsky, energia orbitalilor atomici crește în următoarea ordine:

1s < 2s < 2r < 3s < 3r < 4s < 3d < 4r < 5s < 4d < 5p < 6s < 5d »

"4 f < 6p < 7s….

În funcție de ce subnivel din atom este umplut în ultima rundă, toate elementele chimice sunt împărțite în 4 familii electronice : elemente s-, p-, d-, f.

4f

4 4d

3 4s

3p

3s

1 2s

Nivele de subnivel

Figura: 4.8. Energia orbitalilor atomici.

Se numesc elementele în ale căror atomi s-a umplut ultima dată subnivelul nivelului exterior s-elemente ... Avea selementele de valență sunt s-electroni ai nivelului de energie extern.

Avea p-elemente ultima este p-subnivelul nivelului extern. Electronii lor de valență sunt localizați pe p- și s-sub-nivelurile nivelului extern. Avea d-elementele sunt completate ultima oară d-nivelul solubil al nivelului pre-extern și valența sunt s-electronii externi și d- electroni ai nivelurilor de energie pre-externe.

Avea f-elemente ultimul umplut f- subnivelul celui de-al treilea nivel de energie exterior.

Se determină ordinea plasării electronilor într-un subnivel regula lui Gund:

în subnivel, electronii sunt așezați în așa fel încât suma numerelor lor cuantice de spin să aibă o valoare maximă în valoare absolută.

Cu alte cuvinte, orbitalele acestui subnivel sunt umplute mai întâi de un electron cu același număr cuantic de spin, apoi de al doilea electron cu valoarea opusă.

De exemplu, dacă este necesar să distribuiți 3 electroni în trei celule cuantice, atunci fiecare dintre ele va fi localizat într-o celulă separată, adică ocupă un orbital separat:

∑domnișoară= ½ – ½ + ½ = ½.

Ordinea în care electronii sunt distribuiți peste nivelurile de energie și subnivelele din învelișul unui atom se numește configurația sa electronică sau formula electronică. Constituind configurație electronică număr nivel de energie (numărul cuantic principal) sunt desemnați prin numerele 1, 2, 3, 4 ..., subnivelul (numărul cuantic orbital) - prin litere s, p, d, f... Numărul de electroni pe un subnivel este indicat de un număr care este scris în partea de sus a simbolului subnivel.

Configurația electronică a unui atom poate fi descrisă așa-numita formula electronico-grafică... Aceasta este o diagramă a plasării electronilor în celulele cuantice, care reprezintă o reprezentare grafică a unui orbital atomic. Fiecare celulă cuantică nu poate conține mai mult de doi electroni cu valori diferite ale numerelor cuantice de spin.

Pentru a întocmi o formulă electronică sau electronică-grafică pentru orice element, trebuie să știți:

1. Numărul ordinal al elementului, adică sarcina nucleului său și numărul corespunzător de electroni din atom.

2. Numărul perioadei, care determină numărul nivelurilor de energie ale atomului.

3. Numerele cuantice și relația dintre ele.

Deci, de exemplu, un atom de hidrogen cu numărul de serie 1 are 1 electron. Hidrogenul este un element al primei perioade, prin urmare singurul electron este situat la primul nivel de energie seste orbitalul cu cea mai mică energie. Formula electronică a atomului de hidrogen va fi:

1 H 1 s 1 .

Formula electronico-grafică a hidrogenului va fi:

Formule electronice și electronice ale atomului de heliu:

2 Nu 1 s 2

2 Nu 1 s

reflectă completitudinea învelișului electronic, care determină stabilitatea acestuia. Heliul este un gaz nobil caracterizat de o rezistență chimică ridicată (inertitate).

Atomul de litiu 3 Li are 3 electroni, acesta este un element al perioadei II, ceea ce înseamnă că electronii sunt situați la 2 niveluri de energie. Se umplu doi electroni s - subnivelul primului nivel de energie și al treilea electron este situat pe s - subnivelul celui de-al doilea nivel de energie:

3 Li 1 s 2 2s 1

Valence I

Atomul de litiu are un electron situat la 2 s-nivelul solubil, este legat mai puțin ferm de nucleu decât electronii de la primul nivel de energie, prin urmare, în reacții chimice un atom de litiu poate dona cu ușurință acest electron, transformându-se într-un ion Li + ( si el - particulă încărcată electric ). În acest caz, ionul de litiu capătă o carcasă completă stabilă gaz nobil heliu:

3 Li + 1 s 2 .

Trebuie remarcat faptul că, numărul de electroni nepereche (singuri) determinăelement valență , adică capacitatea sa de a forma legături chimice cu alte elemente.

Deci, un atom de litiu are un electron nepereche, care determină valența sa egală cu unul.

Formula electronică a atomului de beriliu este:

4 Fii 1s 2 2s 2.

Formula electronică a atomului de beriliu:

2 Valența este în principal

Starea este 0

Beriliu pierde electronii subnivelului 2 mai ușor decât alții. s 2, formând ionul Be +2:

Se poate observa că atomul de heliu și ionii de litiu 3 Li + și beriliu 4 Be +2 au aceeași structură electronică, adică caracterizat de structura izoelectronică.

Acasă » Electrozi » Electron nepereche. Esența proceselor de ionizare și excitație a atomilor Procesul de ionizare a electronilor nepereche