1.3: Деяка елементарна хімія, що стосується поверхні Землі

1.3.1. Атоми

Атоми є будівельними блоками речовини. Чи потрібно для вас визначати, що таке атом? Один із способів зробити це - сказати, що атом є найменшою одиницею речовини, яка відображає хімічні характеристики речовини, щодо його взаємодії з атомами інших видів матерії. Іншими словами, атоми є одиницями питання, які не можуть бути розділені далі, не втрачаючи хімічної поведінки питання, з точки зору зв'язку з іншими атомами з утворенням хімічних сполук. Якщо ви збираєтеся зрозуміти, чому різні види атомів зв'язуються між собою так, як вони утворюють важливі мінерали, ви повинні знати, що таке атоми і чому атоми різних хімічних елементів поводяться по-різному.

Найпростіший мультфільм для атома (рис. 1-15) має ряд електронів, що обертаються навколо ядра, що складається з тісно упакованих протонів і нейтронів.

Малюнок 1-15. Надзвичайно спрощений мультфільм атома.

Основні факти (не турбуйтеся про те, як ми їх знаємо, і не турбуйтеся про те, щоб запам'ятати їх для цілей іспиту):

• маса протона: 1,7 х 10-24 г
• маса нейтронів: 1,7 х 10-24 г
• маса електрона: близько 1/1840 вищевказаного електричного заряду на нейтроні: нуль
• електричний заряд на електроні (одна «одиниця» негативного заряду (можлива найменша кількість!)
• електричний заряд на протоні: одна «одиниця» позитивного заряду (прямо протилежна такому електрону)
• розмір атома: близько 10-10 м розмір ядра: близько 10-15 м

Відразу зверніть увагу, що для того, щоб атом був електрично нейтральним, він повинен мати однакову кількість протонів і електронів. Так ядро набагато важче електронної хмари навколо нього, але і набагато менше, в рази приблизно в 105 разів.

Який найкращий спосіб візуалізувати фактичний розмір атома? Подумайте про найдрібнішу частинку пилу, яку ви можете побачити неозброєним оком при найкращих умовах освітлення. Припустимо, що це одна сота частина міліметра, або 10-5 м Про те, скільки атомів розтягнуться на цій відстані? Див. Рисунок 1- 16 для обчислення.

Малюнок 1-16. Обчислення, щоб дати вам уявлення про те, наскільки великий атом.

Що таке електрони насправді, і які їх орбіти навколо ядра насправді схожі? Це складні питання, на які важко відповісти простим способом. Щоб отримати гарне уявлення, вам потрібно знати щось про квантову механіку, галузь фізики, яка виросла з перших десятиліть ХХ століття, яка займається поведінкою дуже дрібних частинок.

Частинки, які дуже малі і дуже швидко рухаються, поводяться так, як наш здоровий глузд не охоплює. Електрони - це не просто маленькі тверді сфери, як більярдні кулі або міні-планети; вони одночасно є частинками і маленькими пакетами хвиль, в тому, що певним чином вони поводяться як частинки, а іншими способами вони поводяться як хвилі. У цьому відношенні електрони так само, як світло, що також показує цю частинку-хвильову подвійність. Якщо це не має великого сенсу для вас, не турбуйтеся про це. Крім того, ми не маємо можливості дізнатися, де електрони знаходяться на своїх орбітах навколо ядра: все, що ми можемо сказати, це ймовірність того, що вони будуть знайдені в даному місці. Так що трохи краще сфотографувати атом як розмазане «хмару ймовірності» електронів навколо ядра (рис. 1-17), хоча навіть це все ще не дуже задовільно.

Малюнок 1-17. Атом, схематизований як змазана хмара ймовірності навколо ядра. Чим щільніше затінення, тим більше шансів знайти там електрон.

Але з урахуванням всього сказаного, щоб потрапити кудись вивчаючи мінерали, ми зробимо деякі спрощення щодо електронів і вважаємо їх «звичайними» маленькими частинками, що подорожують по «звичайних» маленьких орбітах навколо ядра.

