Отличие полупроводников от металлов и диэлектриков. Что такое диэлектрик

Все вещества состоят из молекул, молекулы из атомов, атомы из положительно заряженных ядер вокруг которых располагаются отрицательные электроны. При определенных условиях электроны способны покидать свое ядро и передвигаться к соседним. Сам атом при этом становится положительно заряженным, а соседний получает отрицательный заряд. Передвижение отрицательных и положительных зарядов под действием электрического поля получило название электрического тока.

В зависимости от свойства материалов проводить электрический ток их делят на:

Полупроводники.

Свойства проводников

Проводники отличаются хорошей электропроводностью . Это связано с наличием у них большого количества свободных электронов не принадлежащих конкретно ни одному из атомов, которые под действием электрического поля могут свободно перемещаться.

Большинство проводников имеют малое удельное сопротивление и проводят электрический ток с очень небольшими потерями. В связи с тем, что идеально чистых по химическому составу элементов в природе не существует, любой материал в своем составе содержит примеси. Примеси в проводниках занимают места в кристаллической решетке и, как правило, препятствуют прохождению свободных электронов под действием приложенного напряжения.

Примеси ухудшают свойства проводника. Чем больше примесей, тем сильнее они влияю на параметры проводимости.

Хорошими проводниками с малым удельным сопротивлением являются такие материалы:

Золото.
Серебро.
Медь.
Алюминий.
Железо.

Золото и серебро – хорошие проводники, но из-за высокой стоимости применяются там, где необходимо получить хорошие качественные проводники с малым объемом. Это в основном электронные схемы, микросхемы, проводники высокочастотных устройств у которых сам проводник изготовлен из дешевого материала (медь), который сверху покрыт тонким слоем серебра или золота. Это дает возможности при минимальном расходе драгоценного металла хорошие частотные характеристики проводника.

Медь и алюминий — более дешевые металлы. При незначительном снижении характеристик этих материалов, их цена на порядки ниже, что дает возможность для их массового применения. Применяют в электронике, в электротехнике. В электронике – это дорожки печатных плат, ножки радиоэлементов, радиаторы и др. В электротехнике очень широко применяется в обмотках двигателей, для прокладки электрических сетей высокого и низкого напряжения, разводку электричества в квартирах, домах, в транспорте.

Параметр проводимости очень сильно зависит от температуры самого материала. При увеличении температуры кристалла, колебания электронов в кристаллической решетке увеличивается, препятствуя свободному прохождению свободных электронов. При снижении – наоборот, сопротивление уменьшается и при некотором значении близком к абсолютному нулю, сопротивление становится нулевым и возникает эффект сверхпроводимости.

Свойства диэлектриков

Диэлектрики в своей кристаллической решетке содержат очень мало свободных электронов , способных переносить заряде под действием электрического поля. В связи с этим при создании разности потенциалов на диэлектрике, ток, проходящий через него такой незначительный, что считается равным нулю — диэлектрик не проводит электрический ток. Наряду с этим, примеси, содержащиеся в любом диэлектрике, как правило, ухудшают его диэлектрические свойства. Ток, проходящий через диэлектрик под действием приложенного напряжения в основном определяется количеством примесей.

Наибольшее распространение диэлектрики получили в электротехнике там, где необходимо защитить обслуживающий персонал от вредного воздействия электрического тока. Это изолирующие ручки разных приборов, устройств измерительной техники. В электронике – прокладки конденсаторов, изоляция проводов, диэлектрические прокладки необходимые для теплоотвода активных элементов, корпуса приборов.

Полупроводники – материалы, которые проводят электричество при определенных условиях, в другом случае ведут себя как диэлектрики.

Таблица: чем отличаются проводники и диэлектрики?

		Диэлектрик
Наличие свободных электронов	Присутствуют в большом количестве	Отсутствуют, или присутствуют, но очень мало
Способность материалов проводить электрический ток	Хорошо проводит	Не проводит, или ток незначительно мал
Что происходит при увеличении приложенного напряжение	Ток, проходящий через проводник, увеличивается согласно закону Ома	Ток, проходящий через диэлектрик изменяется незначительно и, при достижения определенного значения, происходит электрический пробой
Материалы	Золото, серебро, медь и ее сплавы, алюминий и сплавы, железо и другие	Эбонит, фторопласт, резина, слюда, различные пластмассы, полиэтилен и другие материалы
Сопротивление	от 10 -5 до 10 -8 степени Ом/м	10 10 – 10 16 Ом/м
Влияние посторонних примесей на сопротивление материала	Примеси ухудшают свойство проводимости материала, что ухудшает его свойства	Примеси улучшают проводимость материала, что ухудшает его свойства
Изменение свойств при изменении температуры окружающей среды	При увеличении температуры – сопротивление увеличивается, при снижении – уменьшается. При очень низких температурах – сверхпроводимость.	При увеличении температуры – сопротивление уменьшается.

Твёрдые тела — это металлы, полупроводники и диэлектрики. Они отличаются друг от друга по своим электронным свойствам. Электропроводность твёрдых тел определяется свойствами электронов.

Определение

Полупроводники относятся к металлам, к твердым телам. К их числу принадлежат германий, кремний, мышьяк и др., а также различные сплавы и химические соединения.

Металлы — это твердые тела, которые имеют определенную структуру.

Сравнение

Рассмотрим, как возникает электрический ток в полупроводниках. У атомов германия на внешней оболочке находятся четыре слабо связанных валентных электрона. В кристаллической решетке около каждого атома находятся еще четыре. Атомы в кристалле полупроводника связаны парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам. Если происходит повышение температуры, какая-то часть валентных электронов получит энергию, которая достаточна для разрыва ковалентных связей. В кристалле появятся свободные электроны, называемые электронами проводимости. Одновременно на месте ушедших электронов образуются вакансии, дырки. Вакантное место могут занять валентные электроны соседней пары, тогда дырка будет на новом месте в кристалле. При определенной температуре в полупроводнике существует определенное количество электронно-дырочных пар. Свободный электрон, встречаясь с дыркой, восстанавливает электронную связь. Дырки похожи на положительно заряженные частицы. Если электрического поля нет, дырки и электроны проводимости движутся хаотично. Если полупроводник поместим в электрическое поле, то дырки и свободные электроны начнут двигаться упорядоченно. Поэтому ток в полупроводнике складывается из электронного и дырочного токов. Количество носителей свободного заряда меняется, не остается постоянным и зависит от температуры. При ее увеличении сопротивление полупроводников возрастает.

Металлы имеют кристаллическую структуру. Они состоят из молекул и атомов, которые занимают определённое, упорядоченное положение. Металл представляется в виде кристаллической решетки, в узлах которой находятся атомы, или ионы, или молекулы, которые колеблются около своего местоположения. Между ними в пространстве находятся свободные электроны, которые хаотично движутся в разных направлениях. Но при появлении электрического поля они начинают двигаться упорядоченно в сторону положительного полюса, в металлах появляется электрический ток. Количество электронов постоянное. При понижении температуры скорость движения электронов замедляется, сопротивление металлов падает.

Выводы сайт

Полупроводники отличаются от металлов механизмом электрического тока.
Электрический ток в металлах — это направленное движение электронов.
У чистых полупроводников электронно-дырочный механизм проводимости.
Удельное сопротивление полупроводников и металлов зависит от температуры по-разному.

