Ионы какие бывают: Ионы — урок. Химия, 8–9 класс.

-}$), ли­бо, в слу­чае по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ных ио­нов, в ви­де спек­тро­ско­пич. сим­во­ла (напр., для при­ве­дён­ных вы­ше ио­нов ки­сло­ро­да и же­ле­за: $\ce{OII,\, OIV,\, FeXXV}$). Здесь рим. циф­рой ука­зы­ва­ет­ся чис­ло, на еди­ни­цу боль­шее за­ря­да ио­на. Циф­ра $\ce{I}$ со­от­вет­ст­ву­ет ней­траль­но­му ато­му. Ато­мы мо­гут быть ио­ни­зо­ва­ны до ядер. Мо­ле­ку­лы не бы­ва­ют силь­но за­ря­жен­ны­ми, т. к. они ста­но­вят­ся не­ус­той­чи­вы­ми и рас­па­да­ют­ся (дис­со­ции­ру­ют). Мак­си­маль­но воз­мож­ный от­ри­ца­тель­ный за­ряд ио­на оп­ре­де­ля­ет­ся срод­ст­вом к элек­тро­ну и не пре­вы­ша­ет трёх элек­трон­ных за­ря­дов (см. От­ри­ца­тель­ные ио­ны).

При оп­ре­де­лён­ной кон­цен­тра­ции за­ря­жен­ных час­тиц ио­ни­зо­ван­ный газ пре­вра­ща­ет­ся в плаз­му, ко­то­рая рез­ко от­ли­ча­ет­ся по сво­им свой­ст­вам от га­за ней­траль­ных час­тиц. Про­цес­сом, об­рат­ным И., яв­ля­ет­ся ре­ком­би­на­ция ио­нов и элек­тро­нов – об­ра­зо­ва­ние из них ней­траль­ных ато­мов и мо­ле­кул. Про­цес­сы И. и ре­ком­би­на­ции иг­ра­ют важ­ную роль во всех элек­трич. раз­ря­дах в га­зах и в разл. га­зо­раз­ряд­ных при­бо­рах.

Содержание

Столкновительная (ударная) ионизация

Важ­ней­шим ме­ха­низ­мом И. в га­зах и плаз­ме яв­ля­ет­ся И. при столк­но­ве­нии (уда­ре) сво­бод­но­го элек­тро­на с не­воз­бу­ж­дён­ны­ми или воз­бу­ж­дён­ны­ми ато­ма­ми или мо­ле­ку­ла­ми. Для от­ры­ва элек­тро­на из ато­ма, на­хо­дя­ще­го­ся в осн. со­стоя­нии, тре­бу­ет­ся за­тра­тить энер­гию ио­ни­за­ции, рав­ную энер­гии свя­зи. Энер­гия свя­зи осн. уров­ня ко­леб­лет­ся от ми­ним. энер­гии 3,89 эВ для це­зия до мак­си­маль­ной 24,59 эВ для ге­лия. Сво­бод­ный элек­трон, об­ла­даю­щий энер­ги­ей боль­шей (или рав­ной) энер­гии свя­зи, при столк­но­ве­нии с ато­мом (мо­ле­ку­лой) вы­би­ва­ет из не­го (неё) один элек­трон и об­ра­зу­ет­ся од­но­за­ряд­ный по­ло­жи­тель­ный ион. Ми­ним. зна­че­ние ки­не­тич. энер­гии ио­ни­зую­ще­го элек­тро­на на­зы­ва­ет­ся по­ро­гом И. Эле­мен­тар­ный акт И. час­ти­цей (или фо­то­ном) ха­рак­те­ри­зу­ет­ся эф­фек­тив­ным се­че­ни­ем И. Ве­ли­чи­на се­че­ния рас­тёт от ну­ля при по­ро­го­вой энер­гии до оп­ре­де­лён­но­го макс. зна­че­ния и за­тем плав­но умень­ша­ет­ся с уве­ли­че­ни­ем энер­гии. В слу­чае удар­ной И. се­че­ние мак­си­маль­но при от­ры­ве внеш­них ва­лент­ных элек­тро­нов и малó для внутр. элек­тро­нов. Ес­ли сво­бод­ный элек­трон об­ла­да­ет ки­не­тич. энер­ги­ей, дос­та­точ­ной, что­бы ото­рвать от ато­ма два элек­тро­на или бо­лее, то про­ис­хо­дит двух­элек­трон­ная или мно­го­элек­трон­ная И. Се­че­ние И. та­ких про­цес­сов зна­чи­тель­но мень­ше, чем се­че­ние од­но­элек­трон­ной ио­ни­за­ции.

Ес­ли энер­гия на­ле­таю­ще­го элек­тро­на мень­ше по­ро­га И., то атом мо­жет пе­рей­ти в воз­бу­ж­дён­ное со­стоя­ние, а ио­ни­зо­вать­ся при сле­дую­щем столк­но­ве­нии с др. элек­тро­ном. Та­кая И. на­зы­ва­ет­ся сту­пен­ча­той. И. га­за обыч­но осу­ще­ст­в­ля­ет­ся в не­сколь­ких по­сле­до­ва­тель­ных столк­но­ве­ни­ях (мно­го­сту­пен­ча­тая И.). Она воз­мож­на, ес­ли столк­но­ве­ния про­ис­хо­дят так час­то, что час­ти­ца в про­ме­жут­ке ме­ж­ду дву­мя со­уда­ре­ния­ми не ус­пе­ва­ет по­те­рять энер­гию, по­лу­чен­ную в пре­ды­ду­щем столк­но­ве­нии (дос­та­точ­но плот­ные га­зы, вы­со­ко­ин­тен­сив­ные по­то­ки бом­бар­ди­рую­щих час­тиц и из­лу­че­ния). Мно­го­сту­пен­ча­тая И. су­ще­ст­вен­на, ко­гда час­ти­цы ио­ни­зуе­мо­го ве­ще­ст­ва об­ла­да­ют ме­та­ста­биль­ным со­стоя­ни­ем, т. е. спо­соб­ны от­но­си­тель­но дол­гое вре­мя со­хра­нять энер­гию воз­бу­ж­де­ния. При бы­ст­ром рос­те чис­ла но­си­те­лей за­ря­дов, ко­гда воз­ни­ка­ет дос­та­точ­но вы­со­кая сте­пень И. сре­ды, про­ис­хо­дит элек­трич. про­бой, сре­да ста­но­вит­ся про­во­дя­щей, про­ис­хо­дит рез­кое умень­ше­ние со­про­тив­ле­ния сре­ды. (От­но­ше­ние чис­ла ио­нов к чис­лу ней­траль­ных час­тиц в еди­ни­це объ­ё­ма на­зы­ва­ет­ся сте­пе­нью ио­ни­за­ции.)

При столк­но­ве­ни­ях ато­мов и ио­нов с ато­ма­ми мо­жет про­ис­хо­дить И. не толь­ко бом­бар­ди­руе­мых, но и бом­бар­ди­рую­щих час­тиц. На­ле­таю­щие ней­траль­ные ато­мы, те­ряя элек­тро­ны, пре­вра­ща­ют­ся в ио­ны, а у на­ле­таю­щих ио­нов уве­ли­чи­ва­ет­ся за­ряд. Та­кой про­цесс на­зы­ва­ет­ся «об­дир­кой» пуч­ка час­тиц.

Термическая ионизация

И. мо­жет вы­зы­вать­ся не толь­ко час­ти­ца­ми, на­ле­таю­щи­ми из­вне. При дос­та­точ­но вы­со­кой темп-ре, ко­гда энер­гия те­п­ло­во­го дви­же­ния ато­мов (мо­ле­кул) ве­ли­ка, они мо­гут ио­ни­зо­вать друг дру­га при вза­им­ных столк­но­ве­ни­ях – про­ис­хо­дит тер­ми­че­ская И. Зна­чит. ин­тен­сив­но­сти она дос­ти­га­ет при темп-рах 103–104 К, напр. в пла­ме­ни, в ду­го­вом раз­ря­де, в удар­ных вол­нах, в звёзд­ных ат­мо­сфе­рах. Сте­пень тер­ми­че­ской И. га­за как функ­цию его темп-ры и дав­ле­ния для тер­мо­ди­на­ми­чес­ки рав­но­вес­ной сре­ды мож­но оце­нить Са­ха фор­му­лой, со­глас­но ко­то­рой сте­пень И. лю­бо­го ато­ма рас­тёт с уве­ли­че­ни­ем темп-ры и умень­ша­ет­ся с рос­том кон­цен­тра­ции элек­тро­нов. В дос­та­точ­но раз­ре­жен­ной го­ря­чей сре­де (напр., в сол­неч­ной ко­ро­не) сте­пень И. га­за оп­ре­де­ля­ет­ся ро­ж­де­ни­ем за­ря­дов за счёт И. элек­тро­на­ми и их ги­бе­лью в ре­зуль­та­те ра­диа­ци­он­ной и ди­элек­трон­ной ре­ком­би­на­ций. В этих ус­ло­ви­ях сте­пень И. сре­ды за­ви­сит толь­ко от её темп-ры, но не за­ви­сит от плот­но­сти сре­ды, по­сколь­ку ско­ро­сти И. и ре­ком­би­на­ции оди­на­ко­во (про­пор­цио­наль­но) за­ви­сят от кон­цен­тра­ции элек­тро­нов.

Фотоионизация

В этом слу­чае энер­гия ио­ни­зую­ще­го фо­то­на $hν$ долж­на быть не мень­ше энер­гии ио­ни­за­ции ($h$ – по­сто­ян­ная План­ка, $ν$  – час­то­та из­лу­че­ния). Для всех ато­мов и мо­ле­кул га­зов и жид­ко­стей это­му ус­ло­вию удов­ле­тво­ря­ют лишь фо­то­ны ульт­ра­фио­ле­то­во­го и бо­лее ко­рот­ко­вол­но­во­го из­лу­че­ния. Фо­то­ио­ни­за­ция иг­ра­ет су­ще­ст­вен­ную роль, напр., в про­цес­сах И. верх­них сло­ёв атмо­сфе­ры (ио­но­сфе­ры), в об­ра­зо­ва­нии стри­ме­ров при элек­трич. про­бое га­за и т. д. Фо­то­ны боль­ших энер­гий (рент­ге­нов­ские и $γ$-кван­ты) мо­гут эф­фек­тив­но вы­ры­вать элек­тро­ны не толь­ко с внеш­них, но и с внутр. элек­трон­ных обо­ло­чек ато­мов.