1.3.2. Хімічні елементи

Існує багато різних видів атомів, залежно від кількості електронів, протонів та нейтронів в атомі. З точки зору хімічної поведінки атомів, що нас цікавить тут, важливим є кількість електронів (і однакова кількість протонів), тому що саме це визначає, як атомні зв'язки (або не вдається зв'язатися) з іншими атомами. Кожен відмітний вид атома, за кількістю електронів і протонів, який він має, називається хімічним елементом (або просто елементом).

Давайте досліджуємо будову та поведінку елементів, починаючи з найлегшого та найпростішого виду атома: водню. Ядро атома водню складається з одного протона, а електрично нейтральний атом має один електрон, що обертається навколо протонного ядра. Наступний найлегший і наступний найпростіший атом - гелій. Його ядро складається з двох протонів, а електрично нейтральний атом має два електрони, що обертаються навколо нього - і так далі. Таким чином ми можемо створити картину всіх елементів, додаючи один протон (і, отже, один електрон) одночасно - з деякими нейтронами, викинутими в ядро.

Малюнок 1-18. Перша частина періодичної таблиці елементів.

Малюнок 1-18 являє собою діаграму перших двадцяти або близько того елементів. Це охоплює більшість важливих елементів, які входять в найважливіші породоутворюючі мінерали. Чому я розташував елементи таким чином? Ви можете згадати з деякого курсу хімії, що це являє собою перші три рядки того, що називається періодичною таблицею елементів, плюс трохи четвертого ряду.

Ця групування елементів дуже тісно відповідає хімічній поведінці атомів цих елементів, коли мова йде про об'єднання або зв'язування з атомами інших елементів для утворення хімічних сполук. (Пам'ятайте, що мінерали - це всього лише хімічні сполуки.)

Такого роду угруповання (більш повна, ніж показано тут) вперше була сприйнята російським вченим Дмитром Менделєєвим в 1869 році. Його розуміння природи організації елементів з точки зору їх хімічної поведінки проклало шлях для людей після нього, щоб фактично відкрити нові елементи, передбачені його таблицею. Лише на початку 1900-х років, з появою квантової теорії матерії, люди зрозуміли, чому елементи розташовані таким чином.

Електрони присутні в атомах в групі орбіт, які називаються оболонками. Тобто електронні орбіти відбуваються групами. Заповнена оболонка (всі електронні орбіти повинні зайняті електронами) - це дуже стабільна конфігурація електронів - стабільна в тому сенсі, що електрони щільно пов'язані, і для її видалення потрібно багато енергії, а також атом не має тенденції брати на себе електрони, щоб спробувати заповнити оболонку. Елементи з електронними конфігураціями із заповненою оболонкою дуже інертні та майже повністю нереактивні.

Перша оболонка має позиції для двох електронів. Це відповідає першому рядку таблиці Менделєєва. Водень не має конфігурації заповненої оболонки, тому він входить у величезну кількість хімічних сполук у пошуках додаткового електрона, від якогось іншого атома, готового відмовитися від нього, щоб досягти конфігурації заповненої оболонки. А ось гелій, який має вже два електрони, є інертним газом. Друга оболонка містить вісім електронів, відповідних другому ряду таблиці Менделєєва. Неон має обидві перші дві оболонки заповнені і, як і гелій, є інертним газом. Третя оболонка також містить вісім електронів, і відповідає третьому ряду таблиці Менделєєва. Аргон - це інертний газ з усіма трьома першими оболонками заповненими.

1.3.3. Іони

Як щодо елементів з незаповненими оболонками? Існує сильна тенденція до того, що атом закінчується заповненою оболонкою, або віддаючи електрони (іншому атому), або приймаючи електрони, подаровані від іншого атома (або шляхом обміну електронами з іншим атомом; див. Нижче). Атоми, які досягли конфігурації заповненої оболонки шляхом відмови або прийняття електронів, називаються іонами. Характерна річ про іони - це те, що мають електричний заряд.