По электрическим свойствам материалы делятся на диэлектрики, проводники, полупроводники и сверхпроводники. Они отличаются друг от друга по величине удельного сопротивления, характеру изменения его в зависимости от температуры и механизму проводимости.

Диэлектрики. В отличие от металлов, кристаллы простых веществ, образованных неметаллами, обычно не обладают заметной электронной проводимостью; они представляют собой диэлектрики. Хотя в этом случае тоже возможно образование энергетических зон, но здесь зона проводимости отдельна от валентной зоны запрещённой зоной, т.е. значительным энергическим промежутком. Энергия слабого электрического поля оказывается недостаточной для преодоления этого промежутка, и электроны не переходят из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом, в изоляторах электроны не могут свободно перемещаться по кристаллу и служить переносчиками электрического тока. Вид химической связи в основном ионный или ковалентный. Свободные носители заряда отсутствуют. Между валентной зоной и зоной проводимостью находиться широкая запрещённая зона. Основные диэлектрики: соли, оксиды, стекло, полиэтилен, резина и др. Диэлектрики поляризуются в электрическом поле. Под действием электростатического поля положение и величина эффективных зарядов атомов диэлектрика изменяются, при этом внутри диэлектрика возникает собственное энергетическое поле, направленное противоположно к внешнему. Имеются также диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью. Это обусловлено наличием самопроизвольно поляризующихся областей.

Полупроводники. При нагревании они близки к проводникам, а при охлаждении к диэлектрикам. Из простых это P, I, B, Se. Также многие бинарные соединения ZnO, FeO. Зависимость электрических свойств от температуры и освещённости объясняется электронным строением их кристаллов. Здесь, как и у изоляторов, валентная зона отделена от зоны проводимости запрещённой зоной. Однако ширина запрещённой зоны, в случае полупроводников не велика. Поэтому при повышении температуры или освещённости электроны, занимающие верхние уровни валентной зоны, могут переходить в зону проводимости и участвовать в переносе электрического тока. С повышением освещённости или температуры число электронов, переходящих в зону проводимости, возрастает, в соответствии с этим увеличивается и электрическая проводимость полупроводника. В полупроводниках с ковалентной химической связью, появление электронов в зоне проводимости одновременно создаёт его вакансию в валентной зоне. Данная вакансия на конкретной молекулярной орбитали может заполняться электронами других занятых ближайших МО. Такой переход электронов внутри валентной зоне как бы создаёт движение вакансий с одного МО на другую МО. Поэтому электрический ток в полупроводнике определяется движением электронов в зоне проводимости и в валентной зоне. Полупроводники применяются в радиоэлектронике.

Проводники. С повышением температуры они увеличивают свою проводимость. Носителями заряда служат электроны. Валентная зона и зона проводимости электронной структуры пересекаются. Это позволяет электронам из валентной зоны при небольшом возбуждении переходить на молекулярные орбитали зоны проводимости, а это значит, что электрон с другой вероятностью появляется в той или иной точке компактного металла. Проводники используются для передачи электроэнергии. Среди проводников выделяются: металлы (Al, Cu, Fe) и сплавы высокой проводимостью (латунный, бронзовый, алюминиевый).

Особенности хим.связи в металлическом и атомном кристалле. По прочности металлическая решётка находиться между атомными и молекулярными металлическими решётками. Это связано с тем, что металлической связи характерны черты ковалентной связи и отдельные черты дальнодействующей связи. Металлическая решётка бывает и малопрочная (ртуть). Упрощенно металлическая решетка представляется в виде положительно заряженных ионов, располагающихся в узлах ее, и электронов, двигающихся между ними. Атомы металлов, с характерным для них дефицитом валентных электронов, должны иметь как можно больше соседних атомов, чтобы этот дефицит компенсировать за счет электронов соседей. Кристаллическое состояние вещества. Существуют вещества, в кристаллах которых значительную роль играют несколько видов взаимодействия между частицами. Так, в графите атомы углерода связаны друг с другом в одних направлениях ковалентнымй связями локализованного и делокализованного характера, а в других - межмолекулярной связью. Поэтому решетку графита можно рассматривать и как атомную, и как металлическую, и как молекулярную. В узлах атомных решеток находятся атомы; они связаны друг с другом ковалентной связью. Веществ, обладающих атомными решетками, сравнительно мало. К ним принадлежат алмаз, кремний и некоторые неорганические соединения. Эти вещества характеризуются высокой твердостью (алмаз). Они тугоплавкие и практически не растворимы. Такие из свойст обусловлены прочностью ковалентной связи.

Чистые i - полупроводники практически не используют. В них специально вводят атомы других элементов (примеси) трехвалентных (алюминий, галлий, индий, бор) или пятивалентных (мышьяк, фосфор, сурьма) элементов или их соединений. При этом на 107…108 атомов i - полупроводника вводят один атом примеси. Атомы пятивалентной примеси называются донорами: они увеличивают число свободных электронов. Каждый атом такой примеси добавляет один лишний электрон. При этом лишних дырок не образуется. Примесный атом в структуре полупроводника превращается в неподвижный положительно заряженный ион. Проводимость полупроводника теперь будет определяться в основном числом свободных электронов примеси. В целом такой тип проводимости называют проводимостью n–типа, а сам полупроводник – полупроводником n–типа.

При введении трехвалентной примеси одна из валентных связей полупроводника оказывается незаполненной, что эквивалентно образованию дырки и неподвижного отрицательно заряженного иона примеси. Таким образом, в этом случае увеличивается концентрация дырок. Примеси такого типа называются акцепторами, а проводимость, обусловленная введением акцепторной примеси, называют проводимостью р–типа. Полупроводник данного вида называют полупроводником р–типа.

Преобладающие носители заряда в полупроводнике называются основными. Так в полупроводнике n–типа основными носителями являются электроны, а неосновными – дырки, а в полупроводнике р–типа основными носителями являются дырки, а неосновными – электроны. Как видим, в отличие от проводимости проводников, в которых ток обусловлен направленным движением только электронов, в полупроводниках ток может быть обусловлен двумя типами носителей – электронами и дырками.

22.Энтропия и ее изменение при химических реакциях.

Мера вероятности состояния системы принятых называть - Энтропия(S)- величина пропорциональная log числа равновероятных микросостояний которыми может быть реализовано данное макросостояние(Т,Р,V). Энтропия имеет размерность энергии, деленной на температуру. Выражают в [ДЖ/моль*кельвин]. S возрастает при переходе в-ва из кристаллического состояния в жидкое и из жидкого в газообразное, при растворении кристалло, при расширении шазов, при хим.взаимодействиях, приводящих к увеличению числа частиц, и прежде всего частиц в газообразном состоянии. Напротив, все процессы в результате которых упорядоченность системы возрастает(конденсация, полимеризация, сжатие, уменьшения числа частиц), сопровождаются уменьшением энтропии.

23.Энергия Гиббса. Условия самопроизвольного протекания химических процессов.

Энергия Гиббса(G)- называемая также изобарно-термическим потенциалом или свободной порцией при постоянном давлении. G связана с H,S,T: G=H-TS. Если реакция осуществляется при постоянных P и Т, то ∆ G= ∆ H-T ∆ S. При постоянстве температуры и давления хим.реакции могут самопроизвольно протекать только в таком направлении, при котором энергия Гиббса системы уменьшается. При низких температурах самопроизвольно могут протекать экзотермические реакции, а при высоких – рекции сопровождающиеся влечение энтропии.