Ионизация лазерным излучением

Обыч­но час­то­та ла­зер­но­го из­лу­че­ния не­дос­та­точ­на для то­го, что­бы по­гло­ще­ние од­но­го фо­то­на вы­зва­ло И. Од­на­ко чрез­вы­чай­но вы­со­кая плот­ность по­то­ка фо­то­нов в ла­зер­ном пуч­ке де­ла­ет воз­мож­ной И., обу­слов­лен­ную од­но­вре­мен­ным по­гло­ще­ни­ем не­сколь­ких фо­то­нов (мно­го­фо­тон­ная ио­ни­за­ция). Напр., в раз­ре­жен­ных па­ра́х ще­лоч­ных ме­тал­лов на­блю­да­лась И. с по­гло­ще­ни­ем 7–9 фо­тонов. В плот­ных га­зах И. ла­зер­ным из­лу­че­ни­ем не очень боль­шой ин­тен­сив­но­сти про­ис­хо­дит ком­би­ни­ро­ван­ным об­ра­зом. Сна­ча­ла мно­го­фо­тон­ная И. ос­во­бо­ж­да­ет «за­тра­воч­ные» элек­тро­ны. От них на­чи­на­ет­ся ла­вин­ная И. Раз­го­ня­ясь по­лем све­то­вой вол­ны, элек­тро­ны удар­но воз­бу­ж­да­ют ато­мы, ко­то­рые за­тем ио­ни­зу­ют­ся све­том, но с по­гло­ще­ни­ем мень­ше­го чис­ла фо­то­нов.

Ионизация в твёрдом теле

пред­став­ля­ет со­бой про­цесс пе­ре­хо­да элек­тро­нов из ва­лент­ной зо­ны кри­стал­ла в зо­ну про­во­ди­мо­сти, в ре­зуль­та­те че­го ато­мы твёр­до­го те­ла пре­вра­ща­ют­ся в ио­ны. В слу­чае при­мес­ных ато­мов И. про­ис­хо­дит при по­те­ре или за­хва­те ими элек­тро­нов. Энер­гия И. в твёр­дом те­ле име­ет ве­ли­чи­ну по­ряд­ка ши­ри­ны за­пре­щён­ной зо­ны. В кри­стал­лах с уз­кой за­пре­щён­ной зо­ной элек­тро­ны мо­гут при­об­ре­тать энер­гию за счёт энер­гии те­п­ло­вых ко­ле­ба­ний ато­мов (тер­ми­че­ская И.). Ес­ли со­об­щае­мой элек­тро­нам энер­гии при по­гло­ще­нии твёр­дым те­лом фо­то­нов дос­та­точ­но для И., воз­мож­на фо­то­ио­ни­за­ция. И. про­ис­хо­дит так­же, ко­гда че­рез те­ло про­хо­дит по­ток за­ря­жен­ных (элек­тро­ны, про­то­ны) или ней­траль­ных (ней­тро­ны) час­тиц. Са­мо­стоят. ин­те­рес пред­став­ля­ет так­же удар­ная И. в силь­ном элек­трич. по­ле, на­ло­жен­ном на твёр­дое те­ло. В та­ком по­ле уча­ст­вую­щие в элек­тро­про­вод­но­сти элек­тро­ны в зо­не про­во­ди­мо­сти мо­гут при­об­ре­сти дос­та­точ­ную ки­не­тич. энер­гию, что­бы вы­бить элек­тро­ны из ва­лент­ной зо­ны, где они не уча­ст­ву­ют в элек­тро­про­вод­но­сти. При этом в ва­лент­ной зо­не об­ра­зу­ют­ся дыр­ки, а в зо­не про­во­ди­мо­сти вме­сто ка­ж­до­го «бы­ст­ро­го» элек­тро­на по­яв­ля­ют­ся два «мед­лен­ных», ко­то­рые, ус­ко­ря­ясь в по­ле, мо­гут, в свою оче­редь, стать «бы­ст­ры­ми» и вы­звать И. Ве­ро­ят­ность удар­ной И. воз­рас­та­ет с рос­том на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля. При не­ко­то­рой кри­тич. на­пря­жён­но­сти удар­ная И. при­во­дит к рез­ко­му уве­ли­че­нию плот­но­сти то­ка, т. е. к элек­трич. про­бою твёр­до­го те­ла.

Вредны ли положительные ионы? НПФ «Янтарь»

Существует мнение о вреде положительных аэроионов. Это заблуждение имеет довольно давнюю историю. Прежде всего, когда было сделано открытие о пользе ионизированого воздуха, исследователи решили, что нужны только отрицательные ионы, поэтому академик А.Ф.Чижевский стал делать свои люстры, а его последователи — свои приборы — униполярными, т.е. порождающими ионы только одной полярности. Ионизаторы таких конструкций проще в изготовлении, не надо думать о том, что ионы могут рекомбинироваться.

Прежде всего это было вызвано несовершенством самих генераторов, но и не в последнюю очередь отсутствием необходимого контрольно-измерительного оборудования. Несовершенство генераторов выражалось также и в том, что помимо отрицательных ионов, приборы порождали большое количество озона, поэтому находиться долгое время в помещении, где работает такой генератор, было опасно — озон является сильным окислителем и в незначительных количествах способствует ускоренному старению, а в больших — просто ядовит. Выяснилось также, что озон, в силу своей большой химической активности, способствовал образованию ядовитых азотных соединений.

Долгое время вышеперечисленные технические несовершенства препятствовали развитию исследований ионизации воздуха. Однако с началом эры космических полетов, проблема ионизации приобрела новую актуальность. И исследования были продолжены. Теперь уже было необходимо со всей достоверностью установить, какие бывают ионы, какие образования ионов полезны, а какие вредны.

И в первую очередь, при создании и опробовании счетчика аэроионов было установлено, что положительные ионы, присутствующие в естественных условиях в воздухе, вопреки сформировавшемуся на тот момент убеждению, не оказывают вредного влияния на человека. Но если не будет положительных ионов, при такой униполярной ионизации все близлежащие материи, в том числе лицо, одежда заряжаются отрицательно, и вновь образовавшиеся ионы вследствие отталкивания не попадут в дыхательные пути.

Вреден недостаток ионов обеих полярностей, в особенности полезных для человека — отрицательных. К слову, избыток ионов тоже вреден. Чижевский, как и его современники, не могли знать достоверно, какая концентрация ионов полезна, а какая представляет опасность. Сегодня, при наличии современной измерительной базы, мы можем быстро и с высокой точностью измерять концентрацию ионов обеих полярностей.

Таким образом, еще в начале семидесятых годов экспериментальные исследования ионизации воздуха в естественных условиях проведенные с помощью наших приборов, позволили определить природные концентрации аэроионов обеих полярностей и соотношения концентраций положительных и отрицательных аэроионов в естественных условиях: в лесу, на морских побережьях, в горах, на курортах.

На основе этих измерений были выработаны рекомендации по аэронизации и требования к аэроионному составу воздуха в помещениях. В итоге, экспериментальные факты нашли свое отражение в нормах СанПин Минздрава РФ.

Автор статьи — Айдар Туктагулов (НПФ Сапфир)

что это, принцип работы, применение

Что это такое?

Масс-спектрометрия — один из точнейших методов идентификации веществ. Фактически это своеобразное «взвешивание» молекул: компоненты ионизируются, затем определяется отношение массы к заряду ионов.

Масс-спектрометрия появилась в 1912 году, когда английский физик сэр Джозеф Джон Томпсон создал первый в истории масс-спектрограф, с помощью которого получил молекулы угарного газа, кислорода, азота, фосгена и углекислого газа. Опыты Томпсон проводил с начала XX века.

Масс-спектром называется зависимость количества вещества от природы вещества — то есть, соотношение интенсивности ионного тока и отношения массы к заряду. Масс-спектр дискретен, потому что масса любой молекулы — это сумма масс всех её атомов. На масс-спектр при анализе могут влиять особенность ионизации, сама природа вещества и некоторые вторичные процессы: например, неупругое рассеивание и метастабильные ионы.

При ионизации маленькие молекулы, как правило, получают один отрицательный и один положительный заряд. Чем молекула крупнее — это относится к полимерам, нуклеиновым кислотам и белкам, — тем выше вероятность получить многозарядный ион. Иногда после погружения в масс-спектрометр молекула даже распадается характерным образом, что позволяет провести идентификацию.

Масс-спектрометры очень востребованы в органической химии, потому что с их помощью можно проанализировать как простые, так и сложные вещества. Собственно, требование к веществу одно: оно должно ионизироваться. Причём с 1912 года способов ионизации вещества появилось столько, что масс-спектрометрия стала по-настоящему универсальным методом.

Упрощённый принцип работы масс-спектрографа

Условно можно сказать, что масс-спектрограф работает в 3 этапа: ионизирует молекулы, сортирует полученные ионы и пропускает их через детектор заряженных частиц.

  1. Ионизация молекул. Во время ионизации заряженные ионы превращаются в нейтральные атомы и молекулы. Осуществляется этот процесс по-разному — всё зависит от типа вещества: является оно органическим или неорганическим.Проще всего ионизировать вещества в газовой фазе, однако далеко не все — особенно органические — можно перевести в газовую форму без разложения. Поэтому живые вещества (например, ДНК) ионизируют при атмосферном давлении особыми способами.
  2. Сортировка ионов. После ионизации заряженные частицы переносятся в масс-анализатор, где происходит сортировка ионов по соотношению массы и заряда. Масс-анализаторы бывают непрерывными и импульсными: в первые ионы идут сплошным потоком, во вторые подаются порционно. В некоторых моделях масс-спектрометров предусмотрены два анализатора — так называемый «тандемный» вариант.
  3. Детектор заряженных частиц. В качестве детекторов используются динодные вторично-электронные умножители либо фотоумножители, раньше детекция осуществлялась через фотопластинку. В целом, разновидностей детекторов довольно много: помимо перечисленных, существуют также коллекторы Фарадея, микроканальные умножители и т. д.

Применение масс-спектрометрии

Масс-спектрометрия используется практически во всех сферах человеческой деятельности:

  • фармацевтика: создание новых лекарств, контроль их производства, биохимия, генная инженерия, анализ токсичных препаратов и контроль за распространением наркотических и психотропных веществ;
  • медицина: диагностика инфекций, определение наличия в крови спортсменов допинга;
  • безопасность страны: поиск террористов через определение происхождения взрывчатого вещества, борьба с наркотрафиком, защита экономической безопасности страны через проверку товара на границе;
  • нефтегазовая промышленность: поиск новых нефтяных полей, оптимизация процессов добычи, поиск виновных в экологических катастрофах;
  • ядерная энергетика: определение степени обогащения материалов, а также их чистоты.

И это — далеко не всё. Невозможно назвать хоть одну область хозяйственной, прикладной или научной деятельности человека, где не использовалась бы масс-спектрометрия и масс-спектрографы различных видов.

Биты квантового мира. О том, какие бывают кубиты и какие из них прямо сейчас борются за лидерство в «квантовой гонке»

Конечная цель этого соревнования заманчива и амбициозна: квантовые алгоритмы сулят существенный выигрыш в скорости решения нескольких весьма ограниченных, но очень важных и насущных задач — от информационной безопасности до моделирования новых материалов и лекарственных соединений. Интерес к области подогревают и все увеличивающиеся объемы инвестиций, причем как на государственном уровне (США, Китай, Россия, Австралия, Великобритания), так и со стороны частных компаний (IBM, Intel, Microsoft). Количество действующих лиц, лабораторий, исследовательских институтов и стартапов начинает зашкаливать, сориентироваться в потоке ежедневно поступающих новостей становится все труднее. Давайте разбираться.