Ці елементи (біля лівої сторони таблиці Менделєєва), що мають лише кілька електронів у зовнішній оболонці, можуть бути досить легко позбавлені цих електронів, щоб мати конфігурацію заповненої оболонки. Прикладами є натрій (Na), магній (Mg), калій (K) та кальцій (Ca). Подібні іони мають позитивний заряд, тому що вони втратили електрони (які негативно заряджені).

Атом Na мінус 1 електрон → Na+ іон (одиночний позитивний заряд)

Атом Mg мінус 2 електрони → Mg2+ іон (подвійний позитивний заряд)

На малюнку 1-19 показані деякі приклади позитивно заряджених іонів.

Елементи, що знаходяться поблизу правого боку таблиці Менделєєва, з майже достатньою кількістю електронів у зовнішній оболонці для отримання конфігурації заповненої оболонки, можуть легко взяти на себе достатню кількість електронів для заповнення оболонки. Прикладами є кисень (O), фтор (F), сірка (S) та хлор (Cl). Подібні іони мають негативний заряд, тому що вони отримали електрони.

Атом Cl плюс 1 електрон → Cl- іон (одиночний негативний заряд)

Атом O плюс 2 електрони → O2- іон (подвійний негативний заряд)

На малюнку 1-20 показані деякі приклади негативно заряджених іонів.

Малюнок 1-19. Приклади позитивно заряджених іонів.

Малюнок 1-20 Приклади негативно заряджених іонів.

З причин, які нас тут не повинні стосуватися, позитивно заряджені іони називаються катіонами, а негативно заряджені іони називаються аніонами.

1.3.4. Іонні облігації

Всі ви знаєте, що існують такі речі, як електричні заряди, і що їх можна переміщати з місця на місце. (Подумайте про волосся та одяг у сухі дні. Або потрапити під покривало з синтетичного волокна в темний час доби, коли вологість низька, і проведіть руками по його поверхні, і спостерігайте за іскорами.) Бенджамін Франклін визнав, що можуть бути позитивні і негативні заряди (до речі, присвоєння «позитивного» і «негативного» є довільним) і що звинувачення одного і того ж знака відштовхують один одного і звинувачення протилежного знака притягують один одного. Це виражається законом Кулона, одним з основних законів фізики:

• Якщо Q1 і Q2 мають один і той же знак, F є відштовхуючим
• Якщо Q1 і Q2 мають протилежний знак, F привабливий

Все це стосується іонів! Два іони протилежного заряду можуть зв'язатися один з одним цією кулонівською силою притягання. Такий вид зв'язку називається іонним зв'язком. Більшість мінералів утримуються разом саме таким зв'язком. (Тепер ми отримуємо десь про основну природу мінералів.) Кристали, які скріплюються іонним зв'язком, називаються іонними кристалами.

1.3.5. Іонні кристали

Мінеральний галіт (NaCl, хлорид натрію, також відомий як кухонна сіль) є хорошим прикладом іонного кристалу, а також важливим породоутворюючим мінералом. Структура галіту включає в себе рівну кількість позитивних іонів (натрію) і негативних іонів (хлоридів), розташованих в кубічному масиві, кожен натрій оточений шістьма хлоридами, а кожен хлорид оточений шістьма натріями. (Див. Рис. 1-21.)

Подумайте про три взаємно перпендикулярні лінії, і уздовж кожної лінії відбувається регулярне чергування іонів натрію і хлориду. Якщо ви намалюєте лінії, що з'єднують всі шість хлоридів, які є найближчими сусідами до будь-якого даного натрію, ви отримаєте правильне геометричне тверде тіло, яке називається октаедр, що складається з восьми рівносторонніх трикутників. З цієї причини ми говоримо, що навколо натрію існує октаедрична координація хлоридів. Ви можете показати для себе, що те ж саме стосується шести найближчих сусідів натріїв навколо будь-якого даного хлориду.

Картинка на малюнку 1-21 в одному сенсі є підробкою, тому що з міркувань гарної видимості я намалював її занадто великим простором між сусідніми іонами. Щоб отримати «справжню» картину, ви повинні уявити, що всі сфери обох видів розширюються (таким чином, що відносні розміри двох видів залишаються однаковими), поки всі вони не контактують; мені важко зрозуміти.

