Мембранный потенциал

Реакции ионного обмена

Реакции ионного обмена – это реакции в водных растворах между электролитами, которые происходят без изменения степеней окисления элементов, образующих их.

Необходимым условием для протекания реакции между электролитами (солями, кислотами и основаниями) является образование малодиссоциирующего вещества (воды, слабой кислоты, гидроксида аммония), осадка или газа.

Реакция образования воды

Рассмотрим реакцию, в результате которой образуется вода. К таким реакциям относятся все реакции между любой кислотой и любым основанием. Например, взаимодействие азотной кислоты с гидроксидом калия:

HNO3 + KOH = KNO3 + H2O

Исходные вещества – азотная кислота и гидроксид калия, а также один из продуктов, а именно нитрат калия, являются сильными электролитами. Образовавшаяся вода относится к слабым электролитам. Поэтому наиболее точно уравнение можно записать, используя ионы:

H+ + NO3- + K+ + OH- = K+ + NO3- + H2O

Таким образом, реакция произошла благодаря объединению частиц H+ и OH- в молекулы воды.

Сокращенные и ионные уравнения

Сокращенные ионные уравнения отражают суть реакции более точно, чем молекулярные уравнения. Например, уравнение (3):

H+ + OH- = H2O

сократило ионы водорода и гидроксила после реакции образования воды.

При составлении ионных уравнений записывают только формулы сильных кислот, сильных оснований и растворимых солей. Например, соль соляной кислоты и гидроксида бария будет давать аналогичное сокращенное ионное уравнение образования воды.

Следует учитывать, что одному сокращенному ионному уравнению могут соответствовать различные реакции, в зависимости от используемых соединений.

Список сильных кислот:

HCl
HBr
HI
H2SO4
HNO3
HClO4

Понимание ионных реакций важно для химических процессов, происходящих в растворах. Всегда важно помнить, что ионы играют ключевую роль в химическом взаимодействии.

Важность записи молекулярных формул

Формулы веществ можно записывать в молекулярном виде. Некоторые примеры включают в себя:

Вода H2O
Слабые кислоты (H2S, H2CO3, HF, HCN, CH3COOH и другие органические соединения)
Слабые основания (например, NH4OH и гидроксиды металлов за исключением ЩМ и ЩЗМ)
Малорастворимые соли (обозначены М или Н в таблице растворимости)
Оксиды и другие вещества, не являющиеся электролитами

Пример уравнения обменной реакции

Рассмотрим пример реакции между гидроксидом железа (III) и серной кислотой. В молекулярном виде уравнение будет выглядеть следующим образом:
2Fe(OH)3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 6H2O

Ионное уравнение реакции

Используя ионное уравнение, мы можем записать данную реакцию как:
2Fe(OH)3 + 6H+ + 3SO42- = 2Fe3+ + 3SO42- + 6H2O

Сократив ионы сульфата, у нас получится:
2Fe(OH)3 + 6H+ = 2Fe3+ + 6H2O

Реакция обмена ионами

Взаимодействие растворимых солей, такое как Na2CO3 + CaCl2, может привести к образованию осадка:
Na2CO3 + CaCl2 = CaCO3 ↓ + 2NaCl

Важное замечание для сдачи ЕГЭ по химии

Необходимо помнить, что для успешного протекания реакции между солями, они должны быть растворимыми. Нерастворимость одной из исходных солей может препятствовать реакции. К примеру, CuS + Fe(NO3)2 не протекает из-за нерастворимости CuS, в то время как реакция CaCO3 + Na2CO3 успешно протекает, так как CaCO3 нерастворим. Поэтому помните об этом при подготовке к экзамену.

С уважением, ваш SEO копирайтер.

Реакции ионного обмена: образование осадков и газов

Так как Cu(OH)2 нерастворим, хотя потенциальный продукт CuS был бы осадком.

Реакция между NaOH и Cu(NO3)2

А вот реакция между NaOH и Cu(NO3)2 протекает, так как оба исходных вещества растворимы и дают осадок Cu(OH)2:

2NaOH + Cu(NO3)2 = Cu(OH)2 ↓ + 2NaNO3

Важное замечание

Ни в коем случае не распространяйте требование растворимости исходных веществ дальше реакций соль1+ соль2 и соль + основание. Например, с кислотами выполнение этого требования не обязательно.