Больше, чем бит

Для начала попробуем наглядно объяснить смысл этих самых так часто встречаемых слов (если он вам и так прекрасно известен, смело прыгайте на три абзаца вперед). Итак, квантовый бит, или, как его часто сокращенно называют, кубит, — это аналог классического бита в квантовом мире. Квантовым миром мы будем называть любые объекты и явления, происходящие на масштабах, где законы классической физики перестают работать и к ним на смену приходят законы квантовой физики. Обычно требуется только для очень-очень маленьких объектов — элементарных частиц, атомов, молекул. На больших масштабах квантовые эффекты размазываются и плавно переходят в законы привычной нам ньютоновской физики (хотя и здесь есть, конечно, исключения, а сама граница такого перехода активно исследуются на переднем крае науки).

С классическом битом мы все знакомы довольно неплохо как минимум на практике — это нули и единички, которыми оперируют наши компьютеры; орел и решка, выпадающие при подбрасывании монетки; выключатели света, которые так сложно бывает найти в темноте. Всех их объединяет возможность находиться в одном из двух состояний, и определить его не составляет особого труда. Берем и проверяем: горит лампочка или нет? Квантовый же бит — объект гораздо более необычный.

С базовыми состояниями у него все в порядке: там их также два и обозначать их можно тоже как «0» и «1». Но, будучи квантовым объектом, кубит находится в любой их (или всех сразу) комбинации — суперпозиции — до тех пор, пока мы не захотим его измерить. Тогда он неизбежно должен принять одно из базовых состояний, причем с определенной вероятностью, описываемой коэффициентами суперпозиции. Суперпозиция — понятие квантового мира и на привычный нам язык переносится с большой натяжкой. Но мы все же попытаемся.

Иллюстрация: Снежанна Мажекенова / chrdk.

Представьте надутый шар, имеющий подобно нашему земному шару два полюса — северный и южный. Полюсы — это базовые состояния кубита, а каждая точка на поверхности шара — одно из бесчисленного множества суперпозиций этих базовых состояний (похожая модель в физике называется сферой Блоха). Положим, вы хотите узнать, в какой именно суперпозиции находится кубит. Для этого вы просите друга взять указательным и большим пальцами правой руки северный полюс, а левой руки — южный. Сами вы берете в руки иголку и быстрым движением проделываете в шарике дырку. Тот лопается и обвисает в руке вашего товарища безжизненной резиновой тряпочкой. Ее-то мы и наблюдаем: если остатки шарика висят в правой руке вашего друга, то измеренное значение кубита — «0», а если в левой — «1».

Увы, одного такого измерения для определения коэффициентов суперпозиции недостаточно — для этого нужно набрать статистику, то есть провести достаточно большое количество одинаковых измерений. В каких-то измерения шарик будет схлопываться к южному полюсу, в каких-то — к северному. Отношение количества таких случаев к общему числу измерений дает нам вероятность получения при каждом измерении «0» или «1». Эти вероятности в сумме дают единицу (либо «0», либо «1» мы явно измерим) и являются квадратами тех самых коэффициентов суперпозиции, о которых мы говорили выше.

Еще одна особенность кубитов (как и любых квантовых объектов) — запутанность (entanglement), то есть возможность образовывать связанные состояния, в которых измеренное состояние одного кубита автоматически определяет состояние другого. При этом в таких связанных состояниях может участвовать любое количество кубитов, и с каждым новым кубитом количество базисных состояний системы увеличивается в два раза. Что уж говорить про суперпозицию, образованную этими базисными состояниями! С каждым новым кубитом она обрастает двумя новыми измерениями, и, уже начиная с двух кубитов, изобразить ее наглядно нет никакой возможности (а вы попробуйте представить себе четырехмерную сферу!). Хорошая новость в том, что зачастую можно разложить состояние многокубитной системы на сумму состояний отдельных кубитов, и тогда его можно наглядно представить в виде набора сфер. Еще одна хорошая новость — логические операции с большим массивом кубитов всегда можно представить в виде последовательности двухкубитных операций.

В теории все звучит довольно красиво. Всю эту красоту описал еще в 1982-м знаменитый Ричард Фейнман, но где в реальности взять кубиты? В общем-то, для этих целей подойдет любая квантовая система с двумя базисными состояниями (их может быть и больше, мы всегда можем ограничиться использованием только двух).

Ловушки для частиц

Первыми кандидатами на роль реального кубита, с легкой руки все того же Фейнмана, стали кванты света — фотоны, базисными состояниями которых является их поляризация — направление колебаний распространяющегося в пространстве электромагнитного поля. Подходящая для кубитов поляризация может быть вертикальной или горизонтальной (поле колеблется вверх-вниз или влево-вправо), либо круговой (по часовой стрелке или против).

Реализовать кубиты на фотонах ученые смогли, однако не сразу, поэтому первыми экспериментально измеренными кубитами стали в 1995 году захваченные в специальные электромагнитные ловушки ионы бериллия (в качестве состояний такого кубита выступали колебания отдельного иона в потенциальной яме ловушки).

Захваченные в электромагнитные или оптические ловушки ионы и атомы получили активное развитие в течение следующих двух десятилетий и к настоящему моменту являются одними из главных платформ для квантовых вычислений. На них были успешно запущены многие квантовые алгоритмы, а количество кубитов в таких процессорах и симуляторах составляет несколько десятков. Эту платформу развивают немало лабораторий по всему миру, а сделать из нее коммерчески доступный квантовый компьютер намерены несколько международных стартапов (IonQ, Q-Ctrl). Более того, в нескольких работах были предложены различные масштабируемые архитектуры для создания квантовых процессоров с сотнями захваченных ионов. Однако работать с такими системами можно только в установках с ультравысоким вакуумом, предварительно охладив частицы до тысячных долей градуса выше абсолютного нуля с помощью лазерного охлаждения.

Связанные одним спином

Вслед за фотонами в ловушках на сцену вышли кубиты, основанные на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и использующие спины атомных ядер во внешнем магнитном поле для кодирования состояний кубитов. Экспериментально при таком подходе логические операции совершаются не над отдельными спинами, а над совокупностью всех молекул в используемом веществе (в первоначальных экспериментах — жидкости). Это вносит определенные сложности в манипулирование большим числом таких квантовых состояний, так как количество взаимодействующих друг с другом молекул в рабочем объеме вещества может достигать сотен триллионов. Поэтому, даже несмотря на то, что были созданы многокубитные квантовые процессоры на ЯМР-кубитах (вплоть до 12 кубитов) и продемонстрирована возможность запускать на них квантовые алгоритмы, дальнейшего развития жидкостные ЯМР-кубиты не получили из-за сложностей с масштабированием таких систем до десятков и сотен кубитов.

В желтой майке лидера: чипы на сверхпроводниках

Тем временем активно развивались альтернативные физические платформы для квантовых вычислений. Так, в конце 90-х годов несколькими научными группами в Японии, CША и Нидерландах были созданы и измерены первые сверхпроводящие кубиты, которые к этому дню выбились в явные фавориты кубитной гонки. По сути, они представляют собой микросхемы из сверхпроводника (чаще всего — алюминия) со специальными элементами — джозефсоновскими переходами (предложенными в 60-х годах английским физиком Брайаном Джозефсоном и представляющими собой наноразмерные разрывы в сверхпроводнике). Сверхпроводящий ток, циркулирующий в таких микросхемах, ведет себя как один большой квантовый объект и обладает ровно двумя необходимыми базисными состояниями, определяемыми либо направлением тока по или против часовой стрелки, либо количеством носителей заряда (пар электронов, или, как их обычно называют, куперовских пар) на отдельных элементах микросхем.

У сверхпроводящих кубитов немало преимуществ. Прежде всего, это искусственные квантовые объекты, которые можно произвольным образом размещать на чипах и изготавливать с помощью хорошо отлаженных за время кремниевой революции процессов промышленного масштаба, применяемых при производстве микроэлектроники. Такие кубиты гораздо проще — и привычнее для hardware-индустрии — изготовить и управлять ими тоже понятнее, чем многочисленными молекулами, атомами или ионами. Это отчасти решает задачу масштабирования таких систем до сотен или тысяч кубитов, необходимых для создания квантового компьютера достаточной мощности. Увы, просто поместить сотню сверхпроводящих кубитов рядом недостаточно — нужно еще обеспечить возможность управлять состоянием каждого из них, а также оградить каждый кубит от шума со стороны соседних кубитов, оставив возможность им взаимодействовать между собой нужным нам образом для выполнения логических операций.

Здесь уместно упомянуть о таком параметре кубитов, как время жизни (или время когерентности), в течение которого кубит способен сохранять заданное квантовое состояние. Этот параметр определяет промежуток времени, когда над кубитом можно выполнять логические операции, то есть исполнять на нем квантовый алгоритм. Очевидно, что каждый шаг алгоритма требует определенного времени на исполнение, обычно порядка десятков наносекунд. Следовательно, чтобы совершать какие-либо полезные вычисления, время жизни кубитов должно достигать десятков микросекунд (напомним, что нано- и микро- отличаются в тысячу раз). И все бы ничего, но из-за своих размеров, в тысячи раз превышающих размеры типичных квантовых объектов (электронов, ядер атомов), первые сверхпроводящие кубиты демонстрировали времена когерентности от десятков до сотен наносекунд. Потребовались десятки лет научной и инженерной работы многих лабораторий по всему миру над улучшением сверхпроводящих схем, материалов и процессов фабрикации, чтобы сделать сверхпроводящие кубиты достаточно долгоживущими. На сегодняшний день лучшие сверхпроводящие кубиты имеют время жизни, близкое к сотне микросекунд.

Еще одним, на этот раз трудноустранимым недостатком сверхпроводящих кубитов является необходимость охлаждать их до сверхнизких температур (порядка десятых долей градуса Кельвина выше абсолютного нуля). Для этого приходится помещать их в специальные холодильники — криостаты, работающие на смеси жидкого гелия, что существенно увеличивает размеры, сложность и стоимость экспериментальных установок. Тем не менее на текущий момент сверхпроводящие кубиты однозначно лидируют в кубитной гонке: их развитием занимается не только множество лабораторий по всему миру (в том числе и в России), но и международные корпорации, среди которых как ветераны эпохи «железа», IBM и Intel, так и левиафан современности Google, взявший под свое крыло группу Джона Мартиниса из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. За окончательное лидерство прямо сейчас, судя по всему, бьются именно IBM и Google: первые совсем недавно заявили о том, что уже создала 50-кубитный прототип (хотя конкретного отчета — научной статьи — об этом пока не появилось даже на сайте с препринтами), а группа Мартиниса продемонстрировала, что их схема достаточно стабильна, чтобы не «поплыть» при масштабировании. Им в затылок дышат несколько высокотехнологичных стартапов (Rigetti Computing, Quantum Circuits, SeeQC).

Фотоны в волноводах

Но вернемся к хронологии появления на свет разных типов кубитов. В середине 2000-х вслед за теоретическими работами стали появляться экспериментальные оптические схемы, где квантовое состояние кодировалось с помощью фотонов в волноводах, приводимых во взаимодействие с различными оптическими элементами. Такие фотонные чипы изготавливались из широко используемого в микроэлектронике кремния и могли быть запрограммированы на исполнение произвольного квантового алгоритма. Однако трудности с масштабированием на текущий момент делают такие системы более привлекательными с точки зрения квантовых коммуникаций, нежели для использования в квантовых вычислениях.