Малюнок 1-21. Роздутий ескіз розташування іонів натрію (малих) і хлоридних іонів (великих) в структурі галіту.

Виявляється, відносні розміри іонів Na і Cl приблизно підходять для такого роду «кубічної» упаковки - саме в тому сенсі, що всі вони виявляються просто про дотик. Насправді, якби вони були різних відносних розмірів, упаковка вийшла б якимось іншим видом.

Подивіться на центральний натрій на малюнку. Найсильніші сили на нього привабливі, що чиниться шістьма найближчими сусідами, якими є хлориди. (Майте на увазі сильну, зворотно-квадратну залежність сили від відстані відриву в законі Кулона.) Наступні найсильніші сили - відразливі, чинилися його дванадцятьма найближчими сусідами, які є натріями. І так назовні. Структура любить формуватися, тому що загальна картина сил, підсумована над усіма іонами, поблизу і далеко, оточуючих цей іон приваблива. Інші структури з різними видами атомів, які можуть здатися нормальними на перший погляд, не утворюються, тому що загальна картина сил виходить відразливою. Щоб така конструкція трималася воєдино, вам доведеться глибоко стискати її з усіх боків.

Є ще два фактори, які визначають, чи утворюється даний мінерал (тобто стабільний) в даній ситуації:

• Всі атоми знаходяться в стані безперервного хитання, через їх теплової енергії. Тільки при абсолютному нулі припиняється весь рух. Це хитання може бути настільки сильним, що, хоча картина міжіонних сил приваблива, кристал розлітається через теплове похитування. Ось чому кристали (лід - повсякденний приклад) тануть при підвищенні температури.

• Чим більша концентрація іонів Na і Cl в середовищі, що оточує кристал, тим вище температура, при якій кристал плавиться, оскільки іони з оточення мають тенденцію дифузіюватися в кристал і утримувати його разом.

1.3.6. Ковалентні облігації

Існує ще один вид зв'язку, який особливо важливий у силікатних мінералах, називається ковалентним зв'язком. Це не так просто зрозуміти, ніж іонний зв'язок. Атоми можуть заповнювати свої електронні оболонки шляхом обміну електронами з іншими атомами.

Найпростіший приклад - зв'язок в молекулі Н2 (рис. 1-22). Це дуже схематично, і це не дає вам гарної картини, що обидва електрони обертаються навколо обох ядер. Це ніби кожне ядро отримує щось даремно. Малюнок 1-23 - трохи кращий спосіб погляду на нього, з точки зору форми електронної хмари.

Малюнок 1-22. Дуже схематичне зображення молекули водню.

Малюнок 1-23. Трохи кращий спосіб представлення молекули водню.

Коментарі:

• Ковалентні зв'язки (якщо вони сприятливі в першу чергу через електронно-орбітальних міркувань), як правило, виявляються між атомами елементів, які знаходяться в одному або майже однаковому положенні в таблиці Менделєєва, з точки зору стовпців.
• Багато зв'язків носять чисто іонний або чисто ковалентний характер, але багато носять проміжний характер: відбувається часткове поділ електронів, але щільність розподілу електронів зрушена так, що один компонент атома має тенденцію бути негативно зарядженим, а інший позитивно зарядженим. Це називається частковим іонним характером зв'язків.
• Ковалентні зв'язки за своєю суттю складніші для розуміння, ніж іонні зв'язки, і я був набагато більш поверхневим щодо них. Вони залежать від певних тонкощів структури електронної орбіти, які зрозумілі лише на основі квантової механіки. Ковалентні зв'язки насправді мають спрямовану властивість, яка регулюється природою розподілу електронів навколо атомів, а не просто упаковки геометрії, як у випадку іонних зв'язків. Це ніби атоми мали маленькі гачки на них у певних положеннях.

