Заряд определить: Как определить заряд и напряженность поля конденсатора…

Оглавление

Глава 3

Электричество и магнетизм

3.1 Электростатика

3.1.1 Пример – поле и потенциал сферы

Найти напряженность поля и потенциал во всем пространстве тонкой сферы
радиуса R, равномерно заряженной до заряда q.

Решение

Применим теорему Гаусса. Выберем в качестве замкнутой поверхности
концентрическую сферу радиуса r > R (рис.). Очевидно, что напряженность на
поверхности этой сферы будет одинакова по величине и направлена по радиусу.
Тогда поток напряженности через нее будет E ⋅ 4πr². Согласно теореме
Гаусса

откуда

Выбрав в качестве поверхности сферу радиуса r < R, получим E = 0. Таким
образом, однородно заряженная сфера во внешней области пространства
создает такое же поле, как и заряд, помещенный в ее центре. Внутри сферы
поля нет.

Найдем потенциал сферы во всем пространстве. Так как вне сферы
напряженность поля совпадает с напряженностью заряда, находящегося в
центре, то и потенциал при r > R выразится в виде

Пронесем единичный положительный заряд из бесконечности до расстояния r
от центра, меньшего радиуса сферы. Тогда работа, которую необходимо
совершить по переносу до поверхности сферы будет равна kq∕R. Внутри сферы
поле равно нулю и работа не совершается. Таким образом

На рис. 3.1 изображены графики зависимости напряженности и потенциала
поля от расстояния до центра однородно заряженной сферы.

3.1.2 Пример – поле и потенциал шара

Однородно заряженный шар. Пусть радиус шара R, полный заряд Q. Повторяя
рассуждения, приведенные в предыдущей задаче, получим, что вне шара
напряженность и потенциал поля совпадают с полем заряда Q, помещенного в
центр шара:

Чтобы найти напряженность электрического поля внутри шара, выберем в
качестве замкнутой поверхности сферу радиуса r < R с центром в центре шара.
Из симметрии ясно, что напряженность поля направлена по радиусу и
одинакова по величине на всей поверхности сферы. Из теоремы Гаусса
следует

где
q(r) – заряд внутри выбранной поверхности. Введем плотность заряда шара ρ.
Тогда

Плотность заряда равна полному заряду, деленному на объем шара:

Для напряженности поля внутри шара получим

Найдем потенциал внутри шара.

Первый интеграл имеет смысл работы по переносу единичного положительного
заряда из бесконечности до поверхности шара и равен kQ∕R. Второй
член

Значение потенциала внутри шара определится выражением

Окончательно имеем

Заметим, что непрерывен не только потенциал (что и должно быть), но и
напряженность электрического поля. Последнее связано с тем, что в
системе нет заряженных тонких поверхностей. Поэтому нет и скачка
напряженности. На рис. 3.2 приведены графики зависимости напряженности и
потенциала от расстояния до центра однородно заряженного по объему
шара.

3.1.3 Пример – заземленная сфера

Пусть есть две проводящие концентрические сферы радиусов a и b. На
внутреннюю сферу помещен заряд q, а внешняя заземлена (рис. 3.3). Требуется
определить напряженность и потенциал электрического поля во всем
пространстве.

Решение

Так как внешняя сфера заземлена, на ней появляется некоторый заряд Q. Если
бы он был известен, напряженность поля легко определилась бы из принципа
суперпозиции (напомним, что во внешнем пространстве сфера создает поле,
такое же, как точечный заряд, расположенный в ее центре, а внутри поля нет)

Для потенциала при r > b имеем φ = k(q + Q)∕r. На поверхности внешней
сферы φ(b) = k(q + Q)∕b.

Так как эта сфера заземлена, φ(b) = 0. Отсюда

Тогда напряженность поля при r > b равна нулю. Вне заземленной сферы поля
нет. Этот результат не зависит от формы заземленного проводника.
Говорят, что заземленная оболочка экранирует находящиеся внутри
заряды: никакие изменения их величины или положения не сказываются
снаружи.

Понятно, что при r > b потенциал равен нулю. Для нахождения потенциала
между сферами пронесем единичный положительный заряд из бесконечности в
данную точку, используя принцип суперпозиции. В поле заряда Q работа
совершается лишь до поверхности внешней сферы: φ₁= kQ∕b—kq∕b. А в поле
внутренней сферы φ₂= kq∕r. Полный потенциал

Внутри малой сферы E = 0, потенциал не меняется и равен потенциалу на
поверхности

На рис. 3.4 приведены графики зависимостей E(r) и φ(r).

3.1.4 Пример – разлетающиеся частицы

Четыре одинаковых частицы массы m и заряда q первоначально удерживаются
в углах квадрата со стороной a. Заряды отпускают. Найти скорости зарядов по
прошествии большого промежутка времени.

Решение

Из симметрии ясно, что в любой момент времени частицы будут находиться в
углах некоторого квадрата и обладать одинаковыми по величине скоростями,
направленными по диагоналям этого квадрата. В результате вся начальная
потенциальная энергия U перейдет в кинетическую энергию частиц

где
v – искомая скорость.

Дело, таким образом, сводится к вычислению начальной потенциальной энергии
системы U. Перенумеруем заряды (рис. 3.5) и начнем собирать систему.
Принесем из бесконечности первый заряд. Для этого не понадобиться
совершать работу (внешних сил нет): A₁= 0.

Принесем второй заряд. Работа в поле первого заряда будет

Третий заряд уже придется двигать в поле, как первого, так и второго
заряда:

Наконец, для последнего

Полная потенциальная энергия системы

Тогда

откуда получаем ответ

3.1.5 Пример – столкновение зарядов

С большого расстояния навстречу друг другу со скоростями, соответственно, v₁и v₂движутся две одинаковых частицы массы m и заряда q. Определите
минимальное расстояние, на которое они сблизятся.

Решение

При минимальном расстоянии скорости частиц u будут одинаковы. Из закона
сохранения импульса

Начальная потенциальная энергия электрического взаимодействия равна
нулю.

Запишем закон сохранения энергии:

где
r – минимальное расстояние. Из первого уравнения u = ∕2. И,
подставляя во второе, получаем ответ:

3.1.6 Пример – система конденсаторов

Определите емкость системы конденсаторов, изображенных на рисунке
(рис. 3.6).

Решение

Пронумеруем конденсаторы и обозначим на схеме заряды (рис. 3.7). Из
симметрии схемы ясно, что заряды на конденсаторах 1, 2 и 3, 4, соответственно,
одинаковы. Так как батарея электронейтральна q₁= q₂.

Тогда ясно, что средний (5-й) конденсатор не заряжен и его можно убрать.
Эквивалентная схема будет выглядеть так: (рис 3.8).

Так как емкость последовательно соединенных конденсаторов определяется по
формуле

Отсюда C′ = C. И имеем новую эквивалентную схему (рис. 3.9). По правилу
определения емкости параллельно соединенных конденсаторов полная емкость
цепи:

Можно было поступить иначе. Так как средний конденсатор не заряжен, точки,
к которым он подсоединен, имеют одинаковый потенциал. Тогда их можно
соединить проводником: это не приведет к перераспределению зарядов
на остальных конденсаторах. Соответствующая эквивалентная схема
(рис. 3.10. Или, учитывая, что имеется две пары параллельно соединенных
конденсаторов, получаем еще одну эквивалентную схему (рис. 3.11).
Отсюда

В итоге получаем тот же ответ:

3.2 Постоянный ток

3.2.1 Пример – соединение сопротивлений

Каким должно быть сопротивление r, чтобы входное сопротивление между
клеммами было равно тоже r (рис. 3.12)?

Решение

Последние два сопротивления, соединенные последовательно, имеют
сопротивление

Тогда имеем эквивалентную схему: (рис. 3.13)). Параллельное соединение
сопротивлений R и R′ приводит к схеме (рис.  3.14)). Где

По
условию: R + R′′ = r.

То есть:

Откуда получаем ответ

3.2.2 Пример – ЭДС и внутреннее сопротивление батареи

Батарея, замкнутая на сопротивление R₁= 10 Ом, дает ток I₁= 3 А; замкнутая
на сопротивление R₂= 20 Ом, она дает ток I₂= 1,6 А. Найдите ЭДС и
внутреннее сопротивление r батареи.

Решение

Из условия

Приравнивая правые части, получим

Откуда

Подставляя r в первое уравнение, получим

3.2.3 Пример – внутреннее сопротивление аккумулятора

Аккумулятор подключен один раз к внешней цепи с сопротивлением R₁, другой
раз – с R₂. При этом количество теплоты, выделяющейся во внешней цепи в
единицу времени, одинаково. Определите внутреннее сопротивление
аккумулятора.

Решение

Обозначим ЭДС аккумулятора через , а внутреннее сопротивление – через
r.

Условие равенства количества теплоты дает:

Или

Разрешая это уравнение относительно r, получим ответ:

3.2.4 Пример – цепь с конденсаторами

Конденсаторы емкости C₁и C₂и резисторы, сопротивления которых
равны R₁,R₂,R₃, включены в электрическую цепь, как показано на
рисунке 3.15). Найти установившиеся заряды на конденсаторах. Напряжение U
известно.

Решение

В установившемся режиме через резисторы течет постоянный ток,
определяющийся из уравнения

Рассмотрим контур, содержащий C₁,R₁,R₂. Для него:

Откуда (подставляя I):

Аналогично, рассматривая контур, содержащий C₂,R₂,R₃, получим

3.3 Магнитное поле

3.3.1 Пример – движение заряда в магнитном поле

На заряд q = 1 Кл, движущийся со скоростью v = 1 м/с, в магнитном
поле действует сила F = 10 Н. Заряд движется под углом α = 30^∘к
направлению индукции магнитного поля. Чему равна индукция этого
поля?

Решение

На заряд действует сила Лоренца:

Откуда B = F∕(qv sin α). Подставляя числа, получим ответ: B = 20
Тл.

3.3.2 Пример – проводник с током в магнитном поле

В вертикальном однородном магнитном поле на двух тонких нитях подвешен
горизонтально проводник массы m = 0,16 кг и длины l = 0,8 м. Концы
проводника при помощи гибких проводов, находящихся вне поля, подсоединены
к источнику тока. Найдите угол, на который отклоняются от вертикали нити
подвеса, если по проводнику течет ток I = 2 А, а индукция магнитного поля
B = 1 Тл.

Решение

На проводник действуют две силы: тяжести mg, направленная вертикально,
и Ампера IBl, направленная горизонтально (см. рис. 3.16). Тогда в
равновесии

Принимая g = 10 м∕с²и подставляя числа, получим tgα = 1. Откуда
α = 45^∘.

3.3.3 Пример – радиусы траекторий

Как относятся радиусы траекторий двух электронов с кинетической
энергией K₁и K₂, если однородное магнитное поле перпендикулярно их
скорости?

Решение

Скорости электронов определяются из формул:

Радиусы определятся из закона Ньютона

Тогда отношение радиусов

3.4 ЭДС индукции

3.4.1 Пример – падение в магнитном поле

В однородном магнитном поле индукции B находятся две вертикальные рейки,
расположенные в плоскости, перпендикулярной линиям поля (рис. 3.17). По
рейкам, расстояние между которыми равно L, может скользить без трения
проводник массой m. Определите установившуюся скорость этого проводника,
если верхние концы реек замкнуты на сопротивление R. В какие виды энергии
переходит работа силы тяжести?

Решение

На скользящий проводник действуют две силы: тяжести mg и Ампера IBL.
При установившемся движении

ЭДС индукции

Выражая ток из второго уравнения и подставляя в первое, получим
ответ:

Можно получить ответ другим способом. Мощность силы тяжести в
установившемся режиме переходит в тепло, выделяющееся на сопротивлении:

3.4.2 Пример – стержень в магнитном поле

Металлический стержень AB, сопротивление единицы длины которого ρ,
движется с постоянной скоростью v, перпендикулярной AB, замыкая два
идеальных проводника OC и OD, образующих друг с другом угол α. Длина OC
равна l, и AB перпендикулярен OC (рис. 3.18). Вся система находится в
однородном постоянном магнитном поле индукции B, перпендикулярном
плоскости системы. Найдите полное количество теплоты, которое выделится в
цепи за время движения стержня от точки O до точки C.

Решение

Площадь треугольника в зависимости от времени S = xy∕2, где
x = vt,y = x ⋅ tgα = vt ⋅ tgα.

Тогда

Сопротивление R = ρx = ρvt. Мощность, выделяющаяся в цепи

Полное время движения t₀= l∕v.

Тогда ответ

3.4.3 Пример – вихревое электрическое поле

Индукция однородного магнитного поля внутри цилиндра радиуса r = 0,1 м
линейно возрастает со временем: B = αt (коэффициент α = 10^-3Тл/с).
Магнитное поле направлено вдоль оси цилиндра. Чему равна напряженность
вихревого электрического поля на расстоянии l = 0,2 м от оси цилиндра?

Решение

Циркуляция электрического поля равна скорости изменения магнитного потока
через сечение цилиндра:

Отсюда

Подставляя числа: E = 2,5 ⋅ 10^-5В/м.

определить заряд, переданный проводящему шару радиусом 4 см, если поверхностная плотность

ОЧЕНЬ СРОЧНО, ПОЖАЛУЙСТА!!
ЗАДАЧИ :
1) Резиновый шар содержит 2 л воздуха, находящегося при температуре 20 °С и под атмосферным давлением 780 мм рт. с
…

т. Какой объем займет воздух, если шар будет опущен в воду на глубину 10 м? Температура воды 4 °С.
2) Бутылку, заполненную газом, плотно закрыли пробкой площадью поперечного сечения 2,5 см2. Чтобы удерживать пробку, нужно прикладывать силу 12 Н. До какой температуры нужно нагреть газ, чтобы пробка вылетела из бутылки? Начальная температура -3⁰С, атмосферное давление 105 Па.
3) На рисунке в координатах p, V изображен замкнутый газовый процесс (цикл). Постройте этот цикл в координатах V, T и p, T. ( картинка 1 )

Женя с папой катаясь на коньках, решили узнать массу папы. Стоя на коньках, они взялись за концы длинной веревки и потянули (каждый в свою сторону) Ок
…

азалось что к моменту столкновения папа проехал 3 м, а Женя-9м. Чему равно масса папы, если масса Жени-40кг?

Разница значений атмосферного давления на вершине Эйфелевой башни и у ее основания равна 3,906кПа.Определите высоту башнию(g=9,8H/кг,p=1,23 кг/м³

!!!Помогите,нужно до завтра.​

Два отрезка провода длиной по 1м каждый и массой по 0,02 кг
подвешены горизонтально и параллельно друг другу на легких нерастя-
жимых нитях длиной 3м
…

каждая. На какое расстояние разойдутся про-
вода, если по ним пропустить равные токи по 1А в противоположных
направлениях?

Проводник с током в форме квадрата преобразовали в равносторонний треугольник, не изменяя силы тока и длины проводника. Найдите отношение магнитных ин
…

дукций в центре каждой фигуры:Вкв/Втр.