«Дефектные» кубиты

Некой эволюцией жидкостных ЯМР-кубитов можно считать кубиты на твердотельных дефектах в кристаллах. Такие дефекты не только встречаются в кристаллической решетке многих материалов в природе, но и могут быть изготовлены с помощью облучения бездефектного материала пучком заряженных частиц в нужных местах через предварительно изготовленную маску. Особая электронная структура этих дефектов позволяет им реагировать на облучение светом (обычно лазерным лучом) и испускать флуоресцентное излучение с большей длиной волны. Именно благодаря этому свойству такие дефекты получили название центров окраски (color centers). При этом состояние электронов в дефекте может быть использовано в качестве базисных состояний кубитов, позволяя реализовать таким образом новый тип квантовых процессоров. Наиболее перспективными дефектами с точки зрения квантовых вычислений стали азотные дефекты в алмазах, а также фосфорные дефекты в кремнии. За последние десять лет на них были реализованы многокубитные операции и продемонстрирована работа квантовых алгоритмов.

Такие системы обладают рядом важных преимуществ. Прежде всего, так как дефект прочно сидит внутри кристаллической решетки, нет нужды удерживать его внешними электромагнитными полями, как в случае с ионами, а также охлаждать его до низких температур. И при комнатной температуре он продолжает оставаться подлинно квантовым объектом, а потому демонстрирует долгое время жизни, доходящее до нескольких миллисекунд. Именно поэтому кубиты на твердотельных дефектах дают надежду на то, что квантовые компьютеры не «застрянут» на этапе гигантских исследовательских установок, а смогут однажды стать доступным, компактным прибором. Для этого, конечно, ученым и инженерам еще предстоит решить немало сложностей, возникающих при масштабировании систем таких кубитов. Прежде всего — их контролируемое взаимодействие друг с другом, не приводящее к уменьшению времени когерентности отдельных кубитов. Пока что это проблема не решена, что ограничивает вычислительную мощность квантовых процессоров на твердотельных дефектах несколькими кубитами.

Виртуальные кубиты

Довольно близкими родственниками «дефектных» кубитов являются так называемые квантовые точки, которые чаще всего являются искусственными квантовыми объектами. Обычно они представляют собой слои специально подобранных полупроводников с подведенными к ним электрическими контактами, создающими потенциальную яму для электронов в полупроводнике, в которую они захватываются подобно ионам в электромагнитных ловушках кубитов «фейнмановского» типа. А спины захваченных в потенциальную яму электронов могут быть использованы в качестве базисных состояний кубитов со временем жизни порядка микросекунд и возможностью совершать над ними очень быстрые наносекундные операции. Процесс создания квантовых точек довольно неплохо налажен полупроводниковой индустрией, однако масштабирование таких систем до многокубитных процессоров пока остается под вопросом.

«Мелкомягкие» кубиты

Наконец, самой свежей платформой для квантовых вычислений можно считать кубиты на майорановских фермионах, ставку на которые сделала корпорация Microsoft, объединившая усилия нескольких научных групп. Майорановские фермионы — довольно экзотические объекты (к примеру, их можно считать одновременно материей и антиматерией), которые были предсказаны итальянским физиком Этторе Майорана еще в 30-х годах прошлого века. Однако обнаружить их экспериментально оказалось не так-то просто. Лишь пару лет назад, благодаря прогрессу в фабрикации наноструктур, были изготовлены микросхемы из сверхпроводников и полупроводниковых нанопроволок, в которых удалось увидеть характерное для майорановских фермионов поведение. К настоящему времени на таких кубитах еще не были продемонстрированы логические операции, не говоря уже о квантовых алгоритмах, однако этого можно ждать в самом ближайшем будущем. Интерес к данному типу кубитов обусловлен не только возможностью изготовлять их на чипах, но и их возможностью сохранять квантовое состояние в течение длительного времени без каких-либо дополнительных ухищрений (так называемая топологическая защищенность состояний). Кроме того, недавняя теоретическая работа подтвердила возможность масштабирования систем таких кубитов до полноценного квантового компьютера.

Безусловно, приведенный выше список нельзя считать исчерпывающим перечнем платформ для квантовых вычислений, однако он дает вполне неплохое представления о текущей ситуации в области. А в следующих статьях мы подробно обсудим необходимые шаги для построения квантового компьютера, устройство канадской компании D-Wave, использующее квантовый отжиг, и разберем первоочередные задачи, в решении которых квантовый компьютер должен произвести прорыв. Оставайтесь с нами.

 Евгений Глушков

Опасная охота на врачей — Ведомости

Чем дальше, тем больше активность правоохранителей в медицине напоминает не защиту интересов пациентов, а кампанию по наказанию убийц в белых халатах – чтобы канализировать копящееся у людей недовольство происходящим в здравоохранении.

В Калининграде следователи обвинили врача-неонатолога-реаниматолога Элину Сушкевич в умышленном убийстве младенца. Трагедия случилась 6 ноября 2018 г.: 27-летняя гражданка Узбекистана Замира Ахмедова родила на сроке беременности в шесть месяцев ребенка весом всего 700 граммов. Он прожил пять часов.

Сначала обвинили и. о. главного врача роддома Елену Белую – в превышении должностных полномочий, повлекшем тяжкие последствия; под давлением медицинского сообщества ее отпустили под домашний арест. Затем очередь дошла до Сушкевич, которая в составе неонатальной реанимационной бригады прибыла в роддом. Теперь ее обвиняют в убийстве малолетнего, заведомо находящегося в беспомощном состоянии, группой лиц по предварительному сговору; суд отправил ее под домашний арест.

По определению ВОЗ, плод считается жизнеспособным с 22-й недели беременности и при весе 500 граммов, Россия приняла эту норму, но вероятность выживания таких пациентов без тяжелых осложнений во всем мире не превышает 5–10%, говорит председатель Российского общества неонатологов Олег Ионов, а Сушкевич не просто опытный врач, она член совета Общества неонатологов; ее прямая сфера интересов – выхаживание детей с экстремально низкой массой тела. Очень большая редкость – чтобы ребенок весом 700 граммов в России выжил, знает российский анестезиолог, а у Сушкевич много таких побед.

Как ни работай неонатолог, смертельные случаи будут, к сожалению, всегда, но в целом ситуация в стране улучшается. Младенческая смертность снизилась на 1000 родившихся живыми детей в среднем с 8,6 ребенка в 2012 г. до 5,1 ребенка в 2018 г. – но одновременно растет количество претензий и уголовных дел против неонатологов, констатирует Ионов. Причин несколько. Во-первых, СМИ еще до всяких разбирательств часто создают информационную волну о врачах-вредителях, говорит Ионов, огромное количество жалоб на врачей. Жалобы бывают обоснованными, но львиная доля – нет, считает эксперт. Во-вторых, в России врачебными ошибками занимаются правоохранительные органы, а не врачебное сообщество. Следователи считают смерть в медицине преступлением, врач должен доказывать, что он не преступник, сетует Ионов. А основная проблема – в организации медицинской помощи. Доступность ее нередко низкая, персонала не хватает, но пожаловаться на это сложно, а на врача легко; правоохранители это недовольство канализируют, и врачи становятся крайними.

Реаниматологи не часто доживают до 60 лет, эта специальность самая тяжелая в медицине. Если помимо чисто врачебных и психологических нагрузок возникает еще и правовая – проще уйти из медицины. Но кто тогда будет вытаскивать с того света больных силовиков и их родню?

Электрический заряд: положительный, отрицательный. Элементарный, дискретность, электрон, протон, точечный. Модель атома. Закон сохранения

Тестирование онлайн

  • Электрический заряд. Основные понятия

Электрический заряд

Нам приходится буквально отлеплять одну от другой свежевыстиранные и доставаемые из сушилки вещи, или когда мы никак не можем привести в порядок наэлектризованные и буквально встающие дыбом волосы. А кто не пробовал подвесить воздушный шарик к потолку, после трения его о голову? Подобное притяжение и отталкивание является проявлением статического электричества. Подобные действия называются электризацией.

Статическое электричество объясняется существованием в природе электрического заряда. Заряд является неотъемлемым свойством элементарных частиц. Заряд, который возникает на стекле при трении его о шелк, условно называют положительным, а заряд, возникающий на эбоните при трении о шерсть, — отрицательным.

Рассмотрим атом. Атом состоит из ядра и, летающих вокруг него, электронов (на рисунке синие частицы). Ядро состоит из протонов (красные) и нейтронов (черные).

.

Носителем отрицательного заряда является электрон, положительного — протон. Нейтрон — нейтральная частица, не имеет заряда.

Величина элементарного заряда — электрона или протона, имеет постоянное значение и равна

Весь атом нейтрально заряжен, если количество протонов соответствует электронам. Что произойдет, если один электрон оторвется и улетит? У атома станет на один протон больше, то есть положительных частиц больше, чем отрицательных. Такой атом называют положительным ионом. А если присоединится один электрон лишний — получим отрицательный ион. Электроны, оторвавшись, могут не присоединятся, а некоторое время свободно перемещаться, создавая отрицательный заряд. Таким образом, в веществе свободными носителями заряда являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы.

Для того, чтобы имелся свободный протон, необходимо, чтобы разрушилось ядро, а это означает разрушение атома целиком. Такие способы получения электрического заряды мы рассматривать не будем.

Тело становится заряженным, когда оно содержит избыток одних или иных заряженных частиц (электронов, положительных или отрицательных ионов).

Величина заряда тела кратна элементарному заряду. Например, если в теле 25 свободных электронов, а остальные атомы являются нейтральными, то тело заряжено отрицательно и его заряд составляет . Элементарный заряд не делим — это свойство называется дискретностью

Одноименные заряды (два положительных или два отрицательных) отталкиваются, разноименные (положительный и отрицательный) — притягиваются

Точечный заряд — это материальная точка, которая имеет электрический заряд.

Закон сохранения электрического заряда

Замкнутая система тел в электричестве — это такая система тел, когда между внешними телами нет обмена электрическими зарядами.

Алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц остается постоянной при любых процессах, происходящих в электрически замкнутой системе.

На рисунке пример закона сохранения электрического заряда. На первой картинке два тела разноименного заряда. На втором рисунке те же тела после соприкосновения. На третьем рисунке в электрически замкнутую систему внесли третье нейтральное тело и тела привели во взаимодействие друг с другом.

В каждой ситуации алгебраическая сумма заряда (с учетом знака заряда) остается постоянной.

Главное запомнить

1) Элементарный электрический заряд — электрон и протон
2) Величина элементарного заряда постоянна
3) Положительный и отрицательный заряды и их взаимодействие
4) Носителями свободных зарядов являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы
5) Электрический заряд дискретен
6) Закон сохранения электрического заряда

Как правильно выбрать ионный воздухоочиститель?

На российском рынке сейчас — огромное количество воздухоочистителей-ионизаторов от различных производителей, включая и зарубежных. Однако розничные продавцы предлагают только определенные модели, стремятся  подтолкнуть покупателя к выбору какого-то определенного бренда. Почему так происходит? Ответ на этот вопрос чрезвычайно прост: продавец пытается продать прибор с максимальной розничной наценкой, которая зачастую доходит до 100 (!) процентов.