Условия протекания реакций ионного обмена

Соль1+ соль2 – реакция происходит, если исходные соли растворимы, и в продуктах есть осадок.
Соль + гидроксид металла – реакция происходит, если исходные вещества растворимы, и в продуктах есть осадок или гидроксид аммония.

Образование газов

Рассмотрим третье условие протекания реакций ионного обмена – образование газа. В большинстве случаев газ образуется в результате разложения одного из продуктов реакции ионного обмена.

Например:

H2CO3 = H2O + CO2 ↑
NH4OH = H2O + NH3 ↑
H2SO3 = H2O + SO2 ↑

Нужно запомнить, что реакция протекает благодаря образованию газообразного продукта.

Ионные уравнения

Запишем ионные уравнения для реакций, приводящих к образованию газов:

K2S + 2HBr = 2KBr + H2S↑
Na2CO3 + H2SO4 = Na2SO4 + H2O + CO2 ↑
NH4NO3 + KOH = KNO3 + H2O + NH3 ↑

NH4+ + NO3−+ K+ + OH− = K+ + NO3− + H2O + NH3↑
NH4+ + OH− = H2O + NH3↑
## Полное и сокращенное уравнение будут иметь вид:
2Na+ + SO32- + 2H+ + 2Cl− = 2Na+ + 2Cl− + H2O + SO2 ↑
SO32- + 2H+ = H2O + SO2 ↑
### Тонкости взаимодействия кислых солей (в частности, гидрокарбонатов, дигидрофосфатов и гидрофосфатов) со щелочами рассмотрены в данной публикации.
#### Определение термодинамики. Предмет изучения термодинамики
Термодинамика - это раздел физики, изучающий тепловые свойства макроскопических тел и систем тел, находящихся в состоянии теплового равновесия, на основе закона сохранения энергии, без учета внутреннего строения тел, составляющих систему. Предмет: все факты физики и химии, которые представляют собой статистически закономерный результат молекулярных и атомных явлений.
#### Какой бывает термодинамика? Определения
- Система приходит к состоянию равновесия самостоятельно, если ее изолировать от внешней среды или поместить в среду с неизменными внешними параметрами.
- вне состояния равновесия и необратимые процессы.
#### Определение внутренней энергии термодинамической системы и идеального газа. Формулы
Внутренняя энергия термодинамической системы-это энергия, содержащаяся в ней, необходимая для создания или подготовки системы в любом данном внутреннем состоянии Формула: E=Eк + Ер + U (Ек- кинетическая, Ер- потенциальная, U- внутренняя энергия) Идеального газ- внутренний потенциал слагается из кинетических энергий всех частиц Формула: U (внутрення энергия тела) =N (количество элементарных частиц)∙(Ek)U = N ∙ (Ek)
### Первый закон термодинамики
Для изолированной системы (для которой исключен любой материальный или энергетический обмен с окружающей средой) внутренняя энергия постоянна (U=const, ΔU=0). Внутренняя энергия является экстенсивной величиной, то есть зависит от массы системы, в отличие от интенсивных величин (давления, температуры), не зависящих от массы. ΔU (изменение внутренней энергии) = A (работа внешних сил) + Q (количество теплоты переданной системе)
#### Что такое изопроцессы?
Изопроцессы — термодинамические процессы, во время которых количество вещества и один из параметров состояния: давление, объём, температура или энтропия — остаётся неизменным. Непосредственная величина, которая важна для изопроцессов в газах: молярная масса. Для данной массы процессы должны осуществлять определенное давление на объем, деленное на абсолютную температуру, а это возможно только при постоянной величине.
### Приложение первого начала ТД к животным организмам. Уравнения. На что идет энергия?
Для животных и человека практически единственным источником свободной энергии являются пищевые продукты. Если свободную энергию, получаемую при их усвоении, обозначить Gпищи, то первое начало можно записать в таком виде (уравнение энергетического баланса) : Gпищи = ΔU + A + Q (где U=0) , то есть энергия пищи идёт: а) на повышение внутренней энергии организма; б) на совершение работы в) на теплоотдачу в окружающую среду

(3) Различия в преобразовании энергии в тепловых машинах и животных организмах. Макроэргические соединения, их роль в жизнедеятельности животного организма.

В отличие от тепловых машин, живые организмы производят не за счет тепловой энергии, а за счет использования химической энергии пищевых продуктов, усвоенных ими.

Макроэргические соединения, природные соединения, содержащие богатые энергией (макроэргические) химич. связи. Обладают высокой свободной энергией гидