Тема 8. Электронно-ионная теория

Определения и обозначения

Электрон — отрицательно заряженная частица атома. Его заряд обозначают −e, где e — модуль элементарного заряда; перемещаясь между телами, электроны переносят электрический заряд. Поэтому именно изменение числа электронов помогает объяснить обычную электризацию.

Ион — атом или группа атомов, получившие электрический заряд после потери или присоединения электронов. В отличие от нейтрального атома, ион имеет избыток или недостаток электронов по сравнению с положительными зарядами. Понятие иона позволяет описать, какие частицы несут заряд в веществе.

Положительный ион — частица, образовавшаяся, когда атом потерял один или несколько электронов. Положительные заряды при этом не исчезают, а электронов становится меньше, поэтому их действие уже не компенсируется полностью. Так называют атом с недостатком электронов, даже если он потерял больше одного.

Отрицательный ион — частица, образовавшаяся, когда атом присоединил один или несколько электронов. Число отрицательных зарядов у него превышает число положительных, и их общий заряд становится отрицательным. Это понятие помогает понять, почему добавление электронов меняет знак заряда частицы.

Как это устроено

В обычном атоме есть положительно заряженное ядро и отрицательно заряженные электроны. Положительные заряды ядра в сумме равны по величине заряду всех электронов, поэтому их действия компенсируются. Именно равенство этих зарядов, а не отсутствие заряженных частиц, делает атом электрически нейтральным.

Если электрон покидает атом, положительные заряды ядра остаются, а электронов становится меньше. Теперь положительный заряд не уравновешен полностью, и частица в целом заряжена положительно. Если атом, наоборот, присоединяет электрон, появляется избыток отрицательного заряда и образуется отрицательный ион.

При электризации тела электроны могут переходить между телами, например при трении или соприкосновении. Они уже существовали в составе вещества, поэтому переход означает их перенос, а не рождение новых частиц. Одно тело теряет электроны, а другое получает те же самые электроны.

Тело, отдавшее электроны, остаётся с избытком положительного заряда: отрицательных частиц стало меньше, а положительные заряды никуда не переместились. У тела, получившего электроны, возникает избыток отрицательного заряда. Поэтому знак заряда определяется не тем, что появилось новое вещество, а изменением соотношения положительных и отрицательных зарядов.

Поскольку электроны лишь переходят от одного тела к другому, заряд не возникает из ничего и не исчезает. Если изначально суммарный заряд двух тел был нулевым, после электризации одно тело может стать положительным, а другое — отрицательным, но их общий заряд останется нулевым. Это пример сохранения электрического заряда: общий заряд замкнутой системы не меняется.

Частицы и их электрический заряд

Пользуйся таблицей, чтобы по соотношению электронов и положительных зарядов определить состояние частицы. Равное число означает нейтральность, а избыток или недостаток электронов — отрицательный или положительный заряд соответственно. В последнем столбце указано, какое изменение числа электронов привело к этому состоянию.

Разбор задач

Нейтральный атом отдал один электрон. Определите, какой заряд приобрёл атом.

До потери электрона атом был нейтральным, значит, число электронов в нём соответствовало числу положительных зарядов. После потери электронов стало на один меньше, а положительные заряды остались на месте. Нужно определить, какой заряд теперь не компенсирован.

1. Сравниваем числа: электронов стало на один меньше, чем положительных зарядов.
2. Недостаток одного электрона означает, что суммарный заряд увеличился на элементарный заряд e.
3. Знак получается положительным, потому что в частице преобладает положительный заряд.

Ответ: атом приобрёл заряд +e и стал положительным ионом.

При трении два первоначально нейтральных тела получили заряды. Одно тело приобрело заряд −3e. Какой заряд получило второе тело, если обменивались только электронами?

Сначала суммарный заряд тел равнялся нулю, потому что оба тела были нейтральными. Электроны при трении переходили между телами, поэтому заряд не создавался, а перераспределялся. Заряд второго тела должен компенсировать заряд первого, чтобы общий заряд сохранился.

1. Записываем начальный суммарный заряд: 0.
2. После электризации сумма зарядов должна остаться нулевой: −3e + q = 0.
3. Находим неизвестный заряд: q = +3e.

Ответ: второе тело получило заряд +3e. Оно отдало электроны первому телу, поэтому оказалось положительно заряженным.

Тело после электризации имеет заряд +4,8 · 10⁻¹⁹ Кл. Определите, сколько электронов оно потеряло.

Положительный знак показывает, что тело потеряло электроны. Чтобы найти их количество, нужно сравнить заряд тела с зарядом одного электрона по модулю. Модуль элементарного заряда равен 1,6 · 10⁻¹⁹ Кл.

1. Берём модуль заряда тела: |q| = 4,8 · 10⁻¹⁹ Кл.
2. Делим его на элементарный заряд: n = |q| / e = (4,8 · 10⁻¹⁹) / (1,6 · 10⁻¹⁹).
3. Вычисляем отношение: n = 3; знак «плюс» у исходного заряда означает потерю, а не получение электронов.

Ответ: тело потеряло 3 электрона.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что положительный заряд означает появление в теле новых протонов. Так думают, потому что знак «плюс» связывают с положительными частицами, но при обычной электризации ядра атомов не переходят между телами. Проверь себя: выясни, изменилось ли число электронов; положительный заряд означает их недостаток, а не появление протонов.

Ошибка — называть тело, получившее электроны, положительно заряженным. Её допускают, если рассуждают только о том, что тело «получило» частицу, не учитывая знак её заряда. Проверь знак электрона: он отрицательный, значит, его избыток даёт телу отрицательный заряд.

Ошибка — считать, что заряд любого иона равен заряду одного электрона. Это происходит, когда понятия «ион» и «электрон» смешивают, хотя ион может потерять или присоединить несколько электронов. Проверь, сколько электронов изменило состояние частицы: при потере двух электронов заряд будет +2e, а при присоединении двух — −2e.

Ошибка — полагать, что при электризации заряд создаётся. Такое впечатление возникает, когда замечают появление заряда у тела, которое раньше было нейтральным, и рассматривают только его отдельно. Проверь суммарный заряд всех участвующих тел: электроны перешли между ними, поэтому общий заряд сохранился.

Связь с другими темами

Чтобы понять электронно-ионную теорию, нужно знать, что заряды бывают положительными и отрицательными. Одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются. Эти правила помогают объяснять, как взаимодействуют заряженные тела.

Тема опирается на представление о составе атома: ядре и электронах. Она объясняет электризацию трением и соприкосновением через перенос электронов между телами. Благодаря этому можно связать наблюдаемые явления с изменениями внутри вещества.

Ионы и электроны важны и для изучения электрического тока. В металлах перенос заряда связан с движением электронов, а в электролитах — с движением ионов. Поэтому понимание того, как возникают заряженные частицы, понадобится в следующих темах.

Что запомнить

• Нейтральный атом содержит равное число электронов и положительных зарядов.
• Потеряв электроны, атом становится положительным ионом.
• Присоединив электроны, атом становится отрицательным ионом.
• При электризации электроны переходят с одного тела на другое.
• Тело, получившее электроны, заряжается отрицательно.
• Тело, отдавшее электроны, заряжается положительно.
• При перераспределении зарядов их суммарное количество сохраняется.