Но я не уверен, что интересы подобных продавцов совпадают с интересами покупателей. Советую более детально разобраться в вопросах выбора той или иной модели воздухоочистителя-ионизатора. Покупать нужно именно тот прибор, который максимально подходит конкретно для ваших целей.

Автор: Сергей УШКОВ, генеральный директор ООО «АТМОС-ТЕХНИК»

 

Воздух будем измерять кубометрами, а не квадратными метрами

Итак, идем выбирать воздухоочиститель. Начнем, пожалуй, с приборов, которые очищают воздух с помощью электростатики — это ионные воздухоочистители. Именно они способны задерживать самые пагубные для здоровья мельчайшие частицы и загрязнения, которые человеческий глаз не может увидеть (от 0,01 до 10 мкм).

Основная характеристика воздухоочистителей подобного класса —  объем обслуживаемого помещения. Чем больше объем, тем мощнее и дороже прибор – это основное правило.

Многие производители и продавцы намеренно сбивают с толка покупателей и указывают в технических характеристиках не объем, а площадь помещения. Это откровенное лукавство. Любой воздухоочиститель работает с воздухом, а воздух, как и воду, квадратными метрами не измеришь — только кубометрами.

Теперь, чтобы понять, подходит прибор для вашей комнаты или нет, займемся подсчетами. Прикинуть объем помещения несложно — просто умножаем площадь на высоту — от пола до потолка. Но покупать воздухоочиститель надо с запасом по мощности — так, чтобы он потянул объем примерно в 1,2–1,5 раза больший. Это связано с тем, что окна и двери, когда открываются, увеличивают «виртуальный» объем комнаты.

Иногда вместо объема обслуживаемого помещения на упаковочной коробке или в паспорте указывается другая характеристика — производительность. Это количество кубических метров воздуха, которое прибор пропускает через себя и очищает за один час. По значению производительности можно легко рассчитать, за какое время прибор очистит помещение. Делая расчеты, помните, среднее время очистки — примерно 2 часа.  

Итак, первый вывод: основная характеристика воздухоочистителя – это объем обслуживаемого помещения или производительность. Измеряется в метрах кубических или в метрах кубических за час. Эта характеристика должна быть адекватна объему помещения.

 

Перед покупкой подсчитайте ионы

Второй важный вопрос – ионизация. Многие производители выпускают воздухоочистители, в которых есть функция ионизации воздуха одновременно с очисткой.

Ионизация — это обогащение воздуха аэроионами. Аэроионы – положительно и отрицательно заряженные ионы молекулы кислорода.

Ионизаторы бывают униполярные, они испускают в воздух аэроионы только одного знака (чаще отрицательного), и биполярные – обоих знаков.

Большинство российских производителей выпускают униполярные приборы, так как считают, что полезно на организм человека действуют только отрицательно заряженные аэроионы (укрепляют иммунитет, придают бодрость и здоровье и т.д.).

До конца вопрос не исчерпан, но главное, чтобы прибор испускал в воздух именно то количество аэроионов того или иного знака, которое строго регламентировано российским Законом — Гигиеническими требованиями к аэроионному составу воздуха производственных и общественных помещений (СанПиН 2.2.4.1294-03). Единица измерения концентрации ионизации – количество единиц зарядов (того или иного знака) в одном кубическом сантиметре.

Чем больше количество зарядов, тем больше концентрация и, следовательно, мощнее ионизация, однако помните, что количество должно вписываться в интервал, регламентированный СанПиН 2.2.4.1294-03. Обратите внимание на таблицу ниже:




 Нормируемые показатели

Количество
положительных ионов , (ион/см3)

Количество
отрицательный ионов , (ион/см3)

Минимально допустимые

 От 400

 От 400

 Максимально допустимые

 До 50000

  До 50000

 

Еще одно важное замечание. Как правило, производители указывают максимальную степень ионизации, на которую способен прибор. Однако длительность жизни аэроионов ничтожно мала. Концентрация аэроионов на расстоянии 1 метр от прибора в сотни раз меньше, чем та же характеристика на расстоянии 0.5 метра. «Перенасытить» помещение аэроионами невозможно!

Кроме этого, помните, что передозировка аэроионами кислорода для человека абсолютно не опасна! Наш организм не может принять больше кислорода, чем количество молекул гемоглобина. Избыточное количество аэроионов полностью выдыхается обратно. Заболеваний, связанных с передозировкой аэроионами,  зафиксировано не было.

Итак, второй вывод: характеристика ионизации – это концентрация аэроионов. Измеряется в количестве единиц зарядов на один сантиметр кубический.

Величина концентрации должна вписываться в интервал, рекомендуемый СанПиН 2.2.4.1294-03. Не покупайте изделие, если в его паспорте или на коробке вы увидите другие величины ионизации и непонятные единицы измерения.

 

Сколько озона выходит из воздухоочистителя?

Третий параметр касается озона.

При происхождении коронного разряда, который необходим для работы электростатического (ионного) воздухоочистителя выделяется озон.

Озон – аллотропная модификация кислорода – является сильным окислителем и в больших концентрациях вреден для человека. Однако замечено, что в небольших концентрациях этот газ выполняет бактерицидную функцию и уничтожает разнообразные вредные вирусы, бактерии и токсины.

Кроме того, озон окисляет фенольные смолы, пестициды, неприятные ароматические соединения. Концентрация озона, которая не вредна для человека, а выполняет бактерицидную функцию, составляет не более 30 мкг на кубический метр (ПДК – предельно допустимая концентрация).

Человек способен почувствовать собственным носом концентрацию озона уже в 3–8 мкг/м.куб., поэтому озоновый запах не должен вас тревожить и вызывать опасения. Смотрите внимательно на технические характеристики воздухоочистителя, в частности на концентрацию озона, которая не должна превышать 30 мкг/м.куб.

Вывод третий: концентрация озона в малых дозах полезна. Концентрация измеряется в мкг на кубический метр и не должна превышать 30 мкг/м.куб. Если вы заметили в паспорте или на коробке прибора не соответствующие концентрацию и единицу ее измерения – мы не рекомендуем покупать такое изделие.

 

А как насчет бонусов?

Еще один важный параметр для выбора воздухоочистителя – дополнительные функции, которые производители встраивают в свои изделия: например, ароматизация воздуха, УФ-лампы, таймеры, пульты дистанционного управления и т.д.

Поинтересуйтесь, каким образом происходит ароматизация воздуха, насколько это удобно в использовании, где покупать дополнительные наборы ароматизации после окончания комплектных (если они присутствуют).

Задайте вопрос по поводу мощности УФ-излучения и его полезности. Какие бактерии можно уничтожить с помощью этой функции, достаточна ли мощность УФ-лампы для бактерицидной обработки воздуха?

Вывод четвертый – дополнительные функции делают воздухоочиститель более комфортным и дорогим в розничной цене. Разберитесь, готовы ли вы переплачивать за данные дополнения и подумайте об их целесообразности.

 

Вопросов много не бывает!

В заключение хотелось бы добавить, что воздухоочистители должны работать постоянно, так как невозможно очистить воздух и выдерживать его в чистоте.

Прибор должен постоянно задерживать пыль, испускать аэроионы и тем самым поддерживать необходимый уровень микроклимата помещения. Чем меньше электрическая мощность прибора, тем меньше расход электроэнергии.

Не забудьте про шум от изделия, который не должен раздражать во время сна. Задайте вопросы продавцу о сложности и стоимости обслуживания прибора  (например, электростатические фильтры не требуют замены).

Подбирайте цвет и дизайн воздухоочистителя в соответствии с дизайном помещения. Задумайтесь и уточните у продавца о способах установки или крепления прибора.

Как видите, выбор воздухоочистителя весьма не простое дело, а сам прибор – довольно сложное техническое изделие.

 

Некоторые характеристики воздухоочистителей-ионизаторов бренда «АТМОС»



















Характеристики

АТМОС

АТМОС-ЛАЙФ

АТМОС-ПРО

Тип воздухоочистителя

Электростатический (ионный) метод фильтрации

Электростатический

(ионный) метод фильтрации

Электростатический

(ионный) метод фильтрации

Тип фильтров

Многоразовый,

не требует замены

Многоразовый,

не требует замены

Многоразовый,

не требует замены

Способ установки

В помещении:

горизонтальный

В автомобиле:

горизонтальный

В помещении:

вертикальный/

горизонтальный/

крепление к стене

В помещении:

горизонтальный/

крепление к стене

Обслуживаемый объем, м.куб.

50

90

120

Концентрация отрицательных аэроионов, ед.зар/см.куб.

45000

50000

50000

Концентрация озона, мкг/м.куб.

5

15

20

Количество режимов работы

2

2

3

Мощность УФ-светодиодов

3 шт Х 2000 мкВт

Ароматизация воздуха

Предусмотрена

Предусмотрена

Предусмотрена

Система анализа уровня загрязненности воздуха

Контрол Фрэш

Уровень шума

Низкий

Низкий

Низкий

Цветовая гамма

Серебристый металлик/

темно-серый металлик

Серебристый металлик/

темно-серый металлик

Темно-серый металлик

Напряжение питания, В

220 / 12

220

220

Габаритные размеры, мм

200 Х 124 Х 73

245 Х 100 Х 200

290 Х 115 Х 210

Потребляемая мощность, Вт

3,5

15

20

Масса, кг

0,4

1,0

1,7

Срок службы, лет

10

10

10

Что такое два типа ионов и чем они отличаются

Что такое два типа ионов и чем они отличаются

Ион:
Ион имеет положительный или отрицательный заряд атом (или группа атомов). Ион образуется в результате потери или приобретения электронов атомом, поэтому он содержит неравное количество электронов и протонов.
Пример: Ион натрия Na + , ион магния Mg 2+ , хлорид-ион Cl и ион оксида O 2– .
Есть два типа ионов:

  1. катионы
  2. анионы.

1. Катион
Положительно заряженный ион известен как катион. Катион образуется в результате потери атомом одного или нескольких электронов.
Пример: Атом натрия теряет 1 электрон с образованием иона натрия Na + , который является катионом:
Ионы всех металлических элементов являются катионами.
2. Анион
Отрицательно заряженный ион известен как анион.Анион образуется в результате усиления одного или нескольких электронов атомом.
Пример: Атом хлора получает 1 электрон для образования хлорид-иона Cl , который является анионом.
Анион содержит больше электронов, чем нормальный атом. Нормальный атом (или нейтральный атом) содержит равное количество протонов и электронов. Итак, поскольку анион образуется путем присоединения одного или нескольких электронов к атому, поэтому анион содержит больше электронов, чем протонов. Ионы всех неметаллических элементов являются анионами.
Простые ионы
Те ионы, которые образованы из отдельных атомов, называются простыми ионами.
Пример: Ион натрия, Na + , представляет собой простой ион, потому что он образован из одного атома натрия, Na.
Составные ионы
Те ионы, которые образованы из групп связанных атомов, называются составными ионами
Пример: Ион аммония NH 4 + , представляет собой составной ион, состоящий из двух типов соединенных вместе атомов азота и водорода.