Помогите пожалуйста!​

2. Решите задачуL= 0,25 м I= 3 A B= 0,1 Тл F= ?3. Решите задачуR= 0,2 м В = 0,02 Тл sin a = 1 v= ?​​

Помогите пожалуйста.Нужно до завтра!​

1. В чем заключается явление самоиндукции?Опишите опыты, характеризующие это явление:A) Цепь, состоящая из катушки, реостата и двух лампочек Б) Цепь,
…

состоящая из катушки, лампы накаливания и неоновой лампочки, подключенных последовательно к катушке2. Решите задачуL= 0,25м I=3A B=0,1Тл F= ?3. Решите задачуR= 0,2м В = 0,02Тл sin a=1 v=?​

4 простых способа, как проверить заряд аккумулятора автомобиля

Опытным водителям хорошо известно, что значение напряжения АКБ – это отличный индикатор, сигнализирующий о степени её заряженности. Напряжение – одна из важнейших характеристик, которую легко замерить. Владея информацией, при достижении какого уровня напряжения батарея нуждается в подзарядке, а когда необходимо полное восполнение заряда, намного проще обеспечить её своевременный и правильный уход.

В помощь автомобилистам была разработана специальная таблица, позволяющая практически безошибочно определить уровень зарядки аккумулятора автомобиля по величине его напряжения. Но если её нет под рукой, что делать? Рассмотрим разные способы проверки заряда АКБ.

4 способа, как можно проверить заряд аккумулятора

Аккумуляторная батарея – это основной источник энергии в неработающем автомобиле. Именно она обеспечивает запуск двигателя. Но, как и любое другое оборудование, АКБ нуждается в определённом обслуживании и имеет свой срок службы.

Работоспособность батареи определяется степенью её заряженности. В процессе эксплуатации по ряду причин АКБ способна постепенно терять часть первоначального заряда, что при отсутствии должного ухода может привести к её полной разрядке. Понятно, что, имея полностью разряженное оборудование, запустить двигатель не удастся.

Для надёжного функционирования батареи следует регулярно содержать её в заряженном состоянии.

Как проверить уровень заряда аккумулятора самостоятельно в домашних условиях? Проверку на работоспособность можно осуществить несколькими способами. Рассмотрим подробнее те из них, которые воплотить в жизнь под силу даже новичку.

Использование встроенного индикатора

Самый простой и быстрый вариант, позволяющий определить заряд аккумулятора без применения каких-либо дополнительных устройств, – использование встроенного индикатора. Современные автомобильные АКБ оснащены специальными «глазками», позволяющими визуально контролировать состояние устройства. Первые батареи со стеклянными «окошечками» для отслеживания уровня заряда впервые были выпущены в Японии. Из-за их удобства этот опыт быстро переняли и другие производители.

Как проверить зарядку аккумулятора, используя индикатор? На корпусе устройства, как правило, в верхней его части имеется небольшая стеклянная вставка. Обычно она зелёного цвета, что говорит о том, что АКБ заряжена и готова к эксплуатации. Но со временем окраска может измениться на красный или чёрный цвет (всё зависит от производителя), что свидетельствует о разряженности батареи и, как следствие, о её неработоспособности.

Процесс утраты заряда протекает постепенно, и если регулярно осуществлять контроль степени заряженности устройства, то можно заметить, что в какой-то момент глазок или станет двухцветным (красно-зелёным), или на смену зелёному придёт серый цвет. Это первый признак того, что устройство нуждается в подзарядке.

Принцип функционирования индикатора прост: цвет ему обеспечивает необычный поплавок, наделённый способностью всплывать на поверхность жидкой среды при достижении нормальной степени заряда и тонуть, когда уровень заряда достигает критического уровня. В некоторых устройствах производители предусматривают два поплавка: зелёный всплывает при достаточной зарядке АКБ, красный – при её разрядке.

Учтите, индикаторами могут быть оснащены не все устройства, поэтому важно знать и о других способах проверки заряда АКБ.

Использование мультиметра

Мультиметр, который часто называют тестером, можно смело отнести к универсальному оборудованию. Этот компактный прибор оснащён электронным табло, регулятором переключения режимов и двумя проводами разных цветов с особыми чувствительными щупами на их концах.

Как, используя мультиметр, проверить заряд аккумулятора автомобиля? В этой процедуре нет ничего сложного, просто следуйте пошаговой инструкции:

1. Установите прибор в режим замера напряжения.
2. Подключите щуп красного провода к клемме батареи, имеющей маркировку «+», а щуп, которым оканчивается провод чёрного цвета – к клемме с обозначением «-».
3. Теперь посмотрите на табло прибора. Оценить степень заряженности АКБ и порядок дальнейших действий поможет специальная таблица, позволяющая с достаточной точностью установить уровень зарядки аккумулятора на основании зависимости величины его напряжения на клеммах.

Производить замеры напряжения необходимо, заглушив двигатель и выключив зажигание автомобиля.

Проведение теста с помощью нагрузочной вилки

Нагрузочная вилка – не что иное, как усовершенствованный тестер, состоящий не только из мультиметра, но и из нагрузочного сопротивления, позволяющего имитировать работу стартера.

Этот метод относится к разряду профессиональных вариантов определения работоспособности АКБ и обычно применяется при диагностике оборудования в технических центрах и ремонтных мастерских. Такой тест заключается в следующем:

1. Подключаем щупы прибора к клеммам батареи, строго соблюдая полярность.
2. На его табло высветится значение напряжения после запуска двигателя (сопротивление сымитирует работу стартера), что позволит определить достаточность уровня заряда для этого действия ещё до его осуществления.

Таким образом, если показания прибора будут составлять не менее 10 Вольт, то заряд батареи достаточен для надёжного пуска двигателя, если ниже, то требуется подзарядка.

Проводить замеры на холодной АКБ нельзя – это способно привести к её разряду. Оптимальная температура батареи должна находиться в диапазоне 20–25° С.

Проверка при замере плотности электролита

Как проверить заряд аккумулятора автомобиля, используя плотность электролита? Сделать это довольно просто, но требуется следовать определённым мерам безопасности, так как в состав электролита входит серная кислота и его попадание на кожные покровы способно вызвать ожог.

Метод определения заряда батареи по результатам замера плотности электролитного раствора подходит только для устройств обслуживаемого типа.

Для проведения теста нам потребуется специальный прибор ареометр. Итак, откручиваем все пробки, расположенные на корпусе аккумуляторной батареи, и поочередно помещаем прибор в каждую «банку». Сопоставляем показания: на заряженном устройстве между ними практически не может быть отличий, то есть во всех отсеках величина плотности должна быть одинаковой.

Как определить, используя данный метод, что аккумулятор заряжен полностью? Если плотность электролита во всех банках АКБ окажется в пределах 1,25–1,27 г/см3, то это значит, что уровень заряда составляет порядка 100 %.

Как проверить уровень заряда батареи в процессе зарядки?

Многие из новейших зарядных устройств оборудованы дополнительными индикаторами, позволяющими безошибочно определить степень зарядки АКБ в процессе протекания самого зарядного процесса. Некоторые из наиболее усовершенствованных устройств имеют дисплей, где высвечивается текущее значение напряжения, которого успела достичь батарея на данный момент.

Итак, как узнать, что аккумулятор зарядился и процесс пора завершать?

Если ЗУ снабжено индикатором, то при достижении полного заряда батареи он обычно загорается зелёным цветом. При наличии дисплея на заряднике можно посмотреть величину напряжения АКБ: его значение в диапазоне от 12,6 В до 12,9 В свидетельствует о том, что ёмкость батареи восстановлена в полном объёме. Кроме того, всегда можно воспользоваться мультиметром, замерив напряжение на клеммах аккумулятора с его помощью, если для зарядки используется самое простое, не оснащённое дополнительным функционалом зарядное устройство.

На некоторых ЗУ с цифровым табло есть специальная кнопка для проверки уровня заряда батареи. Отсоединив зарядное устройство от сети, удерживаем эту кнопку нажатой и считываем показания с табло.

Как видим, вариантов, чтобы определить, зарядился ли аккумулятор автомобиля, множество. Каким из них воспользоваться, решайте сами. Во многом это будет определяться выбранным ЗУ, с помощью которого осуществляется зарядка АКБ.

Как проверить заряд аккумулятора автомобиля в домашних условиях

Аккумулятор выполняет важную роль в автомобиле. При повороте ключа зажигания он посылает ток на стартер. С его помощью происходит запуск двигателя. Если он разряжен завести машину не получится.

Поэтому, чтобы не возникли проблемы с запуском, особенно это важно в зимний период, необходимо периодически следить за емокстью аккумуляторной батареи. Т.к. с наступлением зимы многие автовладельцы сталкиваются с этим. Связано это с тем, что отрицательная температура оказывает плохое влияние на электролит. О том, как проверить заряд аккумулятора автомобиля в домашних условиях рассмотрим ниже.

Как правильно проверить аккумулятор автомобиля на работоспособность

Как проверить автомобильный аккумулятор?

Напряжение полностью заряженной батери автомобиля должно быть не менее 12,6 вольта. Если напряжение менее 12 вольт, степень ее заряженности упала больше чем на 50 %, то его необходимо срочно зарядить!

Нельзя допускать глубоких разрядов АКБ, это ведет, повторюсь еще раз, к сульфатации пластин. Напряжение на аккумуляторной батареи величиной меньше 11,6 в означает, что она разряжена на 100 %.

Способы проверки

состояния акб автомобиля:

Каждый из данных способов имеет свои тонкости и нюансы. Теперь подробнее разберем как проверить своими руками аккумулятор автомобиля на работоспособность.
[banner title=’Диагностика АКБ’ img=’/wp-content/uploads/2018/08/zaryad_akymyl.jpg’]Глубокие разряды АКБ недопустимы. Чтобы не сомневаться, что батарея вашего автомобиля полностью заряжена и проблем с запуском двигателя не возникнет, запишитесь на диагностику в техцентр «Анкар»! Наши мастера проверят емкость и состояние аккумулятора и в случае необходимости зарядят его.[/banner]

Как проверить заряд аккумулятора автомобиля по индикатору

В настоящее время многие АКБ оснащены встроенным индикатором, обозначающий его текущее состояние. Первыми применять в производстве АКБ стали в Японии.

На крышке аккумуляторной батареи имеется специальное окошко. Это и есть индикатор заряда аккумулятора автомобиля. Его еще называют гидрометром. Обычно имеет зеленый цвет, говорит о том, что он полностью заражен. По мере разряда цвет изменяется. Если же белый или серый цвет – это сигнал о том, что часть емкости потеряно. Значит необходимо зарядить. Если же цвет черный – это значит, что он полностью разряжен и требуется замена.

Принцип его действия в следующем:

• По мере увеличения уровня заряда автомобильной батареи повышается плотность электролита. Что в свою очередь приводит к тому, что поплавок, в виде зеленого шарика, поднимается по трубке, и становится виден в специальном окошке. Поплавок всплывает когда заряд АКБ составляет 66% и выше.
• Если же поплавок не всплывает, значит состояние автомобильной батареи ниже нормы. Как отмечалось, окошко будет черного цвета, но в некоторых предусмотрен еще один шарик красного цвета, который будет всплывать при низком заряде аккумулятора.
• При пониженном уровне электролита в батарее (частичной потере емкости) через глазок будет виден сам электролит. В такой ситуации необходимо долить дистиллированную воду и подзарядить его.

Как проверить аккумулятор при покупке в магазине или с рук? Определить исправность автомобильной батареи можно и по индикатору – достаточно простой и легкий способ.

Однако, стоит помнить, что индикатор дает возможность выполнить предварительную оценку степень заряженности, но никак не точную. И в полной мере полагаться на его показания не следует, есть более точные методы. К тому же, такая проверка возможна не со всеми АКБ, некоторые данным окошком не оснащены. Поэтому важно быть в курсе и других методов.

Как проверить заряд автомобильного аккумулятора мультиметром

Мультиметр – специальный прибор, который используется для измерения напряжения в сети. Важный инструмент, который обязан быть у любого водителя. Цена прибора не велика. Мы советуем пользоваться теми, которые оснащены электронным табло.

Как правильно проверить заряд аккумулятора автомобиля при помощи мультиметра? Для этого выполните следующие действия:

1. Подключаете провода мультиметра.
2. Выставляется мультиметр в режим замера напряжения и устанавливаете на 20 Вольт.
3. Металлическими щупы проводов прикладываются к клеммам АКБ. (Красный щуп к плюсовой клемме, черный к минусовой).
4. Смотрите показания.

Очень важно! При проверке заряда аккумулятора тестером зажигание автомобиля должно быть выключено!

Таким образом, если напряжение на мультиметре меньше 12.7 Вольт, то он не полностью заряжен. При напряжении меньше 11.7 Вольт необходимо его срочно зарядить, т.к. он не сможет завести двигатель машины.

К сожалению, проверка заряда автомобильного аккумулятора при помощи мультиметра не дает таких точных значений, как нагрузочная вилка, но немного все же сориентировать может.

Также смотрите видео, как проверить заряд аккумулятора автомобиля мультиметром:

Как проверить состояние аккумулятора нагрузочной вилкой

Данная проверка тока заряда относится к более профессиональному методу. Такой способ используют в технических центрах по ремонту автомобилей. Т.к. он дает достаточно точный показания, и к тому же способен работать под нагрузкой.

Нагрузочная вилка – это прибор, который позволяет достаточно точно проверить степень исправности батареи. Состоит он из мультиметра и нагрузочного сопротивления. Существуют и более сложные исполнения прибора, в которых имеется дополнительно амперметр.

Как проверить состояние АКБ автомобиля нагрузочной вилкой? Принцип проверки заключается в следующем:

• Нагрузочную вилку подключают к клеммам АКБ, которое дает ток короткого замыкания. Таким образом, имитируется работа стартера.
• Считываются показания на приборе, которые показывающие, на сколько снизился заряд батареи, когда Вы заведете машину.

Стоит помнить, что проверку напряжения батареи необходимо проводить, когда температура ее будет в диапазоне от 20 до 25 градусов. Холодную не стоит проверять, так Вы ее можете сильно разрядить, потеряв значительную часть ёмкости.

Сколько должен показывать аккумулятор под нагрузочной вилкой? Контроль заряда нагрузочной вилкой – самый точный способ на данный момент. Т.к. он имитирует работу стартера авто. Если в результате проверки прибор покажет просадку напряжения АКБ до 9 Вольт — значит слаб, и необходимо его зарядить. Нормальным считается, когда не меньше 10 Вольт.

Помните! Он быстро разрядится зимой, если напряжение будет меньше 9 Вольт. Также обращаем внимание на то, что частое использование нагрузочной вилки может навредить аккумулятору, значительно снизив его емкость.

Смотрите видео, как проверять аккумулятор нагрузочной вилкой:

Проверка заряда АКБ при замере плотности электролита

Данный способ проверки достаточно полезен перед наступлением зимы. Снижение температуры окружающей среды уменьшает плотность электролита. Таком образом падает и заряд. При низкой плостности повышается риск того, что завести двигатель автомобиля не получится.