24.Предмет химической кинетики. Скорость химических реакций и факторы, влияющие на нее при гомогенных и гетерогенных процессах.

Хим.кинетика- раздел химии изучающий скорости хим.реакций. Скорость хим.реакции измеряется количеством в-ва, вступившего в реакцию или образующегося в результате реакции в единицу времени в единице объема системы(для гомогенной реакции) или на единице площади поверхности раздела фаз(для гетерогенной реакции). В случае гомогенного процесса протекающего при постоянном объеме, скорость гомогенной реакции измеряется изменением концентрации какого-либо из реагирующих в-в за единицу времени. Скорость реакции зависит от природы реагирующих в-в их концентрации, температуры и от присутствия в системе катализаторов. Влияние температуры. Зависимость скорости реакции от температуры определяется константой скорости. Правило Вант-Гоффа: при повышении температуры скорость большинства химических реакций возрастает в 2-4 раза при нагревании на каждые 10 градусов. V(T 2)/V(T 1)=y (T2-T1)|10

25.Влияние концентрации на скорость химической реакции. Закон действующих масс.

Закон действующих масс(основной закон химической кинетики): при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. A+2BàAB 2 u=k[A][B][B]=k[A][B] 2 , где k-константа скорости реакции, значение которой зависит от природы реагирующих вещ-в. При гетерогенных реакциях концентрации веществ, находящихся в твердой фазе, обычно не изменяются в ходе реакции и поэтому не включаются в уравнение закона действия масс. CaCO 3 (к.)àCaO(к.)+CO 2 (г.) u=k,т.е u=const,т.к. CaCo 3 – твердо в-во.

Билет №26 Энергия Активации. Влиян. Т на V

Энергия активации- некоторая избыточная энергия (по сравнению со средней энергией молекул при данной температуре), которой должны обладать молекулы для того, чтобы их столкновение было эффективным, т.е привело к образованию нового в-ва. С ростом температуры число активных молекул быстро увеличивается, что приводит к резкому возрастанию скорости реакции. ((Уравнение Аррениуса: k=ZPe - E a /RT, Z-число столкновений молекул в секунду в единице объема; e=2, 718..; R-универсальная газовая постоянная = 8,314 Дж/моль*К; Т- температура, К; Р- так называемый стерический множитель.))

26.Энергия активации. Влияние температуры на скорость химической реакции.

положительным , а во втором - отрицательным.

27.Энергия активации. Представление о катализе. Катализаторы и ингибиторы

Энергия активации- некоторая избыточная энергия (по сравнению со средней энергией молекул при данной температуре), которой должны обладать молекулы для того, чтобы их столкновение было эффективным, т.е привело к образованию нового в-ва. Катализатор – в-во, не расходующееся в результате протекания реакции, но влияющее на ее скорость. Катализ – явление изменения скорости реакции под действием таких веществ. Бывают катализаторы как ускоряющие протекание реакции, так и замедляющие ее. В первом случае катализ называется положительным , а во втором - отрицательным.

Ингибиторы- катализаторы, уменьшающие скорость реакции.

28. Реакции простые и сложные. Лимитирующая стадия химического процесса.

Простые: происх. между простыми в-ми. Сложные: между сложными. Большинство химических реакций идут не в одну стадию, но и одностадийная реакция может кинетически осложняться, если она обратима. К кинетически сложным реакциям относят также последовательные(Последовательными называют реакции с промежуточными стадиями, когда продукт предыдущей стадии служит исходным веществом для последующей При k 1 >> k 2 все исходное вещество может превратиться в промежуточный продукт В, прежде чем начнется вторая реакция. Скорость всей реакции определяется второй стадией. При k 1 << k 2 концентрация промежуточного продукта мала, поскольку он не успевает накапливаться; эта стадия определяет скорость реакции в целом. Таким образом, скорость определяется самой медленной стадией (принцип лимитирующей стадии)). параллельные(Реакции, в которых исходные вещества способны образовывать разные продукты реакции или одно вещество одновременно способно реагировать с несколькими веществами, называются параллельными.), цепные(К цепным реакциям относят реакции, протекающие с образованием свободных радикалов, способных превращать реагенты в конечные продукты, поддерживая постоянство свободных радикалов или даже увеличивая их (разветвленная цепная реакция). Стадия определяющая скорость протекания реакции – есть лимитирующая стадия.

29.Константа равновесия. Возможность смещения равновесия химической реакции в прямом и обратном направлениях. Принцип Ле-Шателье.

Константа равновесия: величина с помощью которой описывается равновесие между веществами в растворе, преимущественно между газами и жидкостями. Зависит только от температуры. Равновесный закон действующих масс: отношения произведения молярных концентраций продуктов к произведению молярных концентраций реагентов взятых в степенях равных стехиометрическим коэффициентам есть величина постоянная при данной температуре =Kр [C]с[D]d/[A]a[B]b=K. Процесс изменения концентраций, вызванный нарушением равновесия, называется смещением или сдвигом равновесия. При увеличении концентрации одного из веществ равновесие смещается в сторону расхода этого вещ-ва. При увеличении давления равновесие сдвигается в сторону уменьшения числа молекул газов т.е. в сторону понижения давления. При повышении температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции. Принцип Ле-Шателье: Если на систему, находящуюся в равновесии, оказать какое либо воздействие, то в результате протекающих в ней процессов равновесие сместится в таком направлении, которое уменьшит указанное воздействие.

30.Область жидкого состояния вещества. Диаграмма состояния воды.

Жидкостью называется физическое тело, обладающее двумя отличительными особенностями: незначительным изменением своего объема под действием больших внешних сил и текучестью, то есть изменением своей формы под действием даже незначительных внешних сил. Плотность жидкостей уменьшается с увеличением температуры. Исключение представляет вода в диапазоне температур от 0 до 4 0 С, когда ее плотность увеличивается, достигая наибольшего значения при температуре 4 0 С r = 1000 кг/м 3 . Диаграмма состояния воды показывает графическое изображение зависимости между величинами, характеризующими состояние системы и фазовыми превращениями в системе.

31.Способы выражения количественного состава растворов: массовая, объемная и мольная доли. Массовая, молярная и нормальная концентрации, моляльность.

Растворы – это гомогенные (однофазные) системы переменного состава, состоящие из двух или более веществ (компонентов). Раствор находящийся в равновесии с растворяющимся веществом называется насыщенным. Раствор с низким содержанием растворённых веществ- разбавленный, наоборот-концентрированный. Способы выражения: 1. Массовая доля: отношение массы растворённого вещества к массе раствора. 2. Мольная доля: отношение кол-ва растворённого вещ-ва к сумме кол-в всех веществ составляющих раствор. N=n2\(n1+n2) 3. Молярность(Cm): отношение кол-ва вещ-ва к объёму раствора. 4. Моляльность(m): отношение кол-ва вещ-ва к массе р-ля. 5. Эквивалентная или нормальная конц-ия(Сн): отношение числа эквивалентов к объёму раствора. V1\V2=N2\N1 Объёмы растворов реагирующих веществ обратно пропорциональны их нормальностям. Объемная доля растворенного в-ва представляет собой отношение объема компонента, содержащегося в системе, к общему объему системы(ф=V(растворен)/V(раствора)*100%).

32.Растворы. Тепловые эффекты при растворении.