1.3.7. Тверді речовини, рідини та гази

Більшість хімічних сполук можуть існувати у всіх трьох різних агрегаційних станах - як тверда речовина, рідина або газ - залежно від температури та тиску. Це було відомо, звичайно, задовго до того, як молекулярна теорія матерії була розроблена в кінці вісімнадцятого століття - на початку дев'ятнадцятого століття. За останні сто п'ятдесят років великі зусилля пішли на розробку теорій обліку природи твердих речовин, рідин та газів на молекулярному рівні. (Тут я буду використовувати термін молекула для атомів, іонів або молекул без розбору.)

Ви, напевно, вже добре знаєте основні макроскопічні відмінності між газами, рідинами та твердими речовинами:

газ:

• має відносно низьку щільність

• не витримує прикладених зусиль зсуву без триваючої деформації

• розширюється, щоб намагатися рівномірно заповнити свій контейнер

рідина:

• має відносно високу щільність

• не витримує прикладених зусиль зсуву, не зазнаючи триваючої деформації

• підтримує певний об'єм в межах чітко визначеної обмежуючої поверхні 32

тверді:

• має відносно високу щільність

• витримує прикладені зусилля зсуву, не зазнаючи триваючої деформації

• підтримує певний об'єм в межах чітко визначеної обмежуючої поверхні

На більш фундаментальному рівні основна картина газу полягає в тому, що його складові молекули широко відокремлені щодо свого діаметра, за винятком випадкових близьких зустрічей, і рухаються вільними траєкторіями лише з випадковими зіткненнями зі стінками контейнера і один з одним. Якби ви могли якось подорожувати на молекулі газу, більшу частину часу ви мали б нудну їзду, тому що молекула перебувала б у стані рівномірного прямолінійного руху з постійною швидкістю, а сусідні молекули так далеко, вам доведеться використовувати бінокль, щоб побачити їх. Однак час від часу інша молекула або стіна контейнера спрямовувалися до вас, і ваша молекула пружно відскочить від зустрічі.

Цей стан руху, з його чітко визначеними пружними зіткненнями та незначними взаємними силами між молекулами тим часом, піддається успішному моделюванню газоподібного стану—особливо тому, що зіткнення чи взаємодія багатьох тіл (тобто три плюс) настільки рідкісні. Таке моделювання призвело до кінетичної теорії газів, за допомогою якої більшість властивостей газів можна враховувати або прогнозувати.

На іншому кінці лінії, на молекулярному рівні, тверде тіло характеризується фіксованим і впорядкованим положенням складових молекул, з упаковкою настільки близько, що між будь-якою даною молекулою і всіма її ближніми сусідами є сильні сили. При температурах вище абсолютного нуля молекули коливаються або вібрують різними способами щодо своїх фіксованих середніх позицій, але лише рідко молекули торгуються місцями у своєму впорядкованому розташуванні.

Якби ви могли зайняти одну з молекул у твердій структурі, ви б відчували себе так, ніби вас назавжди відправляли до одного з тих вібраційних масажних ліжок, які вони мали в мотелах, і якщо ви подивитеся на строго регулярний малюнок сусідніх молекул, що маячать поруч з вами, вони теж вібрують, але зберігаючи середні позиції надзвичайно довго, перш ніж торгувати місцями з сусідом. І у вас була б така ж картина, наскільки ви могли бачити через структуру.

Незважаючи на складність взаємних сил, впорядковане і постійне розташування в кристалічних твердих тілах дозволило успішно моделювати, і твердий стан до теперішнього часу добре вивчений.

Рідини, однак, представляють набагато більші проблеми, ніж гази та тверді речовини. Як і у випадку з твердими речовинами, молекули завжди досить близько один до одного, щоб вони чинили сильні сили один на одного, але ступінь впорядкування (або, точніше, шкала часу існування впорядкування) набагато менше, ніж для твердих тіл.

Якби ви займали молекулу в рідині, ваш вібраційний рух був би приблизно таким же, як коли ви були в твердому тілі, і ваші сусіди будуть маячити майже так само близько. Але розташування ваших сусідів залишиться незмінним лише на короткий час, а потім зміниться на якусь іншу домовленість поєднанням просто зміщення позиції та фактично торгових місць. Ви можете або не можете отримати відчуття регулярного розташування сусідів, але навіть якщо ви це зробили, ви не зможете слідувати цій регулярності дуже далеко назовні, і в будь-якому випадку це було б тимчасовим.