Ионные соединения
Соединения, состоящие из ионов, известны как ионные соединения. В ионном соединении положительно заряженные ионы (катионы) и отрицательно заряженные ионы (анионы) удерживаются вместе сильными электростатическими силами притяжения. Силы, удерживающие ионы вместе в ионном соединении, известны как ионные связи или электровалентные связи. Поскольку ионное соединение состоит из равного количества положительных и отрицательных ионов, общий заряд ионного соединения равен нулю.
Пример: Хлорид натрия (NaCl) — это ионное соединение, состоящее из равного количества положительно заряженных ионов натрия (Na + ) и отрицательно заряженных ионов хлорида (Cl ).
Некоторое ионное соединение

0 Cl NH + и Cl

хлорид Ca

0 8

90 Оксид алюминия

S.

Название Формула

Ионы присутствуют

1

Na22

хлорид натрия —
2 Хлорид калия KCl

K + и Cl

3

4 Хлорид аммония

4

Хлорид магния MgCl 2 Mg 2+ и Cl
5 2 Ca 2+ и Cl
6 Mag оксид азота MgO Mg 2+ и O 2–
7 Оксид кальция CaO Ca 2+ и O 2–
Al 2 O 3 Al 3+ и O 2–
9 Гидроксид натрия NaOH Na + и OH
10 Сульфат меди CuSO 4 Cu 2+ и SO 4 2–
11 Нитрат кальция Ca (NO 3 )

Ca 2+ и NO 3

Примеры ионов с положительными и отрицательными зарядами

Ион — это атом или группа атомов, где число электронов не равно количеству протонов.Электроны имеют отрицательный заряд, а протоны — положительный. Когда атом получает электроны, это приводит к отрицательному заряду. Этот тип иона называется анионом. Когда атом теряет электроны, это приводит к положительному заряду. Положительно заряженный ион называется катионом. Давайте рассмотрим несколько примеров ионов обоих типов.

Примеры положительных ионов

Положительные ионы обычно являются металлами или действуют как металлы. Эти ионы содержатся во многих обычных материалах. Например, ртуть содержится в термометрах, а алюминий — это металл, который содержится в удивительном количестве вещей.Это даже ингредиент пищевой соды и некоторых других пищевых продуктов!

Положительный заряд (больше протонов по сравнению с электронами) катиона показан числом и знаком плюс после формулы. Если есть только знак плюса, это означает, что заряд равен плюсу 1. Вот некоторые примеры катионов или положительных ионов:

  • Алюминий — Al +3
  • Барий — Ba +2
  • Висмут — Bi +3
  • Кадмий — Cd +2
  • Кальций — Ca +2
  • Цезий — Cs +
  • Хром (III) — Cr +3
  • Кобальт — Co +2
  • Медь (I) — Cu +
  • Медь (II) — Cu +2
  • Водород — H +
  • Железо (II) — Fe +2
  • Железо (III) — Fe +3
  • Свинец (II) — Pb +2
  • Литий — Li +
  • Магний — Mg +2
  • Ртуть (I) — Hg 2 +2
  • Ртуть (II) — Hg +2
  • Никель — Ni +2
  • Калий — K +
  • Рубидий — Rb +
  • Серебро — Ag +
  • Натрий — Na +
  • Стронций — Sr +2
  • Олово (II) — Sn +2
  • Цинк — Zn +2

Примеры отрицательных ионов

Подобно тому, как атомы могут терять электроны, чтобы стать катионами, некоторые могут приобретать электроны и становиться отрицательно заряженными анионами.Опять же, возможно, вы знакомы с некоторыми из этих ионов. Иногда в коммунальные системы водоснабжения добавляют фторид. Ваш стоматолог также может назначить вам лечение фторидом.

Отрицательный заряд (меньше протонов, чем электронов) аниона показан числом и знаком минус после формулы. Если стоит только знак минус, это означает, что заряд минус 1. Вот несколько примеров анионов:

  • Бромид — Br
  • Хлорид — Cl
  • Фторид — F
  • Йодид — I
  • Нитрид — N 3-
  • Оксид — O 2-
  • Сульфид — S 2-

Многоатомные катионы и анионы

Если ион состоит из двух или более атомов, он называется многоатомным ионом.Как и их одноатомные аналоги, они тоже могут приобретать и терять электроны.

Многоатомные катионы

Ионы с несколькими атомами, которые теряют электроны и поэтому заряжаются положительно, называются многоатомными катионами.

  • Аммоний — NH +4
  • Гидроний — H 3 O +

Многоатомные анионы

Ионы с несколькими атомами, которые приобретают электроны и, следовательно, имеют отрицательный заряд, называются многоатомными анионами.В приведенном ниже списке обвинение заключено в круглые скобки для удобства чтения, но стандартная запись требует, чтобы платеж был записан в виде надстрочного индекса.

  • Ацетат — CH 3 COO или C 2 H 3 O 2-
  • Арсенат — AsO 4 3-
  • Бикарбонат или гидрокарбонат — HCO 3
  • Борат — BO 3 3-
  • Карбонат — CO 3 2-
  • Хлорат — ClO 3
  • Хлорит — ClO 2
  • Хромат — CrO 4 2-
  • Цианид CN
  • Дихромат — Cr 2 O 7 2-
  • Дигидрофосфат — H 2 PO 4 — или H 2 O 4 P
  • Формиат — CHO 2 или HCOO или CHOO
  • Сероводород или бисульфат — HSO 4
  • Сероводород или бис Ульфит — HSO 3
  • Фосфат водорода — HPO 4 2 —
  • Гидроксид OH
  • Гипохлорит — ClO
  • Нитрат — NO 3
  • Нитрит — NO 2
  • Оксалат — C 2 O 4 2-
  • Перхлорат — ClO 4
  • Перманганат — MnO 4
  • Пероксид O 2 2-
  • Фосфат — PO 4 3-
  • Фосфит — PO 3 3-
  • Силикат — SiO 3 2-
  • Сульфат — SO 4 2-
  • Сульфит — SO 3 2-
  • Тиоцианат — SCN
  • Тиосульфат — S 2 O 3 2
  • 9045 4

    Ионные соединения

    Ионное соединение состоит из одного или нескольких анионов и одного или нескольких катионов.

    Некоторые примеры ионных соединений включают:

    • Сульфид алюминия — Al 2 S 3
    • Хлорид бериллия — BeCl 2
    • Иодид бора — BI 3
    • Нитрид кальция — Ca 3 N 2
    • Фосфид меди — Cu 3 P
    • Иодид железа (II) — FeI 2
    • Оксид железа (III) — Fe 2 O 3
    • Сульфид свинца (II) — PbS
    • Фосфид свинца (IV) — Pb 3 P 4
    • Фторид лития — LiF
    • Хлорид магния — MgCl 2
    • Бромид калия — KBr
    • Фторид натрия — NaF
    • Нитрид натрия — Na 3 N

    Реакция при полной загрузке

    Изучая химию, вы встретите множество примеров ионов, а также различных типов ионов и того, как они взаимодействуют и соотносятся друг с другом.Для получения дополнительной информации по теме обязательно изучите некоторые примеры химических связей и примеры химических свойств. Возможно, они станут катализатором позитивных изменений в вашем обучении!

    Что такое ионы? — LAQUA [Веб-сайт анализатора качества воды]

    Прежде чем обсуждать измерение ионов с помощью ионоселективных электродов, давайте поговорим об ионах в водном растворе.

    «Концентрация ионов водорода» в разделе «Основа pH» этого сайта гласит, что «Вода представлена ​​молекулярной формулой H 2 O и в основном находится в форме молекул H 2 O, которые очень стабильны.Однако небольшая часть молекул воды разделяется на ионы водорода H + и ионы гидроксила OH ».
    Поскольку вода находится в такой форме при комнатной температуре, она растворяет многие виды веществ. (Однако некоторые вещества не растворяются в воде, как можно было бы ожидать от японской фразы «вода и масло», используемой для обозначения вещей, которые не смешиваются из-за их принципиально разной природы.) Давайте посмотрим на различия между свойствами водные растворы сахара и соли.
    Когда сахар, особенно сахар-песок высокой чистоты, растворяется в воде, легкость, с которой электричество (или, точнее, ток) протекает через него, почти такая же, как у исходной воды. Напротив, ток очень легко проходит через солевой раствор. В чем причина такой разницы?
    Дело в том, что сахар (C 6 H 12 O 6 ) не превращается в ионы, тогда как соль (NaCl) полностью ионизируется на ионы натрия (Na + ) и ионы хлорида (Cl ) , позволяя электрическому току течь.Мы не будем здесь подробно останавливаться на причинах такого поведения; достаточно указать, что атомы натрия (Na) в силу своей природы имеют тенденцию выделять электрон e , чтобы стать ионами натрия Na + , а атомы хлора (Cl) стремятся принять электрон e превращаться в хлорид-ионы Cl . Na + и Cl электрически притягиваются друг к другу с образованием соединения, известного как соль (NaCl). Вещество, которое образуется таким образом, называется ионным соединением.Между тем, довольно сложное соединение, известное как сахар, образовано атомами углерода, водорода и кислорода, объединенными путем обмена некоторыми из своих электронов (валентных электронов), то есть это ковалентное соединение. Даже после растворения в воде молекулы сахара сохраняют свою форму и не превращаются в ионы. Хотя сахар и соль, казалось бы, растворяются в воде одинаково, они сильно различаются по своим ионизационным / неионизационным свойствам в воде.

    Следующее иллюстрирует эти точки:

    ионов

    ионов

    Ионы

    Посмотрите на атом, показанный ниже.Он имеет по 3 протона, нейтрона и
    электронов и представляет собой литий (Li). Если бы мы писали
    символически это будет 6 Li.

    Атом лития

    Литий имеет только один электрон во внешней оболочке.
    Что бы произошло, если бы мы удалили этот электрон?

    Без внешнего электрона атом лития имел бы больше
    положительные заряды (+3), чем отрицательные (-2). Атом с другим
    Число электронов в протоны будет называться ионом .
    Такие элементы, как литий, которые теряют свои электроны, образуют положительные ионы.
    Символически мы можем представить это как Li +1 . Прочие элементы
    стремятся получить электроны. Кислород — хороший пример одного из них:

    Атом кислорода

    Кислород обычно имеет в общей сложности 8 электронов, но только 6 из них.
    находятся в самой внешней оболочке или на орбите. Элементы предпочитают иметь полную внешнюю
    снаряды. Они также предпочитают максимально легко попасть в это состояние.
    Выше литию было легче потерять один электрон, чем получить 7
    электроны.Точно так же кислороду легче получить 2 электрона вместо
    потери 6 электронов:

    Ион кислорода

    Два полученных электрона (фиолетовые точки) означают, что этот кислород
    ион имеет 10 электронов (заряд -10) и только 8 протонов (заряд +8), что дает иону
    чистая плата -2. Символически мы можем представить этот ион кислорода как O -2 .