Для проверки заряда аккумулятора автомобиля необходим специальный прибор – ареометр. Последовательность действий такова:

• Откручиваются 6 крышек банок АКБ.
• Ареометр помещается внутрь банки. И необходимо дождаться пока он полностью не заполнится электролитом.
• Достается наружу, с течением времени поплавок укажет актуальные показания.

Если АКБ автомобиля исправна, то при цикле от полного разряда до полного заряда, диапазон изменения плотности электролита будет составлять от 0.15-0.16 г/см3.

Использование авто при низкой отрицательной температуре при разряженной батарее приведет к замерзанию и распаду свинцовых пластин.

В таблице Вы можете ознакомиться при какой минусовой температуре, в зависимости от плотности электролита, появляется лед в аккумуляторе.

Как Вы уже заметили, что даже полностью заряженный аккумулятор автомобиля замерзнет при температуре -74 градуса, а при емкости в 40% замерзнет уже в -25 градусов. А при низком заряде, до 10%, не получится завести двигатель даже в слабый мороз.

Читайте также — как утеплить аккумулятор на зиму своими руками.

Если потеря тока составила больше 45-50% в зимнее время, и более чем на 25% в летнее – его обязательно нужно поставить на зарядку.

Какая должна быть плотность электролита? Нормальным считается, когда показания находятся в диапазоне 1.25 – 12.7 гсм.куб. Если же показания 12.2 гсм.куб, то это говорит, что батарея разряжена на 25-30%. Если меньше 1.1. гсм.куб – почти полностью разряжена.

Дополнительно стоит проверить уровень электролита в каждой банке, если его недостаточно, то необходимо долить. Доливается дистиллированная вода. Недостаточный уровень электролита обычно является причиной частых разрядок батареи.

Как проверить зарядным устройством?

Проверка на работоспособность с помощью зарядного устройства не вызовет ни у кого каких-либо трудностей. Достаточно иметь специальное ЗУ для автомобильных акб с цифровым табло. Данный способ позволяет проверить заряд аккумулятора без вольтметра.

Важно! При проверке не подключайте зарядное устройство к розетке, показания тогда будут не верны.

Последовательность действий такова – подсоединяете ЗУ к клеммам и жмете специальную кнопку для проверки, затем считываете результаты.

Помощь в зарядке аккумулятора авто

Метод заряда аккумулятора током постоянной силы. Полная зарядка АКБ осуществляется путем подключения батареи к источнику питания с напряжением до 16.2 В. Зарядка таким методом за один час будет достигать 1/20 Ср, за 10 часов – 1/10 Ср. Ср – номинальный объем аккумулятора.

Преимущества такого способа:

• Возможность полной зарядки баратери автомобиля;
• Чем меньше сила тока, тем более полный заряд.

Необходимо понимать, что не нужно уменьшать силу тока к минимуму, время зарядки будет слишком долгим. А большой ток приведет к «закипанию» автомобильной батареи, в результате она не сможет полностью зарядиться.

Минусы метода:

• Сильное газовыделение;
• Необходимо регулярно стабилизировать силу тока.

Метод зарядки постоянным напряжением. Применяя такой способ можно быстро подзарядить АКБ до 90-96% объема. Но есть и минус – автомобильная батарея сильно нагревается. Сила тока при зарядке может быть высокой, по мере увеличения напряжения, но и может приближаться к нулю. Напряжение источника при зарядке находится в диапазоне 14.6-15 В.

Стоит помнить. Зарядку аккумулятора следует проводить в вентилируемом помещении. Зарядка должна выполняться только постоянным током.

И в заключение…

Теперь Вы узнали, как проверить заряд аккумулятора автомобиля в домашних условиях. Каждый из способов хорош, и имеет свои особенности. Самый простой способ – проверка мультиметром, а надежный – нагрузочной вилкой. Конечно же, можно проверить состояние батареи и без вольтметра, через специальное окошко, если оно есть.

Помните! Если напряжение Вашего аккумулятора меньше 12.5 В и плотность электролита опустилось до 1.24 гсм.куб, то обязательно подзарядите его при помощи ЗУ.

Также, Вы можете посмотреть видео как проверить заряд аккумулятора автомобиля в домашних условиях:

Поэтому, чтобы утром избежать проблем с заводкой авто, особенно когда температура на улице значительно меньше 0 градусов, каждый водитель обязан знать как проверить акб автомобиля.

Замерить емкость аккумуляторной батареи следует в обязательно порядке перед наступлением холодов.

Формула напряженности электрического поля в физике

Содержание:

Определение и формула напряженности электрического поля

Определение

Вектор напряженности $\bar{E}$ – это силовая характеристика электрического поля. {\prime}-\bar{r}\right) d V$

Читать дальше: Формула пути.

Как узнать заряд наушников на телефоне iPhone и Android?

Разберёмся в том, как узнать заряд беспроводных блютуз наушников на любом телефоне с Android и iOS (iPhone).

Суть статьи: если уровень заряда не отображается в разделе с подключёнными Bluetooth устройствами, то нужно установить приложение для отображения заряда: фирменное или универсальное. Подробности о том, как проверить заряд любых наушников – ниже.

Точность отображения уровня заряда зависит от многих параметров: версии Bluetooth (и конкретных протоколов в нём) на телефоне и наушниках, версии Android, особенностями работы отдельных приложений и прочего. Но в большинстве случаев заряд показывается более-менее точно: чаще всего с шагом в 10%, иногда в более «крупным» шагом.

⭐ Цены на лучшие беспроводные наушники в 2021 году: 

1. Стандартная проверка заряда батареи беспроводных наушников на Android (в настройках)

Самый простой способ, как посмотреть заряд батареи Bluetooth наушников на Android – это в верхнем правом углу экрана у часов, состояния подключения к сетям и так далее. Должен быть значок Bluetooth и визуализированный (в виде полной или неполной батареи) уровень зарядки.

Смотрим остаток заряда на беспроводных наушниках в «трее»

Естественно, для того, чтобы узнать заряд беспроводных наушников через телефон, нужно их сначала к нему подключить. 😉

Однако, не на всех телефонах и не во всех версиях Android это работает. Если у часов ничего такого не видите, стоит открыть список Bluetooth устройств. Там около подключённых наушников будет и пиктограмма батареи и цифровое обозначение остатка зарядки.

Уровень заряда наушниках в Bluetooth устройствах

⭐ Цены на лучшие беспроводные TWS наушники в 2021 году: 

2. Устанавливаем приложение для проверки заряда — Test bluetooth Ring & Battery

Если стандартным способом уровень заряда блютуз наушников не отображается, то можно установить специальное приложение Test bluetooth Ring & Battery.

У многих современных моделей наушников есть фирменная программа-компаньон, где есть те или иные возможности. Остаток зарядки обычно в таких приложениях виден, правда, бывают и исключения. Если фирменной программы нет, то можно использовать универсальное приложение для отображения уровня заряда беспроводных наушников. В Google Play Store есть несколько таких вариантов.

Ссылки на программы для просмотра заряда наушников:

Test bluetooth Ring & Battery. Shows on Widget — Скриншоты:

Теоретически, может быть такой случай, когда ни один из вариантов не работает. Но это обычно бывает только с совсем уж «ноунейм» наушниками китайского производства. И то редко. 😉 Если что, комментарии внизу.

Батарея и электропитание Surface

Get help for Surface running Windows 8.1.

Примечание:  Некоторые продукты могут быть недоступны в вашей стране или вашем регионе.

Устройство Surface оснащено внутренней литий-ионной батареей. Время работы от батареи зависит от того, в каких целях используется Surface.

Примечание

Сведения на этой странице не относятся к Surface Studio.

Видео: «Оптимизация использования батареи Surface»

Примечание

Это видео доступно только на английском языке.

Как определить уровень заряда батареи?

Информация о состоянии батареи отображается в нескольких элементах пользовательского интерфейса.

Устройство Surface предупредит вас, когда батарея разрядится. Если не зарядить батарею после получения этого предупреждения, устройство Surface сохранит данные и завершит работу.

Зарядка устройства Surface

Для зарядки батареи используйте блок питания, с которым поставлялось устройство Surface. Можно подключать разъем для зарядки к порту для зарядки Surface в любом направлении, за исключением модели Surface 3, в котором разъем для зарядки необходимо подключить с помощью кабеля, расширяющегося к низу, и светодиодным индикатором к вам.

Важно!

Устройство Surface рассчитано на использование источника питания, включенного в комплект поставки. Использование сторонних источников питания может замедлить зарядку.

Как определить, заряжается ли батарея?

Во время зарядки Surface на разъеме загорится маленький индикатор, чтобы показать, что Surface заряжается, и на значке состояния батареи будет отображаться изображение электрической вилки.

Если индикатор не горит или значок не показывает, что батарея заряжается (вы не видите изображение электрической вилки на значке), см. раздел Surface не включается, не запускается Windows, или не заряжается аккумулятор.

Сколько времени занимает зарядка Surface?

Если батарея разряжена до 0%, ее полная зарядка может занять несколько часов. Если во время зарядки на устройстве Surface работают приложения, потребляющие значительные ресурсы батареи (например, видеоигры или службы потокового видео), время зарядки может увеличиться. Чтобы увидеть примерное время до полной зарядки аккумулятора, выберите значок батареи в правой части панели задач.

Surface Book

Батареи Surface Book могут заряжаться асинхронно, в зависимости от состояния каждой из них. Если уровень заряда одной из батарей составляет менее 20%, эта батарея будет заряжаться в первую очередь. Если уровень заряда обоих батарей составляет 20%, сначала заряжается батарея, расположенная в сегменте клавиатуры (до 85%), а затем обе батареи заряжаются до 100%.

Возникли проблемы с батареей или питанием?

Дополнительные сведения см. в разделе Surface не включается, не запускается Windows, или не заряжается аккумулятор.

Питание подается через USB-порт для зарядки (только для Surface Book и Surface Pro)

Если блок питания, поставляемый в комплекте с Surface, оснащен USB-портом, его можно использовать для зарядки других устройств (например, телефона) пока заряжается ваше устройство Surface.

USB-порт на блоке питания предназначен только для зарядки, а не для передачи данных с устройства на Surface.

Дополнительные сведения см. в статье Подключение USB-мыши, принтера и других устройств.

Увеличение времени работы батареи

Выберите режим питания, чтобы продлить время работы батареи и повысить ее производительность

На некоторых моделях Surface можно использовать «Режим питания», который влияет на время работы устройства от аккумулятора и производительность планшета Surface.

Чтобы перейти в другой режим питания, щелкните значок аккумулятора на панели задач Windows. Если требуется сэкономить заряд аккумулятора, чтобы отправить сообщение или досмотреть фильм, выберите режим питания с более низким электропотреблением, например Рекомендуемый или Экономия заряда. Если же вам требуется более высокая производительность устройства для игры или использования гарнитуры Windows Mixed Reality, выберите режим питания с более высоким электропотреблением, например Макс. производительность.

Общие советы и рекомендации по работе с батареей

Со способами экономии заряда батареи можно ознакомиться в разделе Советы по экономии заряда батареи.

Установите последние обновления Windows и Surface

Установка последних обновлений помогает обеспечить максимальную производительность Surface. Дополнительные сведения см. в статье Установка обновлений для Surface и Windows.

Настройка других параметров

Существует несколько параметров, которые можно настроить для экономии заряда батареи.

• Включите параметр Переводить меня в режим энергосбережения, когда устройство знает, что я отсутствую.

• Настройте параметр Отключаться от сети, когда компьютер находится в спящем режиме и работает от батареи (выберите Всегда или При закрытии крышки вместо Никогда).

Чтобы изменить эти параметры, введите питание и спящий режим в поле поиска на панели задач.

Следуйте этим советам, чтобы продлить срок службы батареи:

• 
  Не допускайте перегрева батареи. Устройство Surface предназначено для использования при температуре от 0 °C до 35 °C. Литий-ионные батареи чувствительны к высоким температурам, поэтому необходимо беречь устройство Surface от прямых солнечных лучей и не оставлять его в нагретом автомобиле.

• 
  Раз в месяц заряжайте ее при 10% заряда или ниже. Батарею можно заряжать в любое время, но лучше всего разрешать батарее разряжаться ниже 10% по крайней мере раз в месяц перед тем, как зарядить ее.

Если батарея дефектна, существует гарантия. Дополнительные сведения см. в разделе Стандартная гарантия Surface и план Microsoft Complete для Surface.

Уход за шнуром питания

Подробнее о том, как правильно ухаживать за шнуром питания, см. в статье Очистка устройства Surface и уход за ним.

Отправка отзывов в Майкрософт с помощью приложения «Центр отзывов»

С помощью приложения «Центр отзывов» вы можете сообщить Майкрософт обо всех проблемах, с которыми вы столкнетесь при использовании Windows 10, или отправить свои предложения по улучшению ОС Windows. Перейдите в приложение «Центр отзывов», чтобы поделиться своим мнением о компоненте «Питание и батарея».

Связанные статьи

Как определить заряд атома

Обновлено 1 марта 2020 г.

Ли Джонсон

Рецензент: Lana Bandoim, B. S.

В большинстве случаев определить заряд атома легко, но не во всех. Атомы удерживаются вместе за счет электромагнитных сил между протонами в ядре и окружающими его электронами, а это означает, что большую часть времени на самом деле особо не над чем работать.

Но когда элементы теряют или приобретают электрон (или более одного) и становятся ионами , все становится немного сложнее, и вам придется обратиться к периодической таблице, чтобы узнать, какой заряд может быть.

Заряд элементов

В стандартных формах элементы имеют нетто-заряда . Число положительно заряженных протонов идеально сбалансировано числом отрицательно заряженных электронов, и заряды на каждом из них противоположны, но имеют равную величину.

Это имеет смысл как «естественное» состояние атома, потому что, если бы они удерживали чистый заряд, они были бы намного более реактивными и, вероятно, не могли бы оставаться в одном и том же состоянии очень долго, прежде чем с чем-то взаимодействовать.Так что в большинстве случаев заряд атома один и тот же: ноль.

Общие сведения об ионах

Ионами называют атомы, которые получили или потеряли один или несколько электронов, оставив их с чистым зарядом. Атомы, теряющие электрон, приобретают положительный заряд и становятся катионами.

Для атомов, которые получают электрон, они приобретают чистый отрицательный заряд и становятся анионами. Это просто названия положительно и отрицательно заряженных ионов, чтобы помочь отличить их от нейтральных атомов и друг от друга.

Важно понимать, что ионы являются единственными типами атомов с чистым зарядом . Для удобства химики (и в большинстве случаев ученые в целом) принимают заряд электрона равным -1, в то время как заряд протона равен +1.

На самом деле это очень конкретные количества заряда, ± 1,602 × 10 ^-19 кулонов, но работа с такими крошечными количествами редко бывает необходима. Для большинства расчетов вы рассматриваете это как «единицу» заряда (иногда обозначается символом e ), и все намного проще.

Заряды ионов в Периодической таблице

Положение элемента в периодической таблице (см. Ресурсы) говорит вам о типе ионов, которые он будет образовывать, при этом элементы справа образуют анионы (отрицательный заряд), а те, что левее образующие катионы (положительный заряд).