Розроблено різні види концептуальних моделей рідкого стану, частково геометричні та частково кінематичні. Ці моделі можна масажувати, подаючи якимось чином константи або параметри, які повинні йти разом з ними, передбачити властивості рідини. Жодна з цих моделей не наближається до обліку добре всіх важливих властивостей рідин. Тому знання рідкого стану ще далекі від досконалості.

1.3.8. Хімічні реакції

У випадку, якщо ваші знання хімії мізерні, ось деякі основні речі. Хімічні реакції, як Реакція 1 вище, - це процеси, за допомогою яких певні речовини реагують один з одним, утворюючи інші речовини. (Це включає ситуації, коли одна речовина зазнає змін, за допомогою яких вона перетворюється на одну або кілька різних речовин, або за допомогою яких дві або більше речовин перетворюються хімічно в одну речовину.) Початкові речовини називаються реагентами, а кінцевими - продуктами. Речовини, що беруть участь, можуть бути тверді речовини (кристалічні або аморфні), або іони або молекули, розчинені в рідкому середовищі, або навіть просто атоми і молекули газу.

Деталі хімічних реакцій включають зазвичай складні взаємодії між атомами, які складають речовини, що беруть участь, і вони не повинні стосуватися нас тут. Що стосується твердих речовин, ви можете думати з точки зору атомів реагентів, що відключаються від кристалічної структури реагенту (ів), а потім додаються до кристалічної структури продукту (ів). Або, у випадку розчинення твердої речовини в рідині, відбувається те, що іони або молекули твердої речовини відриваються від поверхні твердої речовини, щоб вільно бродити в розчині в рідині. Зворотною реакцією розчинення, подібної до такої, є додавання розчинених іонів або молекул на зростаючу поверхню твердої речовини шляхом видалення з розчину - процес, який називається опадами (не плутати з метеорологічним терміном, який використовується для рідкої або твердої води). частинки, що потрапляють через атмосферу).

У випадку розчинення або осадження, згаданого вище, насправді відбувається те, що іони або молекули постійно додаються і видаляються з твердої поверхні. Чи тверде тіло скорочується (розчинення) або зростає (осадження) залежить від відносних швидкостей видалення і додавання атомів або молекул.

Хімічні реакції можуть йти обома шляхами. Ось чому реакція 1, показана вище, має подвійну стрілку посередині. Якщо накачати концентрацію речовин на лівій стороні реакції, то проганяє реакцію в праву, виробляючи речовини з правого (тоді називаються продукти) за рахунок речовин зліва (тоді називаються реагентами). Але якщо замість цього ви накачуєте концентрацію речовин праворуч, це рухає реакцію вліво, і тоді вам доведеться використовувати терміни «реагент» та «продукт» у зворотному напрямку!

1.3.10. Окислення

Справа про окислення, і різниця між залізом у чорному стані і в стані заліза, швидше за все, буде для вас загадковим, якщо ви не маєте певної складності в хімії. Ось кілька довідкових матеріалів з таких питань. Ви, напевно, чули про окислення, і, можливо, ви також чули про зменшення. Ці два процеси йдуть рука об руку, і часто об'єднуються в термін окислювально-відновлювально-відновлювально-відновлювальні.

Багато хімічних реакцій, з якими ми маємо справу в і на землі, включають перенесення реальних ядер задіяних атомів. Розчинення та осадження розчинних солей, таких як NaCl, є хорошими прикладами. Великий і важливий клас хімічних реакцій, однак, передбачають тільки перенесення електронів. Це матеріал галузі хімії під назвою електрохімія. Практичне застосування електрохімії включає батареї, електричну виплавку руд та гальванічне покриття одного металу на інший.