    Периодическая таблица может использоваться, чтобы помочь предсказать, сколько
    электроны находятся во внешней оболочке, и, следовательно, какой тип иона они будут
    форма.Вот та же диаграмма с предыдущей страницы, но с некоторыми
    к нему добавлена ​​дополнительная информация:

    Черные числа выше представляют количество электронов в
    внешняя оболочка. Обратите внимание, что в каждом столбце больше электронов в крайнем
    оболочки, когда вы идете вправо, и что последний ряд (возглавляемый He или Helium) имеет
    полная внешняя оболочка. {Особое примечание: гелий имеет только 2 электрона в
    самая внешняя оболочка, но она заполнена для первой оболочки.}
    Красный
    числа представляют тип иона, который образовал бы атом, начиная с
    +1 иона слева и заканчивая без ионов («0») на
    Правильно. Элементы с полной внешней оболочкой не образуют ионы .
    Желтая секция с надписью «Переходные элементы» — это элементы, которые
    имеют тенденцию терять электроны из оболочек, отличных от внешней оболочки, и образуют
    положительные ионы. Например, железо (Fe) образует два разных положительных иона,
    Fe +2 ( двухвалентное железо ) и Fe +3 ( трехвалентное железо
    железо). Понимание того, почему существуют разные ионы железа, сложно и сложно.
    выходит за рамки этого курса. Однако вы сможете определить
    ионное состояние атомов из других групп с использованием Периодической таблицы.

    Quick Quiz: Используйте приведенную выше таблицу, чтобы ответить на
    следующие вопросы:

    1. Какой ион образует атом хлора (Cl)?

    2. Какой ион образует атом алюминия (Al)?

    3. Какой ион образует атом магния (Mg)?

    4. Какой ион образовал бы атом калия (K)?

    Ответы:

    1. Хорин находится в седьмой колонке и, следовательно, имеет 7
      электроны в его внешней оболочке.Было бы стремиться получить один электрон
      и образуют ион -1 .

    2. Алюминий находится в пятой колонке и, следовательно, имеет 5
      электроны в его внешней оболочке. Было бы потеряно три
      электронов и образуют ион +3 .

    3. Магний находится во втором столбце и, следовательно, имеет 2
      электроны в его внешней оболочке. Он потерял бы два электрона.
      и образуют ион +2 .

    4. Калий находится в первом столбце и, следовательно, имеет 1
      электрон в своей внешней оболочке.Он потерял бы один электрон
      и образуют ион +1 .

    Продолжите и узнайте о склеивании.
    Вернуться в главное меню.
    Вернуться на страницу вводного курса наук о Земле.

    Chem4Kids.com: Атомы: Ионы


    Раньше мы говорили о ионах . Пришло время перейти к основам. Атомный номер элемента , также называемый протонным числом , сообщает вам количество протонов или положительных частиц в атоме.Нормальный атом имеет нейтральный заряд с равным количеством положительных и отрицательных частиц. Это означает, что у атома с нейтральным зарядом количество электронов равно атомному номеру. Ионы — это атомы с лишними или отсутствующими электронами. Когда вам не хватает одного или двух электронов, у вас есть положительный заряд. Когда у вас есть лишний электрон или два, у вас есть отрицательный заряд .

    Что делать, если у вас атом натрия (Na)? У вас одиннадцать электронов — слишком много, чтобы заполнить всю оболочку.Вам нужно найти другой элемент, который заберет этот электрон у вас. Когда вы потеряете этот электрон, у вас будут полные оболочки. Всякий раз, когда атом имеет полные оболочки, мы говорим, что он «счастлив». Давайте посмотрим на хлор (Cl). У хлора семнадцать электронов, и ему нужен только один, чтобы заполнить свою третью оболочку и быть «счастливым». Хлор заберет ваш лишний электрон натрия и оставит вас с 10 электронами внутри двух заполненных оболочек. Теперь ты тоже счастливый атом. Вы тоже ион, и вам не хватает одного электрона.Этот недостающий электрон дает вам положительный заряд. Вы по-прежнему являетесь элементом натрия, но теперь вы ион натрия (Na + ). У вас на один электрон меньше, чем ваш атомный номер.

    Итак, теперь вы стали ионом натрия. У вас десять электронов. Это то же количество электронов, что и в неоне (Ne). Но ты не неон. Поскольку вам не хватает электрона, вы тоже не полный атом натрия. Как ион, вы теперь что-то совершенно новое. Вся ваша цель как атома состояла в том, чтобы стать «счастливым атомом» с полностью заполненными электронными оболочками.Теперь у вас есть заполненные ракушки. У вас более низкая энергия. Вы потеряли электрон, и вы «счастливы». Так что же делает вас интересным для других атомов? Теперь, когда вы отказались от электрона, вы весьма привлекательны с точки зрения электричества. Другие электрически заряженные атомы (ионы) противоположного заряда (отрицательного) теперь смотрят на вас и видят хорошего партнера для связи. Вот где появляется хлор. Это не только хлор. Практически любой ион с отрицательным зарядом будет заинтересован в соединении с вами.
    Не беспокойтесь о громком слове. Электровалентность — это просто другое слово для чего-то, что отказалось или забрало электроны и стало ионом. Если вы посмотрите на таблицу Менделеева, вы можете заметить, что элементы с левой стороны обычно становятся положительно заряженными ионами (катионами), а элементы с правой стороны получают отрицательный заряд (анионы). Эта тенденция означает, что левая сторона имеет положительную валентность, а правая — отрицательную. Валентность — это мера того, насколько атом хочет связываться с другими атомами.Это также мера того, сколько электронов возбуждено связью с другими атомами.

    Существует два основных типа связи: ковалентная и электровалентная . Возможно, вы слышали о термине «ионные связи». Ионные связи — это электровалентные связи. Это просто группы заряженных ионов, удерживаемые вместе электрическими силами. Ученые называют эти группы « ионных агломератов ». В присутствии других ионов электровалентные связи слабее из-за внешних электрических сил и притяжения.Сами по себе ионы натрия и хлора имеют очень прочную связь, но как только вы поместите эти ионы в раствор с ионами H + , OH , F или Mg ++ , появятся заряженные отвлекающие факторы, которые разорвать связь Na-Cl .

    Еще раз взгляните на хлорид натрия (NaCl). Соль — очень прочная связь, когда она лежит на вашем столе. Было бы почти невозможно разорвать эти ионные / электровалентные связи. Однако, если вы поместите эту соль в немного воды (H 2 O), связи разорвутся очень быстро.Это легко происходит из-за электрического притяжения воды. Теперь у вас есть ионы натрия (Na + ) и хлора (Cl ), плавающие вокруг раствора. Вы должны помнить, что ионные связи обычно сильны, но очень слабы в воде.

    Ионная двигательная установка NEXT (видео НАСА)



    Полезные справочные ссылки

    Британская энциклопедия: Ионы
    Википедия: Ионы
    Энциклопедия.com: Ионы

    3.2: Ионы — Chemistry LibreTexts

    Цели обучения

    • Определите два типа ионов.
    • Используйте диаграммы Льюиса, чтобы проиллюстрировать образование ионов.

    У большинства атомов нет восьми электронов на валентной электронной оболочке. Некоторые атомы имеют всего несколько электронов на внешней оболочке, в то время как некоторым атомам не хватает только одного или двух электронов, чтобы иметь октет. В случаях, когда у атома три или меньше валентных электронов, атом может довольно легко потерять эти валентные электроны, пока не останется нижняя оболочка, содержащая октет.Атомы, которые теряют электроны, приобретают положительный заряд в результате, потому что у них остается меньше отрицательно заряженных электронов, чтобы уравновесить положительные заряды протонов в ядре. Положительно заряженные ионы называются катионами. Большинство металлов превращаются в катионы, когда образуют ионные соединения.

    Некоторые атомы имеют почти восемь электронов в валентной оболочке и могут получать дополнительные валентные электроны, пока не получат октет. Когда эти атомы приобретают электроны, они приобретают отрицательный заряд, потому что теперь у них больше электронов, чем протонов.Отрицательно заряженные ионы называются анионами. Большинство неметаллов превращаются в анионы, когда они образуют ионные соединения.

    Названия положительных и отрицательных ионов произносятся как CAT-eye-ons (катионы) и ANN-eye-ons (анионы) соответственно.

    Электронный перенос

    Мы можем использовать электронные конфигурации, чтобы проиллюстрировать процесс переноса электрона между атомами натрия и атомами хлора.

    Na: 1 с 2 2 с 2 2 p 6 3 с 1

    Как показано здесь, атом натрия (Na) имеет один валентный электрон на третьем основном энергетическом уровне.Вероятно, он получит октет на своей внешней оболочке, потеряв один валентный электрон. Катион, полученный таким образом, Na + , называют ионом натрия, чтобы отличить его от элемента. Ион натрия Na + имеет электронную конфигурацию с октетом электронов со второго основного энергетического уровня. Теперь он такой же, как у благородного газа неона. Термин изоэлектронный относится к атому и иону другого атома (или двух разных ионов), которые имеют одинаковую электронную конфигурацию.6 \: \ text {(октет)} \ end {array} \]

    Рисунок \ (\ PageIndex {1} \) — это графическое изображение этого процесса.

    Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Образование иона натрия. Слева у атома натрия 11 электронов. Справа ион натрия имеет всего 10 электронов и заряд 1+.

    Теперь рассмотрим атом хлора, Cl: 1 с 2 2 с 2 2 p 6 3 с 2 3 p 5

    Для получения октета в валентной оболочке хлора нужен только один электрон.Когда атом хлора получает электрон, его внешний главный энергетический уровень достигает октета. В этом случае ион имеет ту же самую внешнюю оболочку, что и исходный атом, но теперь в этой оболочке восемь электронов. И снова правило октетов выполнено. Образующийся анион Cl называется хлорид-ионом; обратите внимание на небольшое изменение суффикса (- ide вместо — ine ) для создания имени этого аниона. Этот процесс проиллюстрирован ниже. (В поваренной соли этот электрон происходит от атома натрия.6 \ text {(октет)} \ end {array} \]

    Рисунок \ (\ PageIndex {2} \) — это графическое изображение этого процесса.

    Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Образование иона хлора. Слева у атома хлора 17 электронов. Справа хлорид-ион имеет 18 электронов и заряд 1−.

    В случае двух противоположно заряженных ионов между ними существует электростатическое притяжение, поскольку притягиваются противоположные заряды. Полученная комбинация представляет собой соединение хлорида натрия. Обратите внимание, что электронов не осталось.Количество электронов, потерянных атомом натрия (один), равно количеству электронов, полученных атомом хлора (один), поэтому соединение электрически нейтрально. В макроскопических образцах хлорида натрия есть миллиарды и миллиарды ионов натрия и хлорида, хотя всегда есть одно и то же количество катионов и анионов.

    Пример \ (\ PageIndex {1} \)

    Запишите электронную конфигурацию атома алюминия (Z = 13). Сколько электронов должен потерять / получить Al, чтобы получить октет? Напишите формулу образовавшегося иона и его электронную конфигурацию.

    Решение

    Электронная конфигурация атома Al: 1 с 2 2 с 2 2 p 6 3 с 2 3 p 1 . Вторая оболочка имеет октет (2 с 2 2 p 6 ), а валентная оболочка имеет 3 электрона (3 с 2 3 p 1 ). Mg может достичь октета, потеряв 3 валентных электрона.Полученный катион представляет собой Al 3+ с электронной конфигурацией, 1 с 2 2 с 2 2 p 6 .

    Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

    Запишите электронную конфигурацию атома кислорода (Z = 8). Сколько электронов нужно O потерять / получить, чтобы получить октет? Напишите формулу образовавшегося иона и его электронную конфигурацию.