Это связано с тем, что периодическая таблица построена в соответствии с количеством электронов во внешней «оболочке» атома, а ионы образуются с атомами, которые либо теряют, либо приобретают электроны, так что их внешние оболочки заполнены.Каждая «группа» периодической таблицы связана с различным зарядом иона.

Первые две группы имеют элементы только с одним или двумя электронами в их внешних оболочках, группы 1 и 2 соответственно. Они теряют электроны, чтобы получить заряд +1 или +2, а элементы группы 13 имеют три электрона на своей внешней оболочке и образуют ионы с зарядом +3.

Элементы группы 14 имеют четыре электрона на своих внешних оболочках и обычно связываются ковалентно, но они получат заряд +4, если образуют ион.Группы 15, 16 и 17 имеют 5, 6 и 7 электронов на своих внешних оболочках и получают электроны, чтобы получить ионные заряды -3, -2 и -1 соответственно.

Остальные элементы (из средних групп таблицы) не так легко классифицировать, потому что их электронные структуры различаются несколько более сложным образом.

Однако, например, серебро может образовывать ион с зарядом +1, тогда как цинк и кадмий могут иметь заряд +2. Чтобы выяснить, образуют ли атомы этих групп ионы в более общем смысле, и определить их заряды, лучше всего напрямую найти интересующий вас элемент.

Как рассчитать заряд иона

Обновлено 1 февраля 2020 г.

Рити Гупта

Рецензент: Lana Bandoim, B.S.

У атомов есть желание потерять или получить электрон, чтобы оставаться стабильными. Как только они приобрели или потеряли несколько электронов, у них появляется связанный с ними заряд, так как их количество электронов и протонов больше не уравновешивается. Но что определяет, что происходит с электронами в атоме? Все связано с количеством электронов в валентной оболочке атома.

Сколько электронов у атома?

Чтобы узнать, сколько электронов имеет атом, достаточно посмотреть атомный номер. Число электронов = атомному номеру . Хлор, например, имеет атомный номер 17. Это означает, что у него 17 электронов.

Будет ли хлор терять или приобретать электроны, зависит от того, как эти 17 электронов расположены вокруг ядра.

Электронная конфигурация

Потеря или усиление электронов происходит для того, чтобы сделать атом более стабильным.Как только этот процесс происходит, он перестает называться атомом, а называется ионом .

Вы можете представить себе электроны, упорядоченные в кольца вокруг ядра атома. Первое кольцо должно содержать два электрона, чтобы быть заполненным. Следующее должно содержать восемь. В общем, когда валентная оболочка заполнена, атом счастлив. Он не хочет ни получить, ни потерять электрон.

Что такое валентная оболочка атома?

Валентная оболочка — это внешняя оболочка электронов, окружающая атом.Количество электронов в этой оболочке важно для определения того, как атом будет реагировать и каким зарядом может стать ион.

Многим элементам, о которых вы чаще всего думаете на уроках биологии и химии, для стабильности требуется восемь электронов в валентной оболочке. Это называется правилом октетов .

Допустим, вы знаете, что у какого-то атома 10 электронов (можете ли вы выяснить, что это за элемент?). Сколько будет в валентной оболочке? Сначала вы убираете два из 10, так как в первом кольце есть 2 выбора. Остается восемь электронов. Это означает, что в валентной оболочке восемь электронов и что валентная оболочка заполнена.

Если валентная оболочка заполнена, ничего не произойдет. Атом не ионизируется. В результате на атоме не будет заряда.

В этом примере у вас неон (вы догадались, что это неон?). Неон имеет полную валентную оболочку и поэтому не имеет заряда. Так что же происходит, когда валентная оболочка не заполнена?

Становление ионом

Атомы хотят иметь оболочку с полной валентностью, и они хотят сделать это как можно проще.

Например, снова взглянем на хлор. В нем 17 электронов. Сколько в вэйлансе? Первые два уровня будут заполнены 10 электронами. Это означает, что в валентной оболочке осталось семь электронов. Это означает, что хлор хочет получить электрон, чтобы иметь полную валентную оболочку. Что происходит с зарядом, когда он получает один электрон?

Начнем с того, что электроны и протоны уравновешены. Хлор имеет 17 электронов (заряд -17) и 17 протонов (заряд +17), поэтому общий заряд равен нулю.Однако, как только хлор получает электрон, общее количество становится равным -1, так как теперь имеется 18 электронов и 17 протонов. В результате хлор — это отрицательно заряженный ион. Он записывается как: Cl ^— .

Отрицательно заряженные ионы называются анионами . А как насчет положительно заряженных ионов? Их называют катионами . Взгляните на этот пример того, как образуется катион:

Магний имеет атомный номер 12. Это означает, что он имеет 12 электронов и 12 протонов.Теперь, как настроены выборы, и сколько электронов находится в валентной оболочке?

Первые две оболочки заполнены, первая с двумя электронами, а вторая с восемью. Все, что осталось, — это два электрона в валентной оболочке. Теперь атомы могут получить шесть электронов, чтобы добраться до восьми для полной оболочки, или они могут потерять два, чтобы добраться до полной оболочки. Второй способ намного проще. В результате магний теряет два электрона.

После потери двух электронов заряд атома становится +2, так как теперь имеется 10 электронов (-10) и 12 протонов (+12).Он записывается как: Mg ²⁺ .

Заряд ионов и периодическая таблица

В периодической таблице существует тенденция к образованию ионов. Группы 1, 2, 13 и 14 имеют тенденцию становиться положительно заряженными. Это означает, что они предпочли бы потерять часть электронов, чтобы добраться до полной валентной оболочки.

Группы 15, 16 и 17 имеют тенденцию иметь отрицательный заряд, потому что они предпочитают получать электроны, чтобы добраться до полной валентной оболочки.

Наконец, в группу 18 входят благородные газы.Эти элементы уже имеют полную валентную оболочку. По этой причине они вряд ли потеряют или приобретут электрон и чрезвычайно стабильны.

7.4 Формальные заряды и резонанс — химия

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Вычислить формальные заряды для атомов в любой структуре Льюиса
• Используйте формальные заряды, чтобы определить наиболее разумную структуру Льюиса для данной молекулы
• Объясните концепцию резонанса и нарисуйте структуры Льюиса, представляющие резонансные формы для данной молекулы

В предыдущем разделе мы обсуждали, как писать структуры Льюиса для молекул и многоатомных ионов.Однако, как мы видели, в некоторых случаях, по-видимому, для молекулы существует более одной допустимой структуры. Мы можем использовать концепцию формальных сборов, чтобы помочь нам предсказать наиболее подходящую структуру Льюиса, когда разумно несколько.

Формальный заряд атома в молекуле — это гипотетический заряд , который имел бы атом, если бы мы могли равномерно перераспределить электроны в связях между атомами. Другими словами, формальный заряд получается, когда мы берем количество валентных электронов нейтрального атома, вычитаем несвязывающие электроны, а затем вычитаем количество связей, связанных с этим атомом в структуре Льюиса.

Таким образом, формальный сбор мы рассчитываем следующим образом:

[латекс] \ text {формальный заряд} = \ # \; \ text {электроны валентной оболочки (свободный атом)} \; — \; \ # \; \ text {электроны неподеленной пары} \; — \ frac {1} {2} \ # \; \ text {связывающие электроны} [/ латекс]

Мы можем перепроверить формальные расчеты сборов, определив сумму формальных сборов для всей конструкции. Сумма формальных зарядов всех атомов в молекуле должна быть равна нулю; сумма формальных зарядов в ионе должна равняться заряду иона.

Мы должны помнить, что формальный заряд, вычисленный для атома, не является фактическим зарядом атома в молекуле. Официальная оплата — это всего лишь полезная процедура бухгалтерского учета; он не указывает на наличие реальных сборов.

Пример 1

Расчет формального заряда по структурам Льюиса
Присвойте формальные заряды каждому атому в ионе межгалогена ICl ₄ ^—.

Решение

1. Разделим связывающие электронные пары поровну для всех связей I – Cl:
   
2. Мы относим неподеленные пары электронов к их атомам .Каждому атому Cl теперь соответствует семь электронов, а атому I — восемь.
3. Вычтите это число из числа валентных электронов нейтрального атома: I: 7 — 8 = –1Cl: 7 — 7 = 0 Сумма формальных зарядов всех атомов равна –1, что идентично заряд иона (–1).

Проверьте свои знания
Вычислите формальный заряд для каждого атома в молекуле окиси углерода:

Пример 2

Расчет формального заряда по структурам Льюиса
Присвойте формальные заряды каждому атому в молекуле межгалогена BrCl ₃ .

Решение

1. Назначьте один из электронов в каждой связи Br – Cl атому Br, а один — атому Cl в этой связи:
   
2. Назначьте неподеленные пары их атомам. Теперь каждый атом Cl имеет семь электронов, а атом Br — семь электронов.
3. Вычтите это число из количества валентных электронов нейтрального атома. Это дает формальный заряд: Br: 7-7 = 0Cl: 7-7 = 0

   Все атомы в BrCl ₃ имеют формальный заряд ноль, а сумма формальных зарядов равна нулю, как и должно быть в нейтральной молекуле.

Проверьте свои знания
Определите формальный заряд для каждого атома в NCl ₃ .

Ответ:

N: 0; все три атома Cl: 0

Расположение атомов в молекуле или ионе называется его молекулярной структурой . Во многих случаях выполнение шагов по написанию структур Льюиса может привести к более чем одной возможной молекулярной структуре — например, к различным расположениям электронов с множественными связями и неподеленными парами или различным расположениям атомов.Несколько рекомендаций, касающихся формального заряда, могут помочь решить, какая из возможных структур наиболее вероятна для конкретной молекулы или иона:

1. Молекулярная структура, в которой все формальные заряды равны нулю, предпочтительнее, чем структура, в которой некоторые формальные заряды не равны нулю.
2. Если структура Льюиса должна иметь ненулевые формальные заряды, предпочтительнее расположение с наименьшими ненулевыми формальными зарядами.
3. Структуры Льюиса предпочтительны, когда соседние формальные заряды равны нулю или имеют противоположный знак.
4. Когда мы должны выбрать одну из нескольких структур Льюиса с аналогичным распределением формальных зарядов, предпочтительна структура с отрицательными формальными зарядами на более электроотрицательных атомах.

Чтобы увидеть, как применяются эти рекомендации, давайте рассмотрим некоторые возможные структуры для диоксида углерода, CO ₂ . Из нашего предыдущего обсуждения мы знаем, что менее электроотрицательный атом обычно занимает центральное положение, но формальные заряды позволяют нам понять , почему это происходит . Мы можем изобразить три варианта структуры: углерод в центре и двойные связи, углерод в центре с одинарной и тройной связью и кислород в центре с двойными связями:

Сравнивая три формальных платежа, мы можем окончательно определить структуру слева как предпочтительную, потому что она имеет только формальные нулевые сборы (Рекомендация 1).

В качестве другого примера, тиоцианат-ион, ион, образованный из атома углерода, атома азота и атома серы, может иметь три разные молекулярные структуры: CNS ^—, NCS ^— или CSN ^—.Формальные заряды, присутствующие в каждой из этих молекулярных структур, могут помочь нам выбрать наиболее вероятное расположение атомов. Возможные структуры Льюиса и формальные заряды для каждой из трех возможных структур тиоцианат-иона показаны здесь:

Обратите внимание, что сумма формальных зарядов в каждом случае равна заряду иона (–1). Однако предпочтительнее первое расположение атомов, поскольку оно имеет наименьшее количество атомов с ненулевым формальным зарядом (Рекомендация 2).Кроме того, он помещает наименее электроотрицательный атом в центр, а отрицательный заряд — на более электроотрицательный элемент (Рекомендация 4).

Пример 3

Использование формального заряда для определения молекулярной структуры
Закись азота, N ₂ O, широко известная как веселящий газ, используется в качестве анестетика при незначительных операциях, таких как обычное удаление зубов мудрости. Какова вероятная структура закиси азота?

Решение
Определение формального платежа дает следующее:

Структура с концевым атомом кислорода наилучшим образом удовлетворяет критерию наиболее устойчивого распределения формального заряда:

Количество атомов с формальными зарядами сведено к минимуму (Рекомендация 2), и нет формальных зарядов больше единицы (Рекомендация 2).Это снова согласуется с предпочтением иметь менее электроотрицательный атом в центральном положении.

Проверьте свои знания
Какая молекулярная структура является наиболее вероятной для нитритного (NO ₂ ^— ) иона?

Вы могли заметить, что нитрит-анион в Примере 3 может иметь две возможные структуры с атомами в одинаковых положениях. Однако электроны, участвующие в двойной связи N – O, находятся в разных положениях:

Если нитрит-ионы действительно содержат одинарную и двойную связь, мы ожидаем, что длины этих двух связей будут разными.Двойная связь между двумя атомами короче (и прочнее), чем одинарная связь между теми же двумя атомами. Однако эксперименты показывают, что обе связи N – O в NO ₂ ^— имеют одинаковую прочность и длину и идентичны по всем остальным свойствам.

Невозможно записать единую структуру Льюиса для NO ₂ ^—, в которой азот имеет октет и обе связи эквивалентны. Вместо этого мы используем концепцию резонанса : если две или более структуры Льюиса с одинаковым расположением атомов могут быть записаны для молекулы или иона, фактическое распределение электронов будет в среднем на из того, что показано различными структурами Льюиса. .Фактическое распределение электронов в каждой из связей азот-кислород в NO ₂ ^— является средним для двойной связи и одинарной связи. Мы называем отдельные структуры Льюиса резонансными формами . Фактическая электронная структура молекулы (среднее значение резонансных форм) называется гибридом резонанса , индивидуальных резонансных форм. Двунаправленная стрелка между структурами Льюиса указывает на то, что они являются резонансными формами. Таким образом, электронная структура иона NO ₂ ^— представлена ​​как:

Мы должны помнить, что молекула, описываемая как резонансный гибрид , никогда не обладает электронной структурой, описываемой любой из резонансных форм. Он не колеблется между резонансными формами; скорее, реальная электронная структура — это , всегда на среднее значение, показанное для всех резонансных форм. Джордж Веланд, один из пионеров теории резонанса, использовал историческую аналогию для описания взаимосвязи между резонансными формами и резонансными гибридами. Средневековый путешественник, никогда раньше не встречавший носорога, описал его как гибрид дракона и единорога, потому что он имел много общих свойств с обоими. Подобно тому, как носорог иногда не является драконом и не единорогом в другое время, резонансный гибрид не является ни одной из его резонансных форм в любой момент времени.Как и носорог, это реальная сущность, существование которой показали экспериментальные данные. У него есть некоторые общие характеристики с его резонансными формами, но сами резонансные формы представляют собой удобные воображаемые изображения (например, единорог и дракон).

Карбонат-анион, CO ₃ ²⁻, дает второй пример резонанса:

Один атом кислорода должен иметь двойную связь с углеродом, чтобы завершить октет на центральном атоме. Однако все атомы кислорода эквивалентны, и двойная связь может образовываться из любого одного из трех атомов.Это приводит к возникновению трех резонансных форм карбонат-иона. Поскольку мы можем записать три идентичные резонансные структуры, мы знаем, что фактическое расположение электронов в карбонат-ионе является средним из трех структур. Опять же, эксперименты показывают, что все три связи C – O абсолютно одинаковы.