Раствор- гомогенная система которая состоит по крайней мере из 2 веществ, одно из которых находится в избытке. Растворение похоже на хим. Реакцию но состав раствора может изменятся в широких пределах. Кроме того в свойствах растворов обнаруживаются свойства отдельных компонентов. Таким образом раствор занимает промежуточную стадию между хим. Соед. И механическими смесями. В зависимости от размера частиц подразделяются на: Истинные (частицы-молекулы, ионы <10 -7) коллоидные (макромолекулы, ионные пары, атомы металлов10 -7 10 -5). Термодинамические факторы процесса растворения: Большинство веществ растворяются в жидкости с поглощением теплоты, но это не всегда так. Кол-во теплоты, поглощающейся(или выделяющейся) при растворении одного моля вещества, называется теплотой растворения этого вещества. При растворении энергия затрачивается на разрушение кристаллов растр. В-ва т.е. происходит поглощение энергии, если этого не наблюдается значит между растворителем и растр. В-ом происходит химическое взаимодействие. Такие соединения – сольваты. Растворимость твёрдых веществ повышается с увеличением Т, газов - наоборот.

33.Растворимость. Коэффициент растворимости. Селективные растворители и их использование в процессах осушки и очистки природных газов.

Растворимость-способность в-ва растворятся в том или ином растворителе. Мерой растворимости в-ва при данных условиях служит содержание его в насыщенных растворах.; равновесная концентрация растворённого в-ва в его насыщенном растворе. Если в 100г. Воды раствор. Более 10г. В-ва –хорошо растворимое. Число единиц массы безводного в-ва насыщающего при НУ 100г. Единиц массы р-ля – есть коэффициент растворимости. Температура при которой ограниченная растворимость становится неограниченной называется критической температурой растворения Селективный растворитель: Диметилформамид Основные промышленные применения

34.Представление об идеальных растворах. Влияние концентрации растворенного вещества на давление насыщенного пара раствора, его температуру кипения и кристаллизации (закон Рауля и следствия из него).

Идеальный раствор

Закон Рауля: Относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно мольной доле растворённого вещества. (Po-P)/Po=N Второй закон Рауля– понижение температуры кипения и повышение температуры замерзания раствора прямо пропорционально молярной концентрации раствора.

35.Явление электролитической диссоциации. Степень диссоциации. Классификация электролитов по степени диссоциации. Сильные и слабые электролиты.

Явление электролитической диссоциации: при растворении соли в воде ионы, образующие данный электролит, под действием полярных молекул воды отрываются друг от друга и перераспределяются м/у молекулами растворителя. Степень диссоциации- это отношение числа молекул, распавшихся на ионы, к общему числу растворенных молекул. Чем более полярен растворитель, тем больше степень диссоциации в нем данного электролита. Электролиты, степень диссоциации которых даже в относительно концентрированных растворах велика(à1), называют сильными(почти все соли, мин.соли: H 2 SO 4 , HNO 3 , HI, HMnO 4 ; основания щел и щел-зем металлов), а электролиты, степень диссоциации которых даже в разбавленных растворах мала,-слабыми(Почти все орг. кислоты, некоторые мин.кислоты: H 2 CO 3 , H 2 S, многие гидрооксиды металлов).

36.Электролитическая диссоциация. Факторы, влияющие на диссоциацию электролитов. Слабые электролиты. Константа диссоциации слабых электролитов.

Электролитическая диссоциация- самопроизвольный процесс распада электролита в растворе с образованием положительно и отрицательно заряженных ионов, или соответственно катионов и анионов. 1)Чем более полярен растворитель, тем больше степень диссоциации в нем данного электролита. 2)повышение температуры, как правило, увеличивает диссоциацию и при нагревании степень диссоциации возрастает. 3)при уменьшении концентрации электролита, т.е. при его разбавлении, степень дисс. увеличивается. Электролиты, степень диссоциации которых даже в разбавленных растворах мала,- слабые(Почти все орг. кислоты, некоторые мин.кислоты: H 2 CO 3 , H 2 S, многие гидрооксиды металлов). Константа диссоциации сл.электролитов- это отношение произведения концентраций продуктов реакции к концентрации реагентов.

37.Диссоциация слабых электролитов. Количественные характеристики процесса диссоциации: степень и константа диссоциации. Закон разбавления Освальда.

Константа диссоциации сл.электролитов- это отношение произведения концентраций продуктов реакции к концентрации реагентов. Константа диссоциации – константа равновесия отвечающая диссоциации слабого электролита. Зависит от природы электролита и растворителя, температуры но не зависит от концентрации. Характеризует способность данного в-ва распадаться на ионы. Чем больше К тем лучше в-во диссоциирует. Кислоты и основания диссоциируют ступенчато. Каждая ступень диссоциации характеризуется своей константой. Так, трехосновная ортофосфорная кислота H 3 PO 4 диссоциирует следующим образом….Константа равновесия K р этой реакции и есть K д: Kp=/Если выразить равновесные концентрации через концентрацию слабого электролита C и его степень диссоциации α, то получим Kд=(C*a*C*a)/C(1-a)=(C*a 2)/(1-a). Это соотношение называют законом разбавления Оствальда. Для очень слабых электролитов при α << 1 это уравнение упрощается:. Kд=(C*a 2)

38.Диссоциация воды. Понятие «водородный показатель». Кислые и щелочные среды. Понятие о кислотно-основных индикаторах.

Вода достаточно плохо диссоциирует. Но всё же обладает измеримой проводимостью. Вода диссоциирует на катионы водорода и анионы гидроксила. Так как степень диссоциации воды крайне мала то концентрация недиссоциированных молекул H2O в воде практически равна общей концентрации воды. Для воды и разбавленных водных растворов при неизменной температуре произведение ионов водорода и гидроксил -ионов есть величина постоянная = ионное произведение воды.=10 -14 . Растворы в которых концентрации ионов водорода = концентрации ионов гидроксила называются нейтральными(=10 -7). Если водорода больше(>10 -7) то кислый, если гидроксила(<10 -7) то основной но произведение ВСЕГДА остаётся постоянным. Кислотность или щелочность среды выражается водородным показателем pH=-lg Методы измерения: колориметрический и потенциометрический.

39.Диссоциация сильных электролитов. Активность ионов в растворах. Коэффициент активности. Представление о ионной силе раствора.

В водных растворах сильные электролиты полностью диссоциируют. Поэтому число ионов в них больше чем в слабых при той же концентрации. Принципиальное отличие сильных электролитов от слабых состоит в том, что равновесие диссоциации сильных электролитов полностью смещено вправо:H 2 SO 4 >H + +HSO 4 - Каждый ион окружен оболочкой из ионов противоположного знака. В свою очередь, каждый из этих ионов сольватирован. Это окружение называется ионной атмосферой. Активность иона – его условная эффективная концентрация соответственно которой он действует в хим. реакциях. A=Ci*f где f-коэффицент активности различный для разных ионов зависит от условий и концетрации. В конц. р-рах f<1 а с разбавлением стремится к 1. В разбавленных растворах коэф. акт. данного иона зависит лишь от ионной силы и его заряда. Где ионная сила раствора есть полусумма произведений концентраций всех находящихся в растворе ионов на квадрат их заряда. L=1/2*(C 1 z 1 2 +C 2 z 2 2 +…).