    Ответ

    Электронная конфигурация атома О: 1 с 2 2 с 2 2 p 4 . Вторая оболочка имеет шесть электронов (2 s 2 2 p 4 ) и требует двух электронов для достижения октета. Кислород получит 2 электрона. Полученный анион представляет собой O 2 с электронной конфигурацией, 1 с 2 2 с 2 2 p 6 .

    Во многих случаях элементы, принадлежащие к одной и той же группе (вертикальный столбец) в периодической таблице, образуют ионы с одинаковым зарядом, потому что они имеют одинаковое количество валентных электронов.Таким образом, таблица Менделеева становится инструментом для запоминания зарядов многих ионов. Например, все ионы щелочных металлов, первый столбец периодической таблицы, имеют заряд 1+. Ионы щелочноземельных металлов, второй группы в периодической таблице, имеют заряд 2+. На другой стороне периодической таблицы, предпоследний столбец, галогены, образуют ионы с зарядом 1−. На рисунке \ (\ PageIndex {3} \) показано, как можно предсказать заряд многих ионов по положению элемента в периодической таблице.Обратите внимание на условность написания сначала числа, а затем знака на многозарядном ионе. Катион бария обозначается как Ba 2 + , а не Ba +2 .

    Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Прогнозирование ионных зарядов. Заряд, который приобретает атом, когда он становится ионом, связан со структурой периодической таблицы. В группе (семействе) элементов атомы образуют ионы определенного заряда.

    Пример \ (\ PageIndex {2} \)

    Какой из этих ионов вряд ли образуется ?

    1. мг +
    2. К +

    Решение

    (a) Mg относится к группе 2A и имеет два валентных электрона.Он достигает октета за счет потери двух электронов с образованием катиона Mg 2+ . Потеря только одного электрона с образованием Mg + не дает октета, следовательно, образование Mg + маловероятно.

    Упражнение \ (\ PageIndex {2} \)

    Какой из этих ионов вряд ли образуется ?

    1. S 3
    2. Н 3
    Ответ

    (a) S относится к группе 6A и имеет шесть валентных электронов.Он достигает октета за счет получения двух электронов с образованием аниона S 2 . Получение трех электронов для образования S 3 не делает его октетом, следовательно, образование S 3 маловероятно.

    Диаграммы Льюиса

    Химики используют простые диаграммы, чтобы показать валентные электроны атома и то, как они передаются. Эти диаграммы имеют два преимущества перед диаграммами электронных оболочек. Во-первых, они показывают только валентные электроны. Во-вторых, вместо круга вокруг химического символа, представляющего электронную оболочку, они имеют до восьми точек вокруг символа; каждая точка представляет собой валентный электрон.Эти точки расположены справа и слева, а также над и под символом с не более чем двумя точками на стороне . Например, натрий представлен следующим образом:

    , а для хлора представление выглядит следующим образом:

    Для приведенных выше диаграмм не имеет значения, на каких сторонах расположены точки на диаграммах Льюиса, при условии, что каждая сторона имеет максимум две точки.

    Эти диаграммы называются электронно-точечными диаграммами Льюиса или просто диаграммами Льюиса, в честь Гилберта Н.Льюис, американский химик, который их представил. Чтобы написать символ точки Льюиса элемента, поместите точки, представляющие его валентные электроны, по одной вокруг химического символа элемента. Сверху, внизу, слева и справа от символа помещается до четырех точек (в любом порядке, при условии, что элементы с четырьмя или менее валентными электронами имеют не более одной точки в каждой позиции). Следующие точки для элементов с более чем четырьмя валентными электронами снова распределяются по одной, каждая в паре с одним из первых четырех.Другими словами, размещает точки по отдельности с каждой стороны, прежде чем объединять их в пары . Электронная точечная диаграмма Льюиса фтора, например, с семью валентными электронами, строится следующим образом:

    На рисунке \ (\ PageIndex {4} \) показаны электронные конфигурации и диаграммы Льюиса от лития до неона, который составляет весь второй период периодической таблицы Менделеева. Для элементов основной группы число валентных электронов равно , как и номер группы , указанный в верхней части периодической таблицы.

    Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Электронно-точечные диаграммы Льюиса элементов лития через неон

    Перенос электронов можно легко проиллюстрировать с помощью диаграмм Льюиса:

    В окончательной формуле точки опущены.

    Пример \ (\ PageIndex {3} \)

    Начиная с атомов лития и брома, используйте диаграммы Льюиса, чтобы показать образование ионного соединения LiBr.

    Решение

    Из периодической таблицы мы видим, что литий находится в том же столбце, что и натрий, поэтому он будет иметь такую ​​же электронную конфигурацию валентной оболочки.Это означает, что нейтральный атом лития будет иметь такую ​​же диаграмму Льюиса, что и атом натрия. Точно так же бром находится в той же колонке, что и хлор, поэтому он будет иметь ту же диаграмму Льюиса, что и хлор. Следовательно,

    Упражнение \ (\ PageIndex {3} \)

    Начиная с атомов магния и кислорода, используйте диаграммы Льюиса, чтобы показать образование ионного соединения MgO.

    Ответ

    Некоторые ионные соединения имеют разное количество катионов и анионов.В этих случаях перенос электрона происходит между более чем одним атомом. Например, вот образование MgBr 2 :

    Обратите внимание, что в этом примере на каждый ион магния (заряд 2+) необходимы два бромид-иона (заряд 1–), чтобы общий заряд соединения равнялся нулю. Это называется балансом . Номер каждого типа иона указывается в формуле нижним индексом.

    Большинство элементов, образующих ионные соединения, образуют ион с характерным зарядом.Например, натрий образует ионные соединения, в которых ион натрия всегда имеет заряд 1+. Хлор образует ионные соединения, в которых ион хлора всегда имеет заряд 1−. Некоторые элементы, особенно переходные металлы, могут образовывать ионы с несколькими зарядами. На рисунке \ (\ PageIndex {5} \) показаны характерные заряды некоторых из этих ионов. Как мы видели на рисунке \ (\ PageIndex {1} \), существует образец для зарядов на многих из ионов основной группы, но не существует простой модели для ионов переходных металлов (или для более крупных элементов основной группы).

    Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Заряды одноатомных ионов. Обратите внимание, что некоторые атомы обычно образуют ионы с переменным зарядом.

    Основные выводы

    • Ионы могут быть заряжены положительно или отрицательно.
    • Диаграмма Льюиса используется, чтобы показать, как электроны передаются для образования ионов и ионных соединений.

    Упражнения

    1. Какие два типа ионов?

    2. Используйте диаграммы Льюиса, чтобы проиллюстрировать образование ионного соединения из атома калия и атома йода.

    3. Когда следующие атомы становятся ионами, какие заряды они приобретают?

    1. Ли
    2. S
    3. Ca
    4. F

    4. Определите каждый из них как катион, анион или ни то, ни другое.

    1. H +
    2. Класс
    3. О 2
    4. Ba 2 +
    5. CH 4
    6. CS 2

    5.Определите каждый из них как катион, анион или ни то, ни другое.

    1. NH 3
    2. Br
    3. H
    4. рт. Ст. 2 +
    5. CCl 4
    6. СО 3

    6. Запишите электронную конфигурацию для каждого иона.

    1. Ли +
    2. мг 2 +
    3. Ф
    4. S 2−

    7.Напишите электронную конфигурацию для каждого иона.

    1. Na +
    2. Be 2 +
    3. Класс
    4. O 2−

    8. Нарисуйте диаграммы Льюиса для ионов, перечисленных в упражнении 6. Также включите диаграммы Льюиса для соответствующих нейтральных атомов в качестве сравнения.

    9. Нарисуйте диаграммы Льюиса для ионов, перечисленных в упражнении 7. Также включите диаграммы Льюиса для соответствующих нейтральных атомов в качестве сравнения.

    10. Используя диаграммы Льюиса, покажите перенос электрона для образования LiF.

    11. Используя диаграммы Льюиса, покажите перенос электрона для образования MgO.

    12. Используя диаграммы Льюиса, покажите перенос электрона для образования Li 2 O.

    13. Используя диаграммы Льюиса, покажите перенос электрона для образования CaF 2 .

    14. Какой характерный заряд имеют атомы в первом столбце периодической таблицы, когда они становятся ионами?

    15.Какой характерный заряд имеют атомы во втором столбце периодической таблицы, когда они становятся ионами?

    16. Какой характерный заряд имеют атомы в предпоследнем столбце периодической таблицы, когда они становятся ионами?

    17. Какой характерный заряд имеют атомы в предпоследнем столбце периодической таблицы, когда они становятся ионами?

    ответов

    1. Катионы (положительно заряженные) и анионы (отрицательно заряженные).

    4.

    1. катион
    2. анион
    3. ни один
    4. катион
    5. ни один
    6. ни один

    5.

    1. ни один
    2. анион
    3. анион
    4. катион
    5. ни один
    6. ни один

    6.

    1. 1 с 2
    2. 1 с 2 2 с 2 2 п 6
    3. 1 с 2 2 с 2 2 п 6
    4. 1 с 2 2 с 2 2 п 6 3 с 2 3 п 6

    7.

    1. 1 с 2 2 с 2 2 п 6
    2. 1 с 2
    3. 1 с 2 2 с 2 2 п 6 3 с 2 3 п 6
    4. 1 с 2 2 с 2 2 п 6

    8.

    г.

    г.

    г.

    9.

    Взаимодействие с другими людьми

    10.

    11.

    12.

    13.

    15. 2+

    Что такое ион? Определение и примеры

    Ион определяется как атом или молекула, которая приобрела или потеряла один или несколько своих валентных электронов, что придает им чистый положительный или отрицательный электрический заряд.Другими словами, существует дисбаланс в количестве протонов (положительно заряженных частиц) и электронов (отрицательно заряженных частиц) в химическом веществе.

    История и значение

    Термин «ион» был введен английским химиком и физиком Майклом Фарадеем в 1834 году для описания химических веществ, которые перемещаются от одного электрода к другому в водном растворе. Слово ion происходит от греческого слова ion или ienai , что означает «идти».»

    Хотя Фарадей не мог идентифицировать частицы, движущиеся между электродами, он знал, что металлы растворяются в растворе на одном электроде, а другой металл осаждается из раствора на другом электроде, поэтому материя должна перемещаться под действием электрического тока.

    Примеры ионов:

    альфа-частица He 2+

    гидроксид ОН

    Катионы и анионы

    Ионы можно разделить на две большие категории: катионы и анионы.

    Катионы — это ионы, которые несут чистый положительный заряд, потому что количество протонов в частицах больше, чем количество электронов. Формула для катиона обозначается надстрочным индексом после формулы, которая указывает номер заряда и знаком «+». Число, если оно есть, предшествует знаку плюс. Если присутствует только «+», это означает, что заряд равен +1. Например, Ca 2+ указывает на катион с зарядом +2.

    Анионы — это ионы, которые несут отрицательный заряд.В анионах больше электронов, чем протонов. Количество нейтронов не является фактором, определяющим, является ли атом, функциональная группа или молекула анионом. Как и катионы, заряд аниона обозначается надстрочным индексом после химической формулы.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *