В чем различие между раствором поваренной соли и кристаллом той же поваренной соли? В кристалле атомы натрия и атомы хлора, отделены друг от друга, они расположены в чередующихся узлах кристаллической решетки. Но при этом и атомы натрия и атомы хлора не имеют своих валентных электронов. При образовании кристалла они потеряли их и превратились в положительно заряженные ионы. Валентные электроны всех атаиов объединились в создали общее электромагнитное поле, удерживающее систему в равновесии. t
В растворе атомы натрия я хлора также расселены. Но. если атомчважржя тернка свой; единственны* валентный электрон, то атом хлора приобретает дополнительный электрон. В растворе каждый элеетоон принадлежит какому-нибудь атому, энергетические зоны отсутствуют, а энергия каждого электрона определяется одним вз разрешенных уровней атома.
Но почему так происходит? Почему одни и те же атомы ведут себя по-разному в кристалле и в растворе? Молекулы воды представляют собой электрические диполи или, образно говоря, как бы стержня, имеющие явно выраженные положительный и отрицательный концы. Молекула поваренной соли также не совсем симметрична. С одной ее «стороны» слегка преобладает положительный заряд, с другой — отрицательный.
Что случается, когда в воду попадает молекула поваренной соли? Ее окружают молекулы воды. Своими положительными концами они притягиваются к отрицательной стороне молекулы поваренной соли, а отрицательными концами — к положительной стороне. Возникает резко несимметричное электромагнитное поле. Молекула поваренной соли разрывается на два иона, и они, в свою очередь, тут же оказываются окруженными молекулами воды. Подобное разделение молекул вещества на ионы и называют диссоциацией.
Самой большой потенциальной энергией обладает электрон, не связанный ни с какими атомами. Такую энергию электрона обычно принимают за нуль отсчета. В атоме, находясь в электромагнитном поле ядра и других электронов, каждый электрон обладает меньшей (отрицательной) потенциальной энергией. Представьте себе такую картину. Электрон с нулевой потенциальной энергией попадает в поле положительно заряженного ядра — допустим, речь идет об атоме водорода. Электрон притягивается и движется в сторону ядра, пока не занимает положенное ему в атоме место. Но когда электрон двигается под действием силы, совершается работа. Потенциальная энергия электрона в атоме численно равна нулю (энергия свободного электрона) минус количество работы, совершенной на его пути к атому.
В молекуле потенциальная энергия электрона еще меньше — вычитается доля работы, совершенной при образовании молекулы. В нашем случае энергия иона С1~ в растворе оказывается меньше его энергии в кристалле. Из первоначального запаса вычитается также и доля работы, совершенной при разрывании молекулы.
Скажем короче. Когда ион С1~ или любой другой отрицательный ион в растворе оказывается окруженным молекулами воды, образуется электромагнитное поле, энергия которого минимальна. Один из фундаментальных законов природы гласит: всякая физическая система стремится принять такое состояние, в котором ее собственная энергия минимальна. Почему поваренная соль растворяется в воде? Потому что в растворе достигается меньшая, чем в кристалле, энергия.
Природа ленива — вот и ключ к разгадке тайны лягушачьей лапки. Ее заставлял дергаться электрический ток, воздействовавший на нервные окончания. Ток возникал на границе между металлом и электролитом, в роли которого выступали жидкости, наполняющие клетки тканей лягушачьей лапки.
На границе
Вы уже знаете, что происходит на границе двух металлов. А что случится, если опустить, например, цинковую пластинку в раствор щелочи КОН? Металл цинк — это кристаллическое твердое тело, где имеются валентные электроны и атомные остатки (ионы) Zn++, несущие положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине удвоенному элементарному заряду.
Обсуждая свойства кристаллов, мы в основном интересовались поведением электронов. Многое из сказанного относительно электронов справедливо и для ионов. Как и электроны, ионы взаимодействуют с общим электромагнитным полем. В этом поле ион обладает определенной потенциальной энергией, численно равной (со знаком минус) той работе, которую надо затратить, чтобы извлечь ион из кристалла. Средняя величина потенциальной энергии всех ионов Zn++ представляет собой одну из составляющих электрохимического потенциала цинка.
При погружении цинковой пластинки в раствор молекулы КОН в основном уже продиссоциировали на ионы К+ и ОН-. Отдельные ионы Zn++ могут переходить в раствор и образовывать соединение ZnO по схеме Zn+++20H—*-ZnO + H20. Окись цинка ZnO в растворе также частично диссоциирует. Каждый акт перехода одного иона Zn++ из металла в раствор —- событие случайное. Вполне возможны и противоположные события, когда ионы Zn++ переходят из раствора в металл. Однако средняя энергия ионов Zn++ в растворе меньше,-чем? средняя энергия тех же ионов в цинковой пластивввеа Поэтому в раствор переходит больше ионов, чем из рас»» вора.