40.Кислоты и основания. Основные положения теории кислот и оснований Аррениуса, Бренстеда-Лоури, Льюиса

Теория кислот и оснований Аррениуса (1887). Теория о процессах диссоциации в водных растворах; в соответствии с ней кислоты представляют собой вещества, которые в водных растворах отдают положительные ионы водорода; основания представляют собой вещества, которые в водном растворе отдают отрицательные гидроксид-ионы. Кислота -> Анион (кислотный остаток) + Н + Основание -* Катион + ОН~ По Аррениусу между кислотой и основанием не существует функциональной связи. Только взаимодействие катионов водорода с гидроксид-ионами с образованием воды является по Аррениусу кислотно-основной реакцией: Н + + ОН - = Н 2 О Теория кислот и оснований Брёнстеда-Лоури (1923) Теория о процессах в водных и неводных растворах; кислоты являются частицами, которые способны отдавать протоны (доноры протонов); основаниями являются частицы, которые способны присоединять протоны (акцепторы протонов). Кислота (равносильно) Основание + Н + Для каждой кислоты существует сопряженное основание, которое имеет на один протон меньше (и наоборот). Каждая кислота и каждое основание, которые находятся в такой функциональной связи, являются сопряженной парой кислота/основание. Кислотная и основная функции частиц не зависят от их заряда. Кислоты: HCI, H 2 SO 4 NH + , H 3 0 + , НSО 4 . Основания: NH 3 , ОН", СО|-, СН 3 СОО-, + . Кислотно-основная реакция по Брёнстеду заключается в переносе протонов между двумя сопряженными парами кислот и оснований. HCI = Н + + CI-Н 2 0 + Н + = Н 3 О + HCI + Н 2 О= Н 3 О + + CI- Амфолиты представляют собой частицы, которые в зависимости от другого участника реакции функционируют как кислота или как основание. Н 2 0, НСО 3 , Н 2 РО 4 , НРО|-. Кислоты, основания и амфолиты называются протолитами. Теория кислот и оснований Льюиса (1923) Теория с расширением понятия кислот и оснований на основе электронной конфигурации; в соответствии с ней кислоты являются акцепторами электронной пары (электрофильные частицы с электронными вакансиями в их внешней электронной оболочке), основания являются донорами электронной пары (нуклеофильные частицы, в которых свободной является как минимум одна электронная пара). Кислоты: BF 3 , AICI 3 , H + , Cu 2+ . Основания: МН 3 , Н 2 О, ОН". Кислотно-основная реакция является взаимодействием кислоты Льюиса с основанием Льюиса с образованием аддукта Льюиса. BF 3 + NH 3 F 3 B -NH 3 Кислота Льюиса Основание Льюиса Аддукт Льюиса По Льюису кислотно-основными будут и реакции комплексообразования. Cu 2+ + 4NH 3 = 2+

41.Гидролиз. Общие закономерности гидролиза солей. Факторы, влияющие на процесс гидролиза. Гидролиз солей различной природы.

Гидролиз солей – процесс взаимодействия в-ва с водой, при котором составные части в-ва взаимодействуют с составными частями воды, образуя слабодиссоциирующие ионы или молекулы. При гидролизе происходит изменение реакции среды. Гидролизу подвергаются соединения различных классов. Гидролизу будут подвергаться соли, образованные: а)сл.основание и сильн.кислотой. б)сл.кислотой и силь.основание в)сл.кислотой и сл. основанием.; Соли образованные силь.основ и силь.кисл (NaCl ,NaNO 3). Гидролиз является процессом обратимым: чем слабее электролит, образующий соль, тем глубже протекает процесс гидролиза. Гидролиз протекает тем полнее, чем слабее электролит, образовавший соль, чем выше температура и чем больше разбавление раствора.

42.Количественные характеристики процесса гидролиза: степень и константа гидролиза. Напишите уравнения реакций гидролиза солей Al 2 (SO 4) 3 , Na 2 CO 3 , Сr 2 (СO 3) 3 , КNO 3 в молекулярной и ионно-молекулярной формах.

Степень гидролиза – доля в-ва подвергшееся гидролизу. Зависит: от константы равновесия, от температуры, от концентрации соли. Константа гидролиза – это отношение произведения концентраций кислоты и основания к концентрации образовавшейся соли. 1) Al 2 (SO 4) 3 +H 2 O=2AlOHSO 4 +H 2 SO 4 (сл. + сильн.)

2) Na 2 CO 3 +H 2 O=NaHCO 3 +NaOH (сильн. + сл.)

3) Cr 2 (CO 3) 3 +H 2 O=Cr(OH) 3 | - +H 2 CO 3 (сл. +сл.)

4)KNO 3 гидролизу не подвергается (сильн. + сильн.)

43.Равновесие в гетерогенных системах. Произведение растворимости. Условия образования и растворения осадков.

К равновесным системам следует отнести также и систему труднорастворимый электролит – его насыщенный раствор. В этом случае мы имеем дело с динамическим гетерогенным равновесием осадок-его насыщенный раствор. Например CaSO 4 =Ca 2+ +SO 4 2- Константа равновесия для этого процесса будет иметь вид: K=[ Ca 2+ ][ SO 4 2- ]\[ CaSO 4 ] но так как конц. тверд. соли есть Const, то Ур-е имеет вид K=[ Ca 2+ ][ SO 4 2- ] В насыщенном растворе электролита произведение концентраций его ионов есть величина постоянная при данной Т. И обозначается произведением растворимости (ПР). Характеризует количественно способность электролита растворяться. Численное значение находится исходя из растворимости. НО Произведение растворимости вычисленное без учёта коэффициентов растворимости является постоянной величиной только для малорастворимых электролитов. ПК – произведение концентраций ионов в степенях, соответствующих стехиометрическим коэффициентам для системы в неравновесном состоянии. Зная ПК и сравнив его с ПР, можно установить, растворится или выпадет осадок при данной температуре: если ПК = ПР, ΔG = 0 – система находится в состоянии равновесия (раствор насыщенный).Если ПК < ПР, ΔG < 0 – самопроизвольно протекает процесс растворения осадка. Если ПК > ПР, ΔG > 0 – возможен только обратный процесс – выпадение осадка.

44.Жесткость природных вод. Временная и постоянная жесткость. Способы устранения жесткости. Представление о системе водоподготовки.

Минералогический состав пресной воды определяет ее жесткость (устранимую и постоянную), что требует специальной обработки перед использованием в нагревательных системах для предотвращения образования накипи. Природная вода, содержащая большое количество растворенных солей кальция и магния, называется жесткой. Соли, обуславливающие жесткость воды, не являются вредными для здоровья человека. Но наличие в воде, предназначенной для питья, большого количества магния, например, не желательно, так как он ухудшает вкус воды. Выражается в (моль/литр) ранее выражалась в градусах жёсткости. Различают жесткость: общую, временную, постоянную, карбонатную и некарбонатную.Общей называется суммарная концентрация ионов Са 2+ ,Mg 2+ и Fe 2+ в воде, выраженная в мг-экв/л. Постоянной жесткостью называется часть общей жесткости воды, остающаяся после кипячения воды при атмосферном давлении в течение 1 часа. Временной жесткостью называется часть общей жесткости, удаляющаяся кипячением воды при атмосферном давлении в течение определенного времени. Она равна разности между общей и постоянной жесткостью. Способы устранения жесткости: кипячение и применение фильтров. Система водоподготовки: 1.Грубая очистка (отделение грубодисп. систем, осаждение катионов тяжёлых металлов, газообмен при помощи кислорода) 2. Тонкая очистка (фильтрование взвешенных веществ)3.адсорбция (удаление микрозагрязнений, Аренов и пахучих веществ)4.Дезинфекция (окисление микроорганизмов).