Онлайн-программа Lewis Structure Make включает множество примеров для практики рисования резонансных структур.

В структуре Льюиса формальные заряды можно назначить каждому атому, рассматривая каждую связь, как если бы половина электронов была назначена каждому атому.Эти гипотетические формальные обвинения служат руководством для определения наиболее подходящей структуры Льюиса. Предпочтительна структура, в которой формальные расходы максимально близки к нулю. Резонанс возникает в тех случаях, когда можно записать две или более структур Льюиса с одинаковым расположением атомов, но с различным распределением электронов. Фактическое распределение электронов (резонансный гибрид) является средним от распределения, указанного отдельными структурами Льюиса (резонансные формы).

• [латекс] \ text {формальный заряд} = \ # \; \ text {электроны валентной оболочки (свободный атом)} \; — \; \ # \; \ text {электроны неподеленной пары} \; — \ frac {1} {2} \ # \; \ text {связывание электронов} [/ latex]

Химия: упражнения в конце главы

1. Напишите резонансные формы, описывающие распределение электронов в каждой из этих молекул или ионов.

   (а) диоксид селена, OSeO

   (б) нитрат-ион, NO ₃ ^—

   (c) азотная кислота, HNO ₃ (N связан с группой OH и двумя атомами O)

   (d) бензол, C ₆ H ₆ :

   (е) формиат-ион:

2. Напишите резонансные формы, описывающие распределение электронов в каждой из этих молекул или ионов.

   (а) диоксид серы, SO ₂

   (б) карбонат-ион, CO ₃ ²⁻

   (c) гидрокарбонат-ион, HCO ₃ ^— (C связан с группой OH и двумя атомами O)

   (d) пиридин:

   (е) аллильный ион:

3. Напишите резонансные формы озона, O ₃ , компонента верхних слоев атмосферы, защищающего Землю от ультрафиолетового излучения.
4. Нитрит натрия, который использовали для консервирования бекона и другого мяса, представляет собой ионное соединение.Запишите резонансные формы нитрит-иона, NO ₂ ^— .
5. С точки зрения присутствующих связей, объясните, почему уксусная кислота, CH ₃ CO ₂ H, содержит два различных типа углерод-кислородных связей, тогда как ацетат-ион, образованный потерей иона водорода из уксусной кислоты, только содержит один тип углерод-кислородной связи. Показаны скелетные структуры этих видов:
6. Напишите структуры Льюиса для следующего и включите резонансные структуры, где это необходимо.Укажите, какая углеродно-кислородная связь самая прочная.

   (а) CO ₂

   (б) CO

7. Зубные пасты, содержащие гидрокарбонат натрия (бикарбонат натрия) и перекись водорода, широко используются. Напишите структуры Льюиса для иона гидрокарбоната и молекулы перекиси водорода с резонансными формами там, где это необходимо.
8. Определите формальную плату за каждый элемент в следующем:

   (а) HCl

   (б) CF ₄

   (в) PCl ₃

   (г) ПФ ₅

9. Определите формальную плату за каждый элемент в следующем:

   (а) H ₃ O ⁺

   (б) СО ₄ ²⁻

   (в) NH ₃

   (г) O ₂ ²⁻

   (д) H ₂ O ₂

10. Рассчитайте формальный заряд хлора в молекулах Cl ₂ , BeCl ₂ и ClF ₅ .
11. Рассчитайте формальный заряд каждого элемента в следующих соединениях и ионах:

    (а) Ф ₂ CO

    (б) НЕТ ^—

    (в) BF ₄ ^—

    (г) SnCl ₃ ^—

    (e) H ₂ CCH ₂

    (ж) ClF ₃

    (г) SeF ₆

    (ч) PO ₄ ³⁻

12. Изобразите все возможные резонансные структуры для каждого из этих соединений.Определите формальный заряд на каждом атоме в каждой из резонансных структур:

    (а) O ₃

    (б) СО ₂

    (в) НЕТ ₂ ^—

    (г) НЕТ ₃ ^—

13. Исходя из формальных соображений заряда, какое из следующего могло бы быть правильным расположением атомов в нитрозилхлориде: ClNO или ClON?
14. Исходя из формальных соображений заряда, какое из следующего могло бы быть правильным расположением атомов в хлорноватистой кислоте: HOCl или OClH?
15. Исходя из формальных соображений заряда, какое из следующего могло бы быть правильным расположением атомов в диоксиде серы: OSO или SOO?
16. Изобразите структуру гидроксиламина, H ₃ NO, и назначьте формальные заряды; посмотрите структуру. Соответствует ли фактическая структура официальным обвинениям?
17. Йод образует ряд фторидов (перечислены здесь). Напишите структуры Льюиса для каждого из четырех соединений и определите формальный заряд атома йода в каждой молекуле:

    (а) IF

    (б) IF ₃

    (c) IF ₅

    (d) IF ₇

18. Напишите структуру Льюиса и химическую формулу соединения с молярной массой около 70 г / моль, которое содержит 19.7% азота и 80,3% фтора по массе и определяют формальный заряд атомов в этом соединении.
19. Какую из следующих структур мы ожидаем от азотистой кислоты? Определите формальные обвинения:
20. Серная кислота — это промышленный химикат, производимый в наибольшем количестве во всем мире. Только в Соединенных Штатах ежегодно производится около 90 миллиардов фунтов стерлингов. Напишите структуру Льюиса для серной кислоты, H ₂ SO ₄ , которая имеет два атома кислорода и две группы OH, связанные с серой.

Глоссарий

официальное обвинение

заряд, который возникнет на атоме, если взять количество валентных электронов на нейтральном атоме и вычесть несвязывающие электроны и количество связей (половина связывающих электронов)

молекулярная структура

расположение атомов в молекуле или ионе

резонанс

ситуация, в которой одной структуры Льюиса недостаточно для описания связи в молекуле и наблюдается среднее значение нескольких структур

резонансные формы

две или более структуры Льюиса, которые имеют одинаковое расположение атомов, но разное расположение электронов

резонансный гибрид

среднее из резонансных форм, показанных отдельными структурами Льюиса

Решения

Ответы на упражнения в конце главы по химии

2. (а)

(б)

(в)

(г)

(д)

4.

6. (а)

(b)

CO имеет самую прочную связь углерод-кислород, потому что существует тройная связь, соединяющая C и O. CO ₂ имеет двойные связи.

8. (а) H: 0, Cl: 0; (б) C: 0, F: 0; (c) P: 0, Cl 0; (d) P: 0, F: 0

10. Cl в Cl ₂ : 0; Cl в BeCl ₂ : 0; Cl в ClF ₅ : 0

12.а)
;

(б)
;

(с)
;

(г)

14. HOCl

16. Структура, дающая нулевые формальные сборы, соответствует реальной структуре:

18. NF ₃ ;

20.

2.3: Формальные заряды — Chemistry LibreTexts

Определение формальных зарядов на атоме

Формальный заряд сравнивает количество электронов вокруг «нейтрального атома» (атома не в молекуле) с количеством электронов вокруг атома в молекуле.Формальный заряд назначается атому в молекуле, если предполагается, что электроны во всех химических связях одинаково распределяются между атомами, независимо от относительной электроотрицательности. Для расчета формальных зарядов мы относим электроны в молекуле к отдельным атомам в соответствии со следующими правилами:

• Несвязывающие электроны присваиваются атому, на котором они расположены.
• Связующие электроны делятся поровну между двумя связанными атомами, поэтому по одному электрону от каждой связи идет к каждому атому.

Формальный заряд каждого атома в молекуле можно рассчитать с помощью следующего уравнения:

Формальный заряд = (количество валентных электронов в свободном атоме) — (количество электронов неподеленной пары) — (1/2 количество электронов пары связей) Уравнение. 2.3.1

Чтобы проиллюстрировать этот метод, давайте вычислим формальный заряд атомов в аммиаке (NH ₃ ), чья структура Льюиса выглядит следующим образом:

У нейтрального атома азота пять валентных электронов (он находится в группе 15). Согласно структуре Льюиса, атом азота в аммиаке имеет одну неподеленную пару и три связи с атомами водорода. Подставляя в уравнение 2.3.1, получаем

Формальный заряд N = (5 валентных e-) — (2 одиночных пары e-) — (1/2 x 6 пар связей e-) = 0

Нейтральный атом водорода имеет один валентный электрон. Каждый атом водорода в молекуле не имеет несвязывающих электронов и не имеет одной связи. Используя уравнение 2.3.1 для расчета формального заряда водорода, получаем

Формальный заряд H = (1 валентность e-) — (0 одиночная пара e-) — (1/2 x 2 пары связей e-) = 0

Сумма формальных зарядов каждого атома должна быть равна общему заряду молекулы или иона.В этом примере азот и каждый водород имеют формальный нулевой заряд. В сумме общий заряд равен нулю, что соответствует общему нейтральному заряду молекулы NH ₃ .

Обычно структура с наиболее формальными нулевыми зарядами на атомах является более стабильной структурой Льюиса. В случаях, когда ДОЛЖНЫ быть положительные или отрицательные формальные заряды на различных атомах, наиболее стабильные структуры обычно имеют отрицательные формальные заряды на более электроотрицательных атомах и положительные формальные заряды на менее электроотрицательных атомах.Следующий пример дополнительно демонстрирует, как рассчитать формальные заряды для многоатомных ионов.

Пример 2.3.1

Вычислите формальные заряды каждого атома в ионе NH ₄ ⁺ .

Дано: химических веществ

Запрошено: формальных сборов

Стратегия:

Определите количество валентных электронов в каждом атоме иона NH ₄ ⁺ . Используйте электронную структуру Льюиса NH ₄ ⁺ , чтобы определить количество связывающих и несвязывающих электронов, связанных с каждым атомом, а затем используйте уравнение 2. 3.1 для расчета формального заряда каждого атома.

Решение:

Электронная структура Льюиса для иона NH ₄ ⁺ выглядит следующим образом:

У атома азота в аммонии ноль несвязывающих электронов и 4 связи. Таким образом, используя уравнение 2.3.1, формальный заряд атома азота равен

.

Формальный заряд N = (5 валентность e-) — (0 одиночная пара e-) — (1/2 x 8 пара связей e-) = +1

формальных сборов (N) = 5− (0 + 82) = 0

Каждый атом водорода в имеет одну связь и ноль несвязывающих электронов.Таким образом, формальный заряд каждого атома водорода составляет

.

Формальный заряд H = (1 валентность e-) — (0 одиночная пара e-) — (1/2 x 2 пары связей e-) = 0

формальных сборов (H) = 1− (0 + 22) = 0

Формальные заряды на атомах в ионе NH ₄ ⁺ , таким образом, равны

Суммирование формальных зарядов на атомах должно дать нам общий заряд молекулы или иона. В этом случае сумма формальных зарядов равна 0 + 1 + 0 + 0 + 0 = +1, что равно общему заряду многоатомного иона аммония.

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

Запишите формальные заряды всех атомов в BH ₄ ^— .

Ответ

.

Определение заряда атомов в органических структурах

Рассмотренный выше метод расчета формальных зарядов на атомах является важной отправной точкой для начинающего химика-органика и хорошо работает при работе с небольшими структурами.Но этот метод становится неоправданно трудоемким при работе с более крупными конструкциями. Было бы чрезвычайно утомительно определять формальные заряды на каждом атоме в 2′-дезоксицитидине (одном из четырех нуклеозидных строительных блоков, составляющих ДНК) с помощью уравнения 2.3.1. По мере того, как вы приобретете больше опыта с органическими структурами, вы сможете быстро взглянуть на этот тип сложной структуры и определить заряды на каждом атоме.

Вам необходимо развить способность быстро и эффективно рисовать большие конструкции и определять формальные расходы.К счастью, это требует лишь некоторой практики в распознавании общих паттернов связи.

Органическая химия имеет дело только с небольшой частью таблицы Менделеева, настолько, что становится удобно распознавать формы связи этих атомов. На рисунке ниже показаны наиболее важные формы склеивания. Они будут подробно рассмотрены ниже. Важно отметить, что большинство атомов в молекуле нейтральны. Обратите особое внимание на нейтральные формы элементов ниже, потому что именно так они будут выглядеть большую часть времени.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Структуры обычных органических атомов и ионов.

Углерод

Углерод, важнейший элемент для химиков-органиков. В структурах метана, метанола, этана, этена и этина есть четыре связи с атомом углерода. И каждый атом углерода имеет формальный нулевой заряд. Другими словами, углерод четырехвалентный , что означает, что он обычно образует четыре связи.

Углерод четырехвалентен в большинстве органических молекул, но есть исключения.Далее в этой главе и по всей книге приведены примеры органических ионов, называемых «карбокатионами» и «карбанионами», в которых атом углерода имеет положительный или отрицательный формальный заряд, соответственно. Карбокатионы возникают, когда углерод имеет только три связи и не имеет неподеленных пар электронов. Карбокатионы имеют всего 3 валентных электрона и формальный заряд +1. Карбанионы возникают, когда атом углерода имеет три связи плюс одну неподеленную пару электронов. Карбанионы имеют 5 валентных электронов и формальный заряд -1.

Две другие возможности — это углеродные радикалы и карбены, оба из которых имеют нулевой формальный заряд. Углеродный радикал имеет три связи и один неспаренный электрон. Углеродные радикалы имеют 4 валентных электрона и нулевой формальный заряд. Карбены представляют собой высокореактивные частицы, в которых атом углерода имеет две связи и одну неподеленную пару электронов, что дает ему формальный нулевой заряд. Хотя карбены встречаются редко, вы встретите их в разделе 8.10 Добавление карбенов к алкенам.

Вы, безусловно, должны использовать методы, которым вы научились, чтобы проверить правильность этих формальных сборов для примеров, приведенных выше. Что еще более важно, вам нужно будет, прежде чем вы значительно продвинетесь в своем изучении органической химии, просто распознать эти закономерности (и схемы, описанные ниже для других атомов) и уметь быстро идентифицировать атомы углерода, несущие положительные и отрицательные формальные заряды. осмотр.

Водород

Обычный образец связи для водорода прост: атомы водорода в органических молекулах обычно имеют только одну связь, без неспаренных электронов и формальный заряд, равный нулю.Исключением из этого правила являются протон H ⁺ , ион гидрида H ^— и водородный радикал H ^. . Протон представляет собой водород без связей и неподеленных пар с формальным зарядом +1. Ион гидрида представляет собой водород без связей, с парой электронов и формальным зарядом -1. Радикал водорода представляет собой атом водорода без связей, с одним неспаренным электроном и формальным зарядом 0.Поскольку эта книга концентрируется на органической химии применительно к живым существам, мы не будем рассматривать «голые» протоны и гидриды как таковые, потому что они слишком реактивны, чтобы присутствовать в такой форме в водном растворе. Тем не менее, идея о протоне будет очень важна, когда мы будем обсуждать кислотно-щелочную химию, а идея о гидрид-иона станет очень важной намного позже в книге, когда мы будем обсуждать реакции окисления и восстановления органических соединений. Однако, как правило, все атомы водорода в органических молекулах имеют одну связь и не имеют формального заряда.