Простий приклад повинен допомогти дати вам основну ідею. Припустимо, ви змішали водний розчин, який містить іони заліза, Fe3 +, і інший розчин, який містить іони олова, Sn2+. (Залізо може існувати в розчині як два види іонів, з різними електричними зарядами: іони заліза, Fe3 + та іони заліза, Fe2 +; олово може існувати в розчині як два види іонів також: іони олова, Sn4 + та олов'яні іони, Sn2 +). Якщо потім змішати два розчини разом, іони Fe3+забирають електрони від іонів Sn2+, і в процесі вони стають іонами Fe2+ і перетворюють іони Sn2+ в іони Sn4+. (Пам'ятайте, що за умовністю електрони мають одиницю негативного електричного заряду.)

Іони Fe 3 + вкрали електрони з іонів Sn 2 +. Чому? «Глибока» відповідь вимагатиме багато пояснень, але адекватна («дрібна») відповідь тут може полягати в тому, що деталі електронної структури двох видів іонів змушують це «хотіти» статися, і так це відбувається спонтанно. Хімічну реакцію можна записати, просто, як

2Фе3+ Сн2+ → 2Фе2+ + Сн4+

Реакція триває до тих пір, поки всі ті чи інші реагуючі іони не звикають.

Якщо ви склали два окремі водні розчини, один з яких містить іони Fe3+, а інший містить іони Sn2+, а потім з'єднали їх провідним проводом, електрони перетікали б від одного з іонами Sn2+ до того, що містить іони Fe3 +, щоб реакція відбулася, хоча два види іонів є не в контакті! Потім ви могли виміряти напругу на дроті, на початку процесу. Напруга - це міра того, що називається електричним потенціалом між двома розчинами. Подумайте про напругу як про «електричний тиск», аналогічний тиску води, який керує потоком води у ваших домашніх водопровідних трубах.

Було б непогано вміти вимірювати окремо електричний потенціал, пов'язаний з видаленням електронів з іонів Sn2+ і додаванням електронів до іонів Fe3+. Ви можете думати про ці два процеси як «напівреакції», які складаються разом, щоб виробляти всю реакцію, написану вище. Потім ви могли б використовувати такі результати, щоб з'ясувати, безпосередньо, які речовини крадуть електрони з яких інших речовин.

На жаль, немає ніякого способу зробити це: все, що ви можете зробити, це виміряти електричний потенціал, пов'язаний з усією реакцією. Хіміки обійти цю проблему акуратним і зручним способом: вони характеризують реакції, описані вище, які включають в себе широкий спектр різних речовин з посиланням на розчин, який містить молекулярний водень (який може бути бульбашковий, як газ, через водний рішення). Щоб зробити цей бетон, ви можете собі уявити, що іони Fe3+ або іони Sn2+ у розчин, в який додається молекулярний водень. Електричний потенціал реакції, яка відбувається (називається окислювально-відновним потенціалом, позначається Eh) потім можна виміряти. Потім вони табулюють всі напівреакції щодо водневого стандарту.

Речовини, такі як кисень, які, як правило, крадуть електрони від інших речовин, називаються окислювачами; речовини, такі як металеве залізо, які, як правило, втрачають електрони іншим речовинам, називаються відновниками. Слово «окислення» тут, однак, вводить в оману, оскільки в якості окислювачів може виступати безліч інших речовин, в тому сенсі, що вони, як правило, крадуть електрони від інших речовин. Я вважаю, що обгрунтування полягає в тому, що кисень є найважливішим окислювачем у багатьох природних хімічних системах. Крім металевого заліза існує багато інших відновників, але оскільки залізо та його сполуки настільки важливі в природних хімічних системах, природно думати з точки зору металевого заліза або іонів заліза заліза (Fe2 +) як відновників.

Нарешті, ось кілька коментарів щодо кисню проти двох видів іонів заліза. У розчині, що містить кисень, іони заліза (Fe2+) неминуче окислюються до іонів заліза (Fe3+), які мають сильну тенденцію до з'єднання з киснем з утворенням нерозчинних оксидів заліза або гідроксидів. Якщо, з іншого боку, розчин не має вільного кисню (можливо, весь наявний кисень вже був витрачений при окисленні органічної речовини, яка є відновником), то іони заліза (Fe2+) щасливо залишаються в розчині.