45.Окислительно-восстановительные реакции. Окисление и восстановление. Типичные окислители и восстановители.

Окислительно-восстановительные реакции – такие реакции, в результате которых изменяется степень окисленности одного из реагирующих в-в. Окислённость – неравномерность распределения электронов между атомами. Элемент атомы которого смещаются в сторону другого элемента – «+» Окислённость, Элемент, к атомам которого смещаются электроны – «-» окисленность. Окисление – отдача атомом электронов, сопровождающаяся повышением его степени окисленнности. Восстановление- присоединение атомом электронов, приводящее к понижению его степени окисленности. Вещество в состав которого входит окисляющийся элемент – восстановитель., а вещество, содержащее восстанавливающий элемент – окислитель. Типичные восстановители: активные металлы (щелочные и щелочноземельные, Zn, Al, Fe, и др. Me 0 –ne à Me + n), а также некоторые неметаллы, H 2 и C (в виде угля или кокса). Тип. окислители -типичные неметаллы (F 2 ,Cl 2 ,Br 2 ,I 2 , O 2), галогены, выступая в кач. окислителей, приобретают степень окисленности -1 (от F к I окислительные св-ва ослабевают).

46.Типы окислительно-восстановительных реакций. Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций методом электронного баланса. Приведите примеры реакций каждого типа.

Межмолекулярный тип реакции. Если окислитель и восстановитель находятся в молекулах различных в-в. (H 2 S +4 O 3 +H 2 S -2 =S 0 +H 2 O) Тип Диспропорционирования или самоокисления-самовосстановления. Когда окислитель и восстановитель представлены одним и тем же в-вом с одинаковой степенью окисления (таким двойственным св-вом обладают неметаллы, кроме F 2 и O 2). (Cl 2 0 +NaOHàNaCl - +NaCl +5 O 3 +H 2 O) Внутримолекулярный тип. Если в молекуле сложного в-ва содержатся атомы, один из которых явл. окислителем, другой – восстановителем.(N -3 H 4 N +3 O 2 àN 2 0 +H 2 O) Метод электронного баланса . Последовательность: 1. Составить схему реакции с указанием исходных и образ веществ, отметить элементы, изменяющие в результате реакции степень окисленности, найти окислитель и восстановитель. 2. Составить схемы полуреакций окисления и восстановления с указанием исходных и образующихся реально существующих в условиях реакции ионов и молекул. 3. Уравнять число атомов каждого элемента в левой и правой частях полуреакций; при этом следует помнит, что в водных растворах в реакциях могут участвовать молекулы H 2 O, ионы H + или ион ОН - . 4.Уравнять суммарное число зарядов в обеих частях каждой полуреакции; для этого прибавить к левой и правой частям полуреакции необходимое число электронов. 5. Подобрать множители (основные коэффициенты) для полуреакций так, чтобы число электронов, отдаваемых при окислении, было равно числу электронов, принимаемых при восстановлении. 6. Сложить уравнения полуреакций с учетом найденных основных коэффициентов. 7. Расставить коэффициенты в уравнении реакции.

47.Возникновение скачка потенциала на границе раздела металл/электролит. Стандартный электродный потенциал. Водородный электрод. Стандартный водородный электрод.

В силу того, что у атомов поверхности металлов валентные возможности реализованы не полностью, и на границе металл- электролит возникает промежуточная фаза, состоящая из гидратированных атомов металла. = +ne. Рано или поздно м/у анодным и катодным процессом установится равновесие. В силу стремления металла к окислению к моменту равновесия некоторое кол-во ионов металла остается в раст-ре электролита, а избыточное количество электронов - в металле. На границе раздела возникает скачок потенциала. Скачок потенциала, который возникает на границе раздела фаз, при переходе металла из вакуума в раствор электролита, наз. электродным потенциалом металла. Это – термодинамическая характеристика системы металл-электролит. Чем более активный металл, тем он больше стремиться к окислению, тем больше будет величина скачка потенциала на границе раздела фаз, тем более отрицательный электродный потенциал. Величину электродного потенциала измеряют путем сравнения: определяют разность потенциалов м/у рассматриваемой системой металл-электролит (рабочий электрод) и другой подобной рабочей системой, потенциал которой принят за ноль. Стандартным электродом сравнения является стандарт.(нормальн) водородный электрод – платиновая пластинка, электролитически покрытая губчатой платиной и погруженная в раствор кислоты, через который пропускается водород.. 2H + +2e=H 2 0 Потенциал металла, измеренный при стандартных условиях относительно стандартного водородного электрода сравнения наз. стандартным электродным потенциалом.

48.Ряд стандартных электродных потенциалов. Выводы из ряда стандартных электродных потенциалов.

Когда каждая реакция(окисл\восст) протекает в гальваническом элементе Или при электролизе то каждая реакция происходит на соотв. Электроде, то такие полу-реакции называются электродными процессами. Протекающей в гальваническом элементе о\в реакции соотв ЭДС этого элемента Е связанная с изменением энергии Гиббса dG=-zFE Величины каждой полу-реакции, разность которых составляет ЭДС – электродные потенциалы. E=f1-f2 Величина потенциала зависит от: 1.природы в-в 2.отношение между концентрациями 3. температуры f=f 0 +(2,3RT/)*lg где f 0 -станд электродный потенциал R-газовая постоянная Т- абсолютная температура z- число электронов F-постоянная Фарадея – произведения концентраций веществ участв в процессе в окисленной и восстановленной формах. Стандартный электродный потенциал при концентрациях равных единице. Для построения шкалы Эл. Потенциалов нулём была взята реакция 2H + +2e - =H 2 Стандартный потенциал данного процесса = 0. Все электродные потенциалы выражены в водородной шкале.

49.Гальванические элементы. Химические гальванические элементы. Анод и катод. Анодный и катодный процессы. ЭДС гальванического элемента.

Устройства, в которых энергия химической окислительно-восстановительной реакции превращается в электрическую энергию, называются источниками электрической энергии, или гальваническими элементами. Всякий гальван. элемент сост. из двух электродов – металлов, погруженных в растворы электролитов; последние сообщаются друг с другом – обычно через пористую перегородку. Переход Ме из кристалла в раствор электролита в виде гидротированных ионов с оставлением эквивалентного количества е в кристалле, называется анодным процессом - процесс окисления. Обратным анодному является катодный процесс – объединение каких-либо частиц среды с электронами металла, с восстановлением частиц на поверхности металла. Электродвижущая сила Е(э.д.с.)- максимальное напряжение гальванического элемента, отвечающего обратимому протеканию происходящей в нем реакции.

50.Обратимые и необратимые электроды. Уравнение Нернста. Концентрационный гальванический элемент. Анод и катод в концентрационном элементе.