Кислород

Обычное расположение кислорода с формальным нулевым зарядом — это когда атом кислорода имеет 2 связи и 2 неподеленные пары. Другие конфигурации — это кислород с 1 связью и 3 неподеленными парами, который имеет формальный заряд -1, и кислород с 3 связями и 1 неподеленной парой, который имеет формальный заряд +1. Все три образца кислорода соответствуют правилу октетов.

Если у него две связи и две неподеленные пары, как в воде, он будет иметь нулевой формальный заряд.Если он имеет одну связь и три неподеленные пары, как в гидроксид-ионе, он будет иметь формальный заряд -1. Если он имеет три связи и одну неподеленную пару, как в ионе гидроксония, он будет иметь формальный заряд +1.

Кислород также может существовать в виде радикала, например, когда атом кислорода имеет одну связь, две неподеленные пары и один неспаренный (свободный радикал) электрон, что дает ему формальный нулевой заряд. Однако пока сконцентрируйтесь на трех основных примерах нерадикальных веществ, поскольку они составляют большинство кислородсодержащих молекул, с которыми вы столкнетесь в органической химии.

Азот

Азот имеет два основных типа связывания, каждый из которых соответствует правилу октетов:

Если у азота есть три связи и неподеленная пара, он имеет формальный заряд ноль. Если у него четыре связи (и нет ни одной единственной пары), он имеет формальный заряд +1. В довольно необычной схеме связывания отрицательно заряженный азот имеет две связи и две неподеленные пары.

Фосфор и сера

Два элемента третьего ряда обычно встречаются в биологических органических молекулах: фосфор и сера.Хотя оба этих элемента имеют другие схемы связывания, которые имеют отношение к лабораторной химии, в биологическом контексте сера почти всегда следует той же схеме связывания / формального заряда, что и кислород, в то время как фосфор присутствует в форме фосфат-иона (PO ₄ ^3-), где он имеет пять связей (почти всегда с кислородом), отсутствие неподеленных пар и формальный нулевой заряд. Помните, что элементы в третьей строке периодической таблицы имеют d орбиталей в своей валентной оболочке, а также s и p орбиталей, и, таким образом, не связаны правилом октетов.

Галогены

Галогены (фтор, хлор, бром и йод) очень важны в лабораторной и медицинской органической химии, но реже встречаются в органических молекулах природного происхождения. Галогены в органических соединениях обычно видны с одной связью, тремя неподеленными парами и формальным нулевым зарядом. Иногда, особенно в случае брома, мы встречаемся с реактивными частицами, в которых галоген имеет две связи (обычно в трехчленном кольце), две неподеленные пары и формальный заряд +1.

Эти правила, если их усвоить и усвоить, так что вам даже не нужно о них думать, они позволят вам довольно быстро рисовать большие органические структуры с формальными затратами.

После того, как вы научились рисовать структуры Льюиса, не всегда необходимо рисовать неподеленные пары на гетероатомах, поскольку вы можете предположить, что надлежащее количество электронов присутствует вокруг каждого атома, чтобы соответствовать указанному формальному заряду (или его отсутствию). . Однако иногда рисуются одиночные пары, если это помогает сделать объяснение более ясным.

Упражнение \ (\ PageIndex {2} \)

Укажите атом с ненейтральным зарядом в следующем атоме:

Ответ

CO

₂

1. C менее электроотрицателен, чем O, поэтому это центральный атом.

2. C имеет 4 валентных электрона, и каждый O имеет 6 валентных электронов, всего 16 валентных электронов.

3. Размещение одной электронной пары между C и каждым O дает O – C – O, с оставшимися 12 электронами.

4. Разделение оставшихся электронов между атомами O дает три неподеленные пары на каждом атоме:

Эта структура имеет октет электронов вокруг каждого атома O, но только 4 электрона вокруг атома C.

5. У центрального атома не осталось электронов.

6. Чтобы дать атому углерода октет электронов, мы можем преобразовать две неподеленные пары на атомах кислорода в связывающие электронные пары. Однако есть два способа сделать это. Мы можем взять по одной электронной паре от каждого кислорода, чтобы сформировать симметричную структуру, или взять обе электронные пары от одного атома кислорода, чтобы получить асимметричную структуру:

Обе электронные структуры Льюиса дают всем трем атомам октет.Как нам выбрать между этими двумя возможностями? Формальные заряды для двух льюисовских электронных структур CO ₂ следующие:

Обе структуры Льюиса имеют чистый формальный заряд, равный нулю, но структура справа имеет заряд +1 на более электроотрицательный атом (O). Таким образом, предполагается, что симметричная структура Льюиса слева будет более стабильной, и фактически это структура, наблюдаемая экспериментально. Однако помните, что формальные заряды , а не представляют собой фактические заряды на атомах в молекуле или ионе.Они используются просто как бухгалтерский метод для предсказания наиболее стабильной структуры Льюиса для соединения.

Примечание

Структура Льюиса с набором формальных зарядов, близких к нулю, обычно наиболее устойчива.

Пример 2.3.2

Ион тиоцианата (SCN ^— ), который используется в печати и в качестве ингибитора коррозии против кислых газов, имеет по крайней мере две возможные электронные структуры Льюиса. Нарисуйте две возможные структуры, назначьте формальные заряды всем атомам в обоих и решите, какое расположение электронов является предпочтительным.

Дано: химических веществ

Запрошено: Электронные структуры Льюиса, формальные заряды и предпочтительное расположение

Стратегия:

A Используйте пошаговую процедуру, чтобы записать две вероятные электронные структуры Льюиса для SCN ^— .

B Рассчитайте формальный заряд каждого атома, используя уравнение 2.3.1.

C Предскажите, какая структура предпочтительна, основываясь на формальном заряде каждого атома и его электроотрицательности по отношению к другим присутствующим атомам.

Решение:

A Возможные структуры Льюиса для иона SCN ^— следующие:

B Мы должны вычислить формальные заряды на каждом атоме, чтобы определить более стабильную структуру. Если мы начнем с углерода, мы заметим, что атом углерода в каждой из этих структур разделяет четыре пары связей, число связей типично для углерода, поэтому он имеет формальный заряд, равный нулю. Продолжая рассмотрение серы, мы наблюдаем, что в (а) атом серы имеет одну общую пару связей, три неподеленных пары и в общей сложности шесть валентных электронов.Таким образом, формальный заряд атома серы равен 6 — (6 + 2/2) = -1. В (b) атом серы имеет формальный заряд 0. В (c) атом серы имеет формальный заряд +1. Продолжая рассмотрение азота, мы наблюдаем, что в (а) атом азота разделяет три пары связей, имеет одну неподеленную пару и всего 5 валентных электронов. Таким образом, формальный заряд атома азота равен 5 — (2 + 6/2) = 0. В (b) атом азота имеет формальный заряд -1. В (c) атом азота имеет формальный заряд -2.

C Какая структура предпочтительнее? Структура (b) является предпочтительной, потому что отрицательный заряд находится на более электроотрицательном атоме (N), и она имеет более низкие формальные заряды на каждом атоме по сравнению со структурой (c): 0, -1 по сравнению с +1, -2.

Упражнение \ (\ PageIndex {2} \)

Соли, содержащие фульминат-ион (CNO ^— ), используются во взрывных детонаторах. Изобразите три электронные структуры Льюиса для CNO ^– и используйте формальные заряды, чтобы предсказать, какая из них более стабильна.(Примечание: N — центральный атом.)

Ответ

Вторая структура, по прогнозам, будет наиболее стабильной.

Обзор | Безграничная физика

Электрический заряд в атоме

Атомы содержат отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны; количество каждого из них определяет чистый заряд атома.

Цели обучения

Определите факторы, определяющие чистый заряд атома

Основные выводы

Ключевые моменты

• Протон — это положительно заряженная частица, расположенная в ядре атома.Электрон имеет [латекс] \ frac {1} {1836} [/ latex], умноженный на массу протона, но равный и противоположный отрицательный заряд.
• Элементарный заряд протона или электрона приблизительно равен 1,6 × 10-19 кулонов.
• В отличие от протонов, электроны могут перемещаться от атома к атому. Если у атома равное количество протонов и электронов, его суммарный заряд равен 0. Если он получает дополнительный электрон, он становится отрицательно заряженным и известен как анион. Если он теряет электрон, он становится положительно заряженным и известен как катион.

Ключевые термины

• ядро ​​: массивная положительно заряженная центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов

Обзор атомных электрических зарядов

Атомы, фундаментальные строительные блоки всех молекул, состоят из трех типов частиц: протонов, нейтронов и электронов. Из этих трех типов субатомных частиц два (протоны и электроны) несут чистый электрический заряд, а нейтроны нейтральны и не имеют чистого заряда.

И протоны, и электроны имеют квантованный заряд. То есть величина их соответствующих зарядов, которые равны друг другу, равна 1. Это стандартное значение равно примерно 1,6 × 10 ^-19 кулонов.

Протоны

Протонов находятся в центре атома; они вместе с нейтронами составляют ядро. Протоны имеют заряд +1 и массу 1 атомную единицу массы, что примерно равно 1,66 × 10 ^-24 грамма. Число протонов в атоме определяет идентичность элемента (например, атом с одним протоном — это водород, а атом с двумя протонами — это гелий).Таким образом, протоны относительно стабильны; их количество меняется редко, только в случае радиоактивного распада.

Электронов

Электронов находятся на периферии атома и имеют заряд -1. Они намного меньше протонов; их масса [латекс] \ frac {1} {1836} [/ latex] аму. Обычно при моделировании атомов протоны и нейтроны считаются неподвижными, а электроны движутся в пространстве за пределами ядра подобно облаку. Отрицательно заряженное электронное облако указывает области пространства, где, вероятно, могут быть обнаружены электроны.Структура электронных облаков чрезвычайно сложна и не имеет значения для обсуждения электрического заряда в атоме. Более важным является тот факт, что электроны лабильны; то есть они могут передаваться от одного атома к другому. Атомы заряжаются посредством электронного переноса.

Ионы

В основном состоянии атом будет иметь равное количество протонов и электронов и, таким образом, будет иметь общий заряд 0. Однако, поскольку электроны могут передаваться от одного атома к другому, атомы могут становиться заряженными.Атомы в таком состоянии известны как ионы.

Если нейтральный атом получает электрон, он становится отрицательным. Такой ион называется анионом.

Если нейтральный атом теряет электрон, он становится положительным. Такой ион называется катионом.

Устойчивый поток электронов называется током. Ток — это то, что течет по электрическим проводам и питает электронные устройства, от лампочек до телевизоров.

Электрический заряд : краткий обзор атомов, ионов и электрического заряда.

Планетарная модель атома : Маленькие электроны вращаются вокруг большого и относительно неподвижного ядра протонов и нейтронов.

Свойства электрических зарядов

Электрический заряд — это фундаментальное физическое свойство материи, имеющее много параллелей с массой.

Цели обучения

Описывать свойства электрического заряда, такие как его релятивистская инвариантность и сохранение в замкнутых системах

Основные выводы

Ключевые моменты

• Заряд измеряется в кулонах (C), что соответствует 6.242 × 10 ¹⁸ e, где e — заряд протона. Заряды могут быть положительными или отрицательными, и, как таковой, единичный протон имеет заряд 1,602 × 10 ⁻¹⁹ Кл, в то время как электрон имеет заряд -1,602 × 10 ⁻¹⁹ Кл.
• Электрический заряд, как и масса, сохраняется. Сила, создаваемая двумя зарядами, имеет ту же форму, что и сила, создаваемая двумя массами, и, как и сила тяжести, сила электрического поля является одновременно консервативной и центральной.
• Электрический заряд — релятивистский инвариант.То есть заряд (в отличие от массы) не зависит от скорости. В то время как масса частицы будет экспоненциально расти по мере приближения ее скорости к скорости света, заряд останется постоянным.

Ключевые термины

• кулон : В Международной системе единиц — производная единица электрического заряда; количество электрического заряда, переносимого током в 1 ампер, протекающим в течение 1 секунды. Символ: C

.

• гравитация : Результирующая сила притяжения земных масс на поверхности Земли и центробежная псевдосила, вызванная вращением Земли.
• электрическое поле : область пространства вокруг заряженной частицы или между двумя напряжениями; он воздействует на заряженные объекты поблизости.

Свойства электрического заряда

Электрический заряд, как и масса и объем, является физическим свойством материи. Его единица СИ известна как кулон (C), который представляет 6,242 × 10 ¹⁸ e , где e — заряд протона. Начисления могут быть положительными или отрицательными; единичный протон имеет заряд 1.602 × 10 ⁻¹⁹ C, в то время как электрон имеет заряд -1,602 × 10 ⁻¹⁹ C.

Инвариантность

Как и масса, электрический заряд в замкнутой системе сохраняется. Пока система непроницаема, количество заряда внутри нее не будет ни увеличиваться, ни уменьшаться; его можно только перенести. Однако электрический заряд отличается от других свойств, таких как масса, тем, что он является релятивистским инвариантом. То есть заряд независимо от скорости . Масса частицы будет экспоненциально расти по мере приближения ее скорости к скорости света, однако ее заряд останется постоянным.

Независимость электрического заряда от скорости была доказана в эксперименте, в котором было доказано, что одно быстро движущееся ядро ​​гелия (два протона и два нейтрона, связанных вместе) имеет тот же заряд, что и два отдельных медленно движущихся ядра дейтерия (один протон и два нейтрона, связанные вместе). один нейтрон, связанный вместе в каждом ядре).

Притяжение и отталкивание

Электрический заряд — это свойство, которое создает силы, которые могут притягивать или отталкивать материю. Масса подобна, хотя она может только притягивать материю, но не отталкивать ее.2} [/ латекс]

где π и [латекс] \ epsilon_0 [/ latex] — константы. Это известно как закон Кулона.

Закон Кулона : силы (F ₁ и F ₂ ) суммируются, чтобы произвести общую силу, которая рассчитывается по закону Кулона и пропорциональна произведению зарядов q ₁ и q ₂ , и обратно пропорционально квадрату расстояния (r ₂₁ ) между ними.

Формула силы тяжести имеет ту же форму, что и закон Кулона, но связывает произведение двух масс (а не зарядов) и использует другую константу.Оба действуют в вакууме и являются центральными (зависят только от расстояния между силами) и консервативными (независимо от пройденного пути). Однако следует отметить, что при сравнении аналогичных терминов взаимодействие на основе заряда существенно больше, чем взаимодействие на основе массы. Например, электрическое отталкивание между двумя электронами примерно в 10 ⁴² раз сильнее, чем их гравитационное притяжение.

Разделение заряда

Разделение зарядов, часто называемое статическим электричеством, представляет собой создание пространства между частицами с противоположными зарядами.