В результате изучения потенциалов различных электродных процессов установлено, что их величины зависят от следующих факторов: 1) от природы веществ –участников электродного процесса. 2) от соотношения м/у концентрациями этих веществ 3) от температуры системы. Эта зависимость выражается уравнением Нернста (В. Нернст, 1889г.): ф=ф 0 +2,3RT/nF *lg(/). Ф 0 -стандартный электродный потенциал данного процесса – константа, физический смысл которой рассмотрен ниже; R-газовая постоянная; T- абсолютная температура; n- число электронов, принимающих участие в процессе; F- постоянная Фарадея (96500 Кл/моль); и - произведения концентраций в-в, участвующих в процессе в окисленной (Ох) и в восстановленной (Red) формах. Концентрационные элементы состоят из одинаковых электродов, отличающихся активностями потенциалопределяющего иона Действительно, из уравнения Нернста следует, что при ЭДС концентрационного элемента равна ЭДС этих элементов обычно очень мала. Концентрационные элементы используются при определении pH и концентраций труднорастворимых солей.

51.Явление поляризации. Поляризация анодная и катодная. Причины, вызывающие поляризацию электродов (концентрационная и активационная поляризации).

При смещении потенциала электрода в положительную или отрицательную сторону на нём начинает происходить окисление или восстановление. Такое явление смещения называется поляризацией. Иначе говоря поляризация позволяет управлять процессом электролиза и делать электроды анодами или катодами смотря к какому источнику подключать. Поляризация электрода в отрицательную сторону связана с процессом восстановления и наоборот. Процесс восстановления- катодный процесс, процесс окисления – анодный процесс. Чем сильнее поляризован электрод тем с большей скоростью идёт реакция. Величина поляризации необходимая для протекания данного электродного процесса с определённой скоростью называется перенапряжением данного электродного процесса.

52.Коррозия металлов. Классификация коррозионных процессов. Химическая и электрохимическая коррозия.

Коррозия- самопроизвольное разрушение металла, происходящего под хим. воздействием окруж. среды. Хим.коррозия- разрушение металла под действием окислителей окружающей среды, если среда не электропроводна. Электрохимическая коррозия. Возникает в хим. средах с ионной проводимостью при наличии контакта разнородных металлов за счет образования гальванических микроэлементов(Подводные части судов, паровые котлы).

53.Способы защиты металлов от коррозии. Химическая обработка среды.

Химическая обработка среды. Изменение св-в коррозионной среды пригодно для случаев, когда защищаемое изделие эксплуатируется в ограниченном объеме жидкости. Метод состоит в удалении из раствора, в котором эксплуатируется защищаемая деталь, растворенного кислорода(деаэрация) или в добавлении к этому раствору в-в, замедляющих коррозию, - ингибиторов. В зависимости от вида коррозии, природы металла и раствора применяются различные ингибиторы. При атмосферной коррозии применяют хорошо адсорбирующиеся на металле в-ва: моноэтаноламин, карбонат аммония. Уротропин, нитрит натрия. Для нейтральной коррозионной среды и растворов солей в качестве ингибиторов используют неорганические соли хромовых кислот, фосфорной, кремниевой, азотной и азотистой кислот. В кислых средах используют органические ингибиторы, содержащие атомы азота, серы, фосфора, кислорода и группировки атомов с насыщенными связями. Защитные действия ингибиторов обусловлено тем, что их молекулы или ионы адсорбируются на поверхности металла или каталитически снижают скорость коррозии, а некоторые из них(хроматы и дихроматы) переводят металл в пассивное состояние.

54.Способы защиты металлов от коррозии. Защитные покрытия.

Изменение коррозионных св-в металла достигается его легированием или нанесением на поверхность металла защитных покрытий. Из химически стойких сплавов наиболее широкое применение имеют нержавеющие стали, в состав которых входит до 18% хрома и до 10% никеля. Покрытия применяемые для защиты металлов подразделяются на металлические, неметаллические и образованные в результате химической или электрохимической обработки поверхности металла. В качестве металла для покрытия обычно применяют металлы, образующие на своей поверхности защитные плёнки(Cr, Ni, Zn, Cd, Al, Sn, реже Au, Ag). Неметаллические: лаки, краски, эмали. Фенолоформальдегидные и другие смолы. Для длительной защиты от атмосферной коррозии металлических сооружении, деталей, машин, приборов чеще всего применяются лакокрасочные покрытия. Покрытия создаваемые хим. и электрохим. обработкой металла представляют собой защитные оксидные и солевые плёнки. (оксидтрование Al, фосфатирование стальных изделий).

55.Способы защиты металлов от коррозии. Электрохимическая защита. Протекторная защита. Катодная защита.

К электрохимическим методам защиты металлов относятся катодная защита, протекторная защита и др. При катодной защите защищаемая конструкция или деталь присоединяется к отрицательному полюсу источника электрической энергии и становится катодом. В качестве анодов используются куски железа или специально изготовленные сплавы. При надлежащей силе тока в цепи на защищаемом изделии происходит восстановление окислителя, процесс же окисления претерпевает в-во анода. Протекторная защита осуществляется присоединением к защищаемому металлу большого листа, изготовленного из другого, более активного металла – протектора. В качестве протектора при защите стальных изделий обычно применяют цинк или сплавы на основе магния. При хорошем контакте м/у металлами защищаемый металл(Fe) и металл протектора(напр Zn) оказывают друг на друга поляризующее действие. Согласно взаимному положению этих металлов в ряду напряжений, железе поляризуется катодно, а Zn- анодно. В результате этого, на железе идет процесс восстановления того окислителя, который присутствует в воде(обычно растворенный кислород), а Zn окисляется. И протекторы и катодная защита применимы в средах, хорошо проводящих электрический ток, например в морской воде. В частности, протекторы широко применяются для защиты подводных частей мрских судов.

57.Химическое взаимодействие металлов с растворами щелочей. Приведите примеры соответствующих уравнений реакций.

Взаимодействие Ме с растворами щелочей. Щелочами металлы окисляться не могут, так как щелочные металлы являются одними из наиболее сильных восстановителей. Поэтому их ионы одни из наиболее слабых окислителей и в водных р-рах практических свойств окислителя не проявляют. Однако в присутствии щелочей окисляющее действие воды может проявиться в большей мере, чем в их отсутствии. При окислении металлов водой образуются гидроксиды и водород. Если оксид и гидроксид относится к амфотерным соединениям, то они будут растворяться в щелочном р-ре. В результате пассивные в чистой воде металлы могут энергично взаимодействовать с растворами щелочей:

Zn+2HOH+2NaOH=Na 2 +H 2 | -

58.Химическое взаимодействие металлов с водой и с растворами солей. Объясните закономерности и приведите примеры соответствующих уравнений реакций.

Ca+2H 2 O=Ca(OH) 2 +H 2 | -

1. металлы более активные вытесняют менее активные из их солей Zn+CuSO 4 =ZnSO 4 +Cu

2. Взаимодействие металла с солями, дающими кислую реакцию среды засчет гидролиза металл., происходит также, как в растворе соответствующей к-ты, если металл, образующий соль, активнее растворяющего металла и кислорода.

Если соль не подвергается гидролизу или дает щелочную реакцию среды, то металл окисляется кислородом, растворенным в электролите. Fe в р-ре AlCl 3: AlCl 3 +2H 2 O=AlOHCl 2 +HCl 2Fe+2HCl=FeCl 2 +H 2 | -

Сопротивление проводников. Проводимость. Диэлектрики. Применение проводников и изоляторов. Полупроводники.

Физические вещества многообразны по своим электрическим свойствам. Наиболее обширные классы вещества составляют проводники и диэлектрики.

Проводники

Основная особенность проводников – наличие свободных носителей зарядов, которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему вещества.
Как правило, к таким веществам относятся растворы солей, расплавы, вода (кроме дистиллированной), влажная почва, тело человека и, конечно же, металлы.

Металлы считаются наиболее хорошими проводниками электрического заряда.
Есть также очень хорошие проводники, которые не являются металлами.
Среди таких проводников лучшим примером является углерод.
Все проводники обладают такими свойствами, как сопротивление и проводимость . Ввиду того, что электрические заряды, сталкиваясь с атомами или ионами вещества, преодолевают некоторое сопротивление своему движению в электрическом поле, принято говорить, что проводники обладают электрическим сопротивлением (R ).
Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью (G ).

G = 1/ R

То есть, проводимость – это свойство или способность проводника проводить электрический ток.
Нужно понимать, что хорошие проводники представляют собой очень малое сопротивление потоку электрических зарядов и, соответственно, имеют высокую проводимость . Чем лучше проводник, тем больше его проводимость. Например, проводник из меди имеет бо льшую проводимость, чем проводник из алюминия, а проводимость серебряного проводника выше, чем такого же проводника из меди.

Диэлектрики

В отличие от проводников , в диэлектриках при низких температурах нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

К диэлектрикам относятся , в первую очередь, газы, которые проводят электрические заряды очень плохо. А также стекло, фарфор, керамика, резина, картон, сухая древесина, различные пластмассы и смолы.

Предметы , изготовленные из диэлектриков, называют изоляторами. Надо отметить, что диэлектрические свойства изоляторов во многом зависят от состояния окружающей среды. Так, в условиях повышенной влажности (вода является хорошим проводником) некоторые диэлектрики могут частично терять свои диэлектрические свойства.

О применении проводников и изоляторов

Как проводники, так и изоляторы широко применяются в технике для решения различных технических задач.

К примеру , все электрические провода в доме выполнены из металла (чаще всего медь или алюминий). А оболочка этих проводов или вилка, которая включается в розетку, обязательно выполняются из различных полимеров, которые являются хорошими изоляторами и не пропускают электрические заряды.

Нужно отметить , что понятия «проводник» или «изолятор» не отражают качественных характеристик: характеристики этих материалов в действительности находятся в широком диапазоне – от очень хорошего до очень плохого.
Серебро, золото, платина являются очень хорошими проводниками, но это дорогие металлы, поэтому они используются только там, где цена менее важна по сравнению с функцией изделия (космос, оборонка).
Медь и алюминий также являются хорошими проводниками и в то же время недорогими, что и предопределило их повсеместное применение.
Вольфрам и молибден, напротив, являются плохими проводниками и по этой причине не могут использоваться в электрических схемах (будут нарушать работу схемы), но высокое сопротивление этих металлов в сочетании с тугоплавкостью предопределило их применение в лампах накаливания и высокотемпературных нагревательных элементах.

Изоляторы также есть очень хорошие, просто хорошие и плохие. Связано это с тем, что в реальных диэлектриках также есть свободные электроны, хотя их очень мало. Появление свободных зарядов даже в изоляторах обусловлено тепловыми колебаниями электронов: под воздействием высокой температуры некоторым электронам все-таки удается оторваться от ядра и изоляционные свойства диэлектрика при этом ухудшаются. В некоторых диэлектриках свободных электронов больше и качество изоляции у них, соответственно, хуже. Достаточно сравнить, например, керамику и картон.

Самым лучшим изолятором является идеальный вакуум, но он практически не достижим на Земле. Абсолютно чистая вода также будет отличным изолятором, но кто-нибудь видел ее в реальности? А вода с наличием каких-либо примесей уже является достаточно хорошим проводником.
Критерием качества изолятора является соответствие его функциям, которые он должен выполнять в данной схеме. Если диэлектрические свойства материала таковы, что любая утечка через него ничтожно мала (не влияет на работу схемы), то такой материал считается хорошим изолятором.

Полупроводники

Существуют вещества , которые по своей проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками.
Такие вещества называют полупроводниками . Они отличаются от проводников сильной зависимостью проводимости электрических зарядов от температуры, а также от концентрации примесей и могут иметь свойства, как проводников, так и диэлектриков.

В отличие от металлических проводников , у которых с ростом температуры проводимость уменьшается, у полупроводников проводимость растет с увеличением температуры, а сопротивление, как величина обратная проводимости - уменьшается.

При низких температурах сопротивление полупроводников, как видно из рис. 1 , стремится к бесконечности.
Это значит, что при температуре абсолютного нуля полупроводник не имеет свободных носителей в зоне проводимости и в отличие от проводников ведёт себя, как диэлектрик.
При увеличении температуры, а также при добавлении примесей (легировании) проводимость полупроводника растет и он приобретает свойства проводника.

Рис. 1 . Зависимость сопротивлений проводников и полупроводников от температуры

Что такое полупроводники и металлы

Полупроводники относятся к металлам, к твердым телам. К их числу принадлежат германий, кремний, мышьяк и др., а также различные сплавы и химические соединения.
Металлы — это твердые тела, которые имеют определенную структуру.

Сравнение полупроводников и металлов

В чем же разница между полупроводниками и металлами?
Полупроводники отличаются от металлов механизмом электрического тока.
Рассмотрим, как возникает электрический ток в полупроводниках.
У атомов германия на внешней оболочке находятся четыре слабо связанных валентных электрона. В кристаллической решетке около каждого атома находятся еще четыре. Атомы в кристалле полупроводника связаны парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам. Если происходит повышение температуры, какая-то часть валентных электронов получит энергию, которая достаточна для разрыва ковалентных связей. В кристалле появятся свободные электроны, называемые электронами проводимости. Одновременно на месте ушедших электронов образуются вакансии, дырки. Вакантное место могут занять валентные электроны соседней пары, тогда дырка будет на новом месте в кристалле. При определенной температуре в полупроводнике существует определенное количество электронно-дырочных пар. Свободный электрон, встречаясь с дыркой, восстанавливает электронную связь. Дырки похожи на положительно заряженные частицы. Если электрического поля нет, дырки и электроны проводимости движутся хаотично. Если полупроводник поместим в электрическое поле, то дырки и свободные электроны начнут двигаться упорядоченно. Поэтому ток в полупроводнике складывается из электронного и дырочного токов. Количество носителей свободного заряда меняется, не остается постоянным и зависит от температуры. При ее увеличении сопротивление полупроводников возрастает.
Металлы имеют кристаллическую структуру. Они состоят из молекул и атомов, которые занимают определённое, упорядоченное положение. Металл представляется в виде кристаллической решетки, в узлах которой находятся атомы, или ионы, или молекулы, которые колеблются около своего местоположения. Между ними в пространстве находятся свободные электроны, которые хаотично движутся в разных направлениях. Но при появлении электрического поля они начинают двигаться упорядоченно в сторону положительного полюса, в металлах появляется электрический ток. Количество электронов постоянное. При понижении температуры скорость движения электронов замедляется, сопротивление металлов падает.

ImGist определил, что отличие полупроводников от металлов заключается в следующем:

Полупроводники отличаются от металлов механизмом электрического тока.
Электрический ток в металлах — это направленное движение электронов.
У чистых полупроводников электронно-дырочный механизм проводимости.
Удельное сопротивление полупроводников и металлов зависит от температуры по-разному.