Цели обучения

Определите факторы, которые могут вызвать разделение заряда

Основные выводы

Ключевые моменты

• Поскольку электроны лабильны (т.е. они могут переноситься от атома к атому), возможно «разделение зарядов». Это явление часто называют статическим электричеством.
• Разделение зарядов может быть создано трением, давлением, теплом и другими зарядами.
• Разделение заряда может достигать критического уровня, когда оно разряжается.Молния — частый пример.

Ключевые термины

• разряд : высвобождение накопленного заряда
• статическое электричество : электрический заряд, накопленный на изолированном теле, часто из-за трения
• ядро ​​: массивная положительно заряженная центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов

Вся материя состоит из атомов, состоящих из отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных протонов.В основном состоянии каждый атом имеет нейтральный заряд — его протоны и электроны равны по количеству, и он существует без постоянного диполя. Поскольку электроны лабильны (т.е. они могут переноситься от атома к атому), возможно явление «разделения зарядов» (часто называемое статическим электричеством).

Статическое электричество : из-за трения между ее волосами и пластиковой направляющей девушка слева создала разделение зарядов, в результате чего ее волосы были притянуты к направляющей.

В химии это разделение зарядов иллюстрируется просто переносом электрона от одного атома к другому при образовании ионной связи. В физике есть много других примеров разделения зарядов, которые нельзя описать как формальные химические реакции. Рассмотрим, например, что можно натереть волосы воздушным шариком. Когда вы вытащите воздушный шар, ваши волосы встанут дыбом и «дойдут» до воздушного шара. Это связано с тем, что электроны от одного переходят к другому, в результате чего один становится положительным, а другой — отрицательным.Таким образом, притягиваются противоположные обвинения. Похожий пример можно увидеть на слайдах игровой площадки (как показано на).

Разделение зарядов может происходить не только за счет трения, но и за счет давления, тепла и других зарядов. И давление, и тепло увеличивают энергию материала и могут заставить электроны вырваться на свободу и отделиться от своих ядер. Между тем заряд может притягивать электроны к ядру или отталкивать их. Например, ближайший отрицательный заряд может «отталкивать» электроны от ядра, вокруг которого они обычно вращаются.Разделение зарядов часто происходит в естественном мире. Он может иметь экстремальный эффект, если он достигает критического уровня, когда он разряжается. Молния — частый пример.

Поляризация

Диэлектрическая поляризация — это явление, возникающее при разделении положительных и отрицательных зарядов в материале.

Цели обучения

Определить два пути возникновения поляризации на молекулярном уровне

Основные выводы

Ключевые моменты

• Диэлектрики — это изоляторы, которые могут поляризоваться электрическим полем.То есть их заряды не могут течь свободно, но их все же можно заставить неравномерно перераспределяться.
• Электрические поля, приложенные к атомам, отталкивают электроны от поля. В случае полярных молекул их отрицательные концы будут выстраиваться от поля, а положительные концы будут направлены к полю.
• Мгновенная поляризация возникает, когда ионы в результате естественных случайных колебаний распределяются асимметрично, так что одна область более плотна с одним типом ионов, чем с другим.

Ключевые термины

• дипольный момент : векторное произведение заряда на любом полюсе диполя на расстояние, разделяющее их.
• диэлектрик : Электроизоляционный или непроводящий материал, рассматриваемый на предмет его электрической восприимчивости (т. Е. Его свойства поляризации при воздействии внешнего электрического поля).
• изолятор : Вещество, не пропускающее тепло (теплоизолятор), звук (акустический изолятор) или электричество (электрический изолятор).

Понятие полярности очень широкое и может применяться к молекулам, свету и электрическим полям. Что касается этого атома, мы сосредоточимся на его значении в контексте так называемой диэлектрической поляризации — разделения зарядов в материалах.

Диэлектрики

Диэлектрик — это изолятор, который может поляризоваться электрическим полем, а это означает, что это материал, в котором заряд не течет свободно, но в присутствии электрического поля он может изменять распределение заряда.Положительный заряд в диэлектрике будет перемещаться в сторону приложенного поля, а отрицательный заряд удаляться. Это создает слабое локальное поле внутри материала, которое противостоит приложенному полю.

Различные материалы по-разному реагируют на индуцированное поле в зависимости от их диэлектрической проницаемости. Эта константа — степень их поляризуемости (степень, в которой они становятся поляризованными).

Атомная модель

Самый простой взгляд на диэлектрики включает рассмотрение их заряженных компонентов: протонов и электронов.Если к атому приложить электрическое поле, электроны в атоме будут мигрировать прочь от приложенного поля. Однако протоны остаются относительно подверженными воздействию поля. Это разделение создает дипольный момент, как показано на.

.

Реакция атома на приложенное электрическое поле : При приложении электрического поля (E) электроны уносятся от поля. Их среднее положение смещено от среднего положения протонов (которые не переместились) на расстояние d.Дипольный момент атома представлен как M.

.

Дипольная поляризация

На молекулярном уровне поляризация может происходить как с диполями, так и с ионами. В полярных связях электроны больше притягиваются к одному ядру, чем к другому. Одним из примеров дипольной молекулы является вода (H ₂ O), которая имеет изогнутую форму (угол HOH составляет 104,45 °) и в которой кислород отталкивает электронную плотность от атомов H, оставляя H относительно положительным и О относительно отрицательно, как показано на.

Молекула воды : Вода является примером дипольной молекулы, которая имеет изогнутую форму (угол HOH составляет 104,45 °) и в которой кислород отталкивает электронную плотность от атомов H, оставляя H относительно положительным, а O относительно отрицательно.

Когда диполярная молекула подвергается воздействию электрического поля, молекула выравнивается с полем, причем положительный конец направлен к электрическому полю, а отрицательный конец — от него.

Ионная поляризация

Ионные соединения — это соединения, образованные из ионов с постоянно разделенными зарядами.Например, поваренная соль (NaCl) образуется из ионов Na ⁺ и Cl ^—, которые формально не связаны друг с другом химической связью, но очень сильно взаимодействуют из-за их противоположных зарядов.

Ионы все еще свободны друг от друга и, естественно, будут перемещаться случайным образом. Если им случится двигаться асимметричным образом, что приведет к большей концентрации положительных ионов в одной области и большей концентрации отрицательных ионов в другой, образец ионного соединения будет поляризован — явление, известное как ионная поляризация. .

Статическое электричество, заряд и сохранение заряда

Электрический заряд — это физическая собственность, постоянно сохраняемая в количестве; он может накапливаться в материи, которая создает статическое электричество.

Цели обучения

Сформулировать правила, применимые к созданию и уничтожению электрического заряда

Основные выводы

Ключевые моменты

• Электрический заряд — это физическое свойство вещества, создаваемое дисбалансом количества протонов и электронов в веществе.
• Заряд можно создать или уничтожить. Однако любое создание или удаление заряда происходит при соотношении положительных и отрицательных зарядов 1: 1.
• Статическое электричество — это когда на поверхности объекта собирается избыток электрического заряда.

Ключевые термины

• электрический заряд : квантовое число, определяющее электромагнитные взаимодействия некоторых субатомных частиц; По соглашению, электрон имеет электрический заряд -1, а протон +1, а кварки имеют дробный заряд.
• разряд : высвобождение накопленного заряда
• статическое электричество : электрический заряд, накопленный на изолированном теле, часто из-за трения

Электрический заряд — это физическое свойство материи. Это вызвано дисбалансом количества протонов и электронов в веществе. Материя заряжена положительно, если в ней больше протонов, чем электронов, и отрицательно, если электронов в ней больше, чем протонов.В обоих случаях заряженные частицы будут испытывать силу в присутствии другого заряженного вещества.

Заряды одного знака (положительный и положительный или отрицательный и отрицательный) будут отталкиваться друг от друга, тогда как заряды противоположного знака (положительный и отрицательный) будут притягиваться друг к другу, как показано на.

Заряды отталкивания и притяжения : Заряды одного знака (положительный и положительный или отрицательный и отрицательный) будут отталкиваться друг от друга, тогда как заряды противоположного знака (положительный и отрицательный) будут притягиваться друг к другу.{18} [/ латекс] элементарные заряды. (Элементарный заряд — это величина заряда протона или электрона.)

Сохранение заряда

Заряд, как и материя, по существу постоянен во Вселенной и во времени. В физике сохранение заряда — это принцип, согласно которому электрический заряд не может быть создан или разрушен. Чистое количество электрического заряда, количество положительного заряда минус количество отрицательного заряда во Вселенной, всегда сохраняется.

Для любого конечного объема закон сохранения заряда (Q) можно записать в виде уравнения неразрывности:

[латекс] \ text {Q} (\ text {t} _2) = \ text {Q} (\ text {t} _1) + \ text {Q} _ {\ text {in}} — \ text {Q } _ {\ text {out}} [/ latex]

, где Q ( т ₁ ) — это заряд в системе в данный момент времени, Q ( т ₂ ) — это заряд в той же системе в более позднее время, Q _в — это заряд, который поступил в систему между двумя моментами времени, а Q _из — это сумма заряда, который покинул систему между двумя периодами.

Это не означает, что отдельные положительные и отрицательные заряды не могут быть созданы или уничтожены. Электрический заряд переносится субатомными частицами, такими как электроны и протоны, которые могут быть созданы и разрушены. Например, при уничтожении частиц уничтожается равное количество положительных и отрицательных зарядов, при этом чистая величина заряда остается неизменной.

Статическое электричество

Статическое электричество — это накопление избыточного электрического заряда на поверхности объекта.Это может быть связано с контактом материалов, повышением давления или тепла или наличием заряда. Статическое электричество также может быть создано за счет трения между воздушным шаром (или другим объектом) и человеческими волосами (см.). Его можно наблюдать в грозовых облаках в результате повышения давления; молния (см.) — разряд, возникающий после того, как заряд превышает критическую концентрацию.

Статическое электричество : из-за трения между ее волосами и пластиковой направляющей девушка слева создала разделение зарядов, в результате чего ее волосы были притянуты к направляющей.

Молния : Молния является ярким естественным примером статического разряда.

Проводники и изоляторы

По способности проводить ток материалы делятся на проводники и изоляторы.

Цели обучения

Определить проводники и изоляторы среди обычных материалов

Основные выводы

Ключевые моменты

• Удельное сопротивление, физическое свойство, которое измеряет способность материала проводить ток, является основным фактором при определении того, является ли вещество проводником или изолятором.
• Проводники содержат электрические заряды, которые при воздействии разности потенциалов движутся к одному или другому полюсу. Этот поток заряда представляет собой электрический ток.
• Изоляторы — это материалы, в которых внутренний заряд не может свободно течь и, следовательно, не может проводить электрический ток в значительной степени под воздействием электрического поля.

Ключевые термины

• проводник : Материал, содержащий подвижные электрические заряды.
• изолятор : Вещество, не пропускающее тепло (теплоизолятор), звук (акустический изолятор) или электричество (электрический изолятор).
• удельное сопротивление : Обычно сопротивление материала электрическому току; в частности, степень сопротивления материала потоку электричества.

Обзор

Все материалы можно разделить на изоляторы или проводники на основе физического свойства, известного как удельное сопротивление.

Изолятор — это материал, в котором под действием электрического поля электрические заряды не текут свободно — он имеет высокое сопротивление. И наоборот, проводник — это материал, который пропускает электрические заряды в одном или нескольких направлениях — его удельное сопротивление низкое.

Проводники

Все проводники содержат электрические заряды, которые при воздействии разности потенциалов перемещаются к одному или другому полюсу. Положительные заряды в проводнике будут перемещаться к отрицательному концу разности потенциалов; отрицательные заряды в материале будут двигаться к положительному концу разности потенциалов. Этот поток заряда представляет собой электрический ток.

Ионные вещества и растворы могут проводить электричество, но наиболее распространенными и эффективными проводниками являются металлы.Медь обычно используется в проводах из-за ее высокой проводимости и относительно невысокой цены. Однако позолоченные провода иногда используются в случаях, когда необходима особенно высокая проводимость.

У каждого проводника есть предел допустимой токовой нагрузки или величины тока, который он может проводить. Обычно это ток, при котором тепло, выделяемое из-за сопротивления, плавит материал.

Изоляторы

Изоляторы — это материалы, в которых внутренний заряд не может течь свободно и, следовательно, не может проводить электрический ток в значительной степени под воздействием электрического поля.

Хотя не существует идеального изолятора с бесконечным удельным сопротивлением, такие материалы, как стекло, бумага и тефлон, обладают очень высоким удельным сопротивлением и в большинстве случаев могут эффективно служить изоляторами.

Так же, как проводники используются для передачи электрического тока по проводам, изоляторы обычно используются в качестве покрытия для проводов.

Изоляторы, как и проводники, имеют свои физические ограничения. Под воздействием достаточного напряжения изолятор испытает так называемый электрический пробой, при котором ток внезапно проникает через материал, когда он становится проводником.

Проводник и изолятор в проводе : Этот провод состоит из медного сердечника (проводник) и покрытия из полиэтилена (изолятор). Медь пропускает ток через провод, а полиэтилен гарантирует, что ток не уйдет.

Эксперимент Милликена с каплей нефти

В 1911 году Роберт Милликен с помощью заряженных капель масла смог определить заряд электрона.

Цели обучения

Объясните разницу в значении реального заряда электрона и заряда, измеренного Робертом Милликеном

Основные выводы

Ключевые моменты

• Эксперимент с масляной каплей включал ионизирующие капли масла, когда они падали через воздух, и уравновешивание силы тяжести с силой электрического поля, приложенного электродами над и под каплей.
• Милликен не мог напрямую подсчитать количество электронов на каждой капле масла, но обнаружил, что общий знаменатель между всеми измеренными зарядами равен 1,5924 (17) × 10 ⁻¹⁹ Кл, и, таким образом, пришел к выводу, что это значение было зарядом электрон.
• Измеренное значение заряда электрона 1,5924 (17) × 10 ⁻¹⁹ Кл отличается от принятого значения 1,602176487 (40) × 10 ⁻¹⁹ Кл менее чем на один процент.

Ключевые термины

• напряжение : величина электростатического потенциала между двумя точками в пространстве.
• предельная скорость : Скорость, с которой объект в свободном падении, а не в вакууме, перестает ускоряться вниз, потому что сила тяжести равна силе сопротивления, действующей против него, и противоположна ей.
• электрическое поле : область пространства вокруг заряженной частицы или между двумя напряжениями; он воздействует на заряженные объекты поблизости.

Эксперимент с каплей масла

Эксперимент с каплей нефти, также известный как эксперимент Милликена с каплей нефти, является одним из самых влиятельных исследований в истории физической науки.

Эксперимент, проведенный Робертом Милликеном и Харви Флетчером в 1911 году, был разработан для определения заряда отдельного электрона, также известного как элементарный электрический заряд.

Милликен разработал свой эксперимент для измерения силы, действующей на масляные капли между двумя электродами.

Он использовал распылитель, чтобы распылить туман из крошечных капелек масла в камеру, в которой было отверстие. Некоторые капли падали через это отверстие в камеру, где он измерял их конечную скорость и вычислял их массу.

Милликен затем подвергал капли рентгеновскому излучению, которое ионизировало молекулы в воздухе и заставляло электроны присоединяться к каплям масла, тем самым делая их заряженными. Верх и низ камеры были прикреплены к батарее, и разность потенциалов между верхом и низом создавала электрическое поле, которое действовало на заряженные капли масла.

Точно регулируя напряжение, Милликен смог уравновесить силу тяжести (которая была направлена ​​вниз) с силой электрического поля на заряженные частицы (которое было приложено вверх), в результате чего капли масла зависли в воздухе. .

Упрощенная схема эксперимента Милликена с каплей масла : Этот прибор имеет параллельную пару горизонтальных металлических пластин. Между ними создается однородное электрическое поле. Кольцо имеет три отверстия для освещения и одно для просмотра в микроскоп. В камеру распыляется специальное масло для вакуумного аппарата, в котором капли приобретают электрический заряд. Капли попадают в пространство между пластинами, и ими можно управлять, изменяя напряжение на пластинах.

Милликен затем рассчитал заряд частиц, взвешенных в воздухе.2), а также энергию рентгеновских лучей, которые он использовал, он смог вычислить заряд.

Хотя заряд каждой капли был неизвестен, Милликен отрегулировал силу рентгеновских лучей, ионизирующих воздух, и измерил множество значений (q) от множества различных капель масла. В каждом случае измеренный заряд был кратен 1,5924 (17) × 10 ⁻¹⁹ C. Таким образом, был сделан вывод, что элементарный электрический заряд составлял 1,5924 (17) × 10 ⁻¹⁹ C.

Результаты были очень точными.Расчетное значение из эксперимента с каплей масла отличается менее чем на один процент от текущего принятого значения 1,602176487 (40) × 10 ⁻¹⁹ C.

Эксперимент с масляной каплей оказал огромное влияние не только на определение заряда электрона, но и на то, что помог доказать существование частиц, меньших, чем атомы. В то время не было полностью признано, что протоны, нейтроны и электроны существуют.

Формальный заряд и резонанс | Безграничная химия

Официальное обвинение и структура Льюиса

Ковалентные связи в молекуле и общий заряд молекулы можно визуализировать с помощью точечных структур Льюиса.

Цели обучения

Вычислить формальные заряды на атомах в соединении

Основные выводы

Ключевые моменты

• Структуры Льюиса, также называемые точечными диаграммами Льюиса, моделируют ковалентные связи между атомами. На этих диаграммах точки вокруг атомов используются для обозначения электронов, а линии — для обозначения связей между атомами.
• Структуры Льюиса включают формальный заряд атома, который представляет собой заряд атома в молекуле, при условии, что электроны в химической связи поровну распределяются между атомами.
• Когда несколько структур Льюиса могут представлять одно и то же соединение, разные формулы Льюиса называются резонансными структурами.

Ключевые термины

• формальный заряд : заряд, присвоенный атому в молекуле, при условии, что электроны в химической связи поровну распределяются между атомами. Это помогает определить, какая из немногих структур Льюиса является наиболее правильной.
• правило октета : Атомы теряют, приобретают или делятся электронами, чтобы иметь полную валентную оболочку из восьми электронов.
• резонансная структура : Молекула или многоатомный ион, который имеет несколько структур Льюиса, потому что связь может быть показана несколькими способами.

Lewis Structures

Графические изображения часто используются для визуализации электронов, а также любых связей, которые могут возникать между атомами в молекуле. В частности, химики используют структуры Льюиса (также известные как точечные диаграммы Льюиса, электронные точечные диаграммы или электронные структуры) для представления ковалентных соединений.На этих диаграммах валентные электроны показаны в виде точек, окружающих атом; любые связи, которые разделяют атомы, представлены одинарными, двойными или тройными линиями.

Точечная структура Льюиса углерода : Типичная структура Льюиса углерода, с валентными электронами, обозначенными точками вокруг атома.

Как правило, большинство структур Льюиса следуют правилу октетов; они будут делить электроны, пока не достигнут 8 электронов в своей внешней валентной оболочке.Однако есть исключения из правила октетов, такие как бор, который стабилен только с 6 электронами в его валентной оболочке. Элементы водород (H) и гелий (He) следуют правилу дуэта, согласно которому их внешняя валентная оболочка заполнена двумя электронами.

Рисование структуры Льюиса

Чтобы нарисовать структуру Льюиса, необходимо определить количество валентных электронов на каждом атоме в соединении. Общее количество валентных электронов во всем соединении равно сумме валентных электронов каждого атома в соединении.Невалентные электроны не представлены при рисовании структур Льюиса.

Валентные электроны размещены в виде неподеленных пар (два электрона) вокруг каждого атома. Большинство атомов может иметь неполный октет электронов. Однако атомы могут обмениваться электронами друг с другом, чтобы выполнить это требование октета. Связь, которая разделяет два электрона, называется одинарной связью и обозначается прямой горизонтальной линией.

Если правило октета все еще не выполняется, атомы могут образовывать двойную (4 общих электрона) или тройную связь (6 общих электронов).Поскольку связующая пара является общей, атом, у которого была неподеленная пара, все еще имеет октет, а другой атом получает два или более электронов в своей валентной оболочке.

Например, CO ₂ — нейтральная молекула с 16 валентными электронами. В структуре Льюиса углерод должен быть связан двойной связью с обоими атомами кислорода.

Структура Льюиса для диоксида углерода : Эта диаграмма показывает концептуальные этапы построения структуры Льюиса для молекулы диоксида углерода (CO2).

Структуры Льюиса также могут быть нарисованы для ионов. В этих случаях вся конструкция помещается в скобки, а обвинение записывается в виде надстрочного индекса вверху справа, вне скобок.

Структура Льюиса для гидроксид-иона : В гидроксид-ионе (OH ^— ) вся структура окружена скобкой, а заряд размещен вне скобки.

Определение официального обвинения

Хотя мы знаем, сколько валентных электронов присутствует в соединении, труднее определить, вокруг каких атомов они на самом деле находятся.Чтобы решить эту проблему, химики часто вычисляют формальный заряд каждого атома. Формальный заряд — это электрический заряд, который имел бы атом, если бы все электроны были разделены поровну.

Формальный заряд атома можно определить по следующей формуле:

[латекс] FC = V — (N + \ frac {B} {2}) [/ латекс]

В этой формуле V представляет собой количество валентных электронов изолированного атома, N — количество несвязывающих валентных электронов, а B — общее количество электронов в ковалентных связях с другими атомами в молекуле.

Например, давайте вычислим формальный заряд атома кислорода в молекуле диоксида углерода (CO ₂ ):

FC = 6 валентных электронов — (4 несвязывающих валентных электрона + 4/2 электрона в ковалентных связях)

FC = 6-6 = 0

Атом кислорода в диоксиде углерода имеет формальный заряд 0.

Резонансные структуры

Иногда можно нарисовать несколько структур Льюиса, чтобы представить одно и то же соединение. Эти эквивалентные структуры известны как резонансные структуры и включают смещение электронов, а не реальных атомов.В зависимости от соединения смещение электронов может вызывать изменение формальных зарядов. Чаще всего строят структуры Льюиса, чтобы минимизировать формальный заряд каждого атома.

Резонансные структуры : две из составляющих структуры диоксида азота (NO2). Обе формулы представляют одно и то же количество атомов и электронов, только в слегка различающейся конформации.

Резонанс

Резонансные структуры отображают возможные электронные конфигурации; фактическая конфигурация представляет собой комбинацию возможных вариантов.

Цели обучения

Описать, как рисовать резонансные структуры для соединений

.

Основные выводы

Ключевые моменты

• Точечные диаграммы Льюиса часто используются для визуализации ковалентной связи между атомами в соединении. Однако, когда можно нарисовать несколько равнозначных структур, эти структуры называются резонансными структурами.
• Резонансные структуры имеют одинаковое количество электронов и, следовательно, одинаковый общий заряд.
• Резонансные структуры различаются только расположением электронов; атомы сохраняют ту же связь и расположение.

Ключевые термины

• резонанс : свойство соединения, которое можно представить как имеющее несколько структур, различающихся только распределением электронов.
• резонансная структура : способ описания делокализованных электронов внутри определенных молекул или многоатомных ионов, где связь не может быть выражена единственной структурой Льюиса.

Точечные структуры Льюиса могут быть нарисованы для визуализации электронов и связей определенной молекулы. Однако для некоторых молекул не все возможности связывания не могут быть представлены одной структурой Льюиса; эти молекулы имеют несколько способствующих или «резонансных» структур. С точки зрения химии, резонанс описывает тот факт, что электроны делокализованы, или свободно протекают через молекулу, что позволяет создавать множественные структуры для данной молекулы.

Каждую составляющую резонансную структуру можно визуализировать, нарисовав структуру Льюиса; однако важно отметить, что каждая из этих структур в действительности не может наблюдаться в природе.То есть молекула фактически не перемещается между этими конфигурациями; скорее, истинная структура является приблизительным промежуточным звеном между каждой из структур. Этот промежуточный продукт имеет в целом более низкую энергию, чем каждая из возможных конфигураций, и называется резонансным гибридом. Важно отметить, что разница между каждой структурой заключается в расположении электронов, а не в расположении атомов.

Более одной действующей структуры Льюиса

Например, нитрат-ион NO ₃ ^— имеет более одной допустимой структуры Льюиса.Структура содержит две одинарные связи N-O и одну двойную связь N = O. Но тогда остается вопрос, какой кислород должен быть вовлечен в двойную связь. Таким образом, можно нарисовать три допустимые резонансные структуры. Двусторонние стрелки используются для обозначения химически эквивалентных структур. Опять же, в действительности электронная конфигурация не меняется между тремя структурами; скорее, он имеет одну структуру, в которой лишние электроны распределены равномерно. Эти дробные связи иногда изображаются пунктирными стрелками, которые показывают, что электронная плотность распределена по всему соединению.

Резонансные структуры нитрат-иона : Нитрат-ион имеет три действующие структуры, которые меняются в зависимости от расположения электронов.

Рисование резонансных структур

Когда вы рисуете резонансные структуры, важно не забывать сдвигать только электроны; атомы должны иметь одинаковое положение. Иногда резонансные структуры включают размещение положительных и отрицательных зарядов на определенных атомах.Поскольку атомы с электрическими зарядами не так стабильны, как атомы без электрических зарядов, эти резонансные структуры будут вносить меньший вклад в общую резонансную структуру, чем структура без зарядов.

Химия 4.4 Подробнее о ковалентных связях — YouTube : В этом уроке обсуждаются координационные ковалентные связи и резонансные структуры.

Как рассчитать формальный платеж

Эй! Добро пожаловать на курс «Мастер органической химии», на случай, если вы впервые приехали.

В этом сообщении блога я объясняю, как рассчитать формальный заряд молекул. Однако вы можете найти мои видео, содержащие 10 решенных примеров формальных проблем с зарядкой, еще более полезными. Просто думал, что вы должны знать!

Нужно выяснить, является ли атом отрицательным, положительным или нейтральным? Вот формула для определения «формального заряда» атома:

Формальный заряд = [количество валентных электронов] — [электроны в неподеленных парах + 1/2 количества связывающих электронов]

В этой формуле явно указывается соотношение между количеством связывающих электронов и их отношением к тому, сколько из них формально «принадлежит» атому.

Например, применив это к BH ₄ (верхний левый угол на изображении ниже), мы получим:

• Число валентных электронов для бора равно 3 .
• Количество несвязанных электронов ноль .
• Общее количество связывающих электронов вокруг бора равно 8 (полный октет). Половина из них — 4 .

Итак, формальный платеж = 3 — (0 + 4) = 3 — 4 = –1

Однако есть более простой способ сделать это.

Так как химическая связь имеет два электрона, «количество связывающих электронов, деленное на 2» по определению равно как количеству связей , окружающих атом. Таким образом, мы можем вместо этого использовать эту сокращенную формулу :

Формальный заряд = [количество валентных электронов на атоме] — [несвязанные электроны + количество связей].

Применяем это снова к BH ₄ (верхний левый угол).

• Число валентных электронов для бора составляет 3 .
• Количество несвязанных электронов ноль .
• Число связей вокруг бора составляет 4 .

Итак, формальный заряд = 3 — (0 + 4) = 3-4 = –1

Формальный заряд B в BH ₄ отрицательный 1.

Применим его к : CH ₃ (один справа от BH ₄ )

• Число валентных электронов для углерода 4
• Число несвязанных электронов два (у него неподеленная пара)
• количество связей вокруг углерода — 3 .

Итак, формальный заряд = 4 — (2 +3) = 4-5 = –1

Формальный заряд C в: CH ₃ отрицательный 1.

Такой же формальный заряд, что и BH ₄ !

Рассмотрим последний пример. Давайте сделаем CH ₃ ⁺ (без неподеленных пар на углероде). Это оранжевый в нижнем ряду.

• Число валентных электронов углерода 4
• Число несвязанных электронов ноль
• Число связей вокруг углерода 3 .

Итак, формальный заряд = 4 — (0 +3) = 4 — 3 = +1

Вы можете применить эту формулу к любому атому, который хотите назвать.

Вот диаграмма для некоторых простых молекул в ряду B C N O. Я надеюсь, что бериллий и фтор не слишком обиделись, что я их пропустил, но они действительно не так интересны для целей этой таблицы.

Обратите внимание на интересный узор в геометрии (выделен цветом): BH ₄ (-), CH ₄ и NH ₄ (+) все имеют одинаковую геометрию, как и CH ₃ (-), NH ₃ и OH ₃ (+).Карбокатион CH ₃ (+) имеет такую ​​же электронную конфигурацию (и геометрию), что и нейтральный боран, BH ₃ . Известная изогнутая структура воды H ₂ O разделяется амидным анионом NH ₂ (-). Эти общие геометрические формы являются одним из интересных следствий теории отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR — произносится как « vesper », так же, как «Фавр» произносится как « Farve» .)

Формальная формула заряда также работает для двойных и тройные облигации:

Вот вопрос.Алканы, алкены и алкины нейтральны, поскольку имеется четыре связи и нет несвязанных электронов: 4 — [4 + 0] = 0. Для каких других значений [связи + несвязанные электроны] вы также получите нулевое значение, и как могут выглядеть эти структуры? (Вы встретите некоторые из этих структур позже по ходу курса).

И последний вопрос — как вы думаете, почему это называется «формальным обвинением»?

Подумайте, какой будет формальная плата за BF ₄ . Отрицательный заряд на боре.Какой элемент здесь самый электроотрицательный? Фторид, конечно, с электроотрицательностью 4,0, с тактовой частотой бора 2,0. Как вы думаете, где находится отрицательный заряд на самом деле ?

Ну, дело не в боре. На самом деле он распространяется через более электроотрицательные фторид-ионы, которые становятся более богатыми электронами. Таким образом, хотя «формальный» адрес отрицательного заряда находится на боре, электронная плотность фактически распределена по фторидам. Другими словами, в данном случае формальное обвинение не имеет ничего общего с действительностью.

Еще одно напоминание — 10 видео с решенными примерами формальных проблем с зарядкой, вот здесь (смотрите в самом верху страницы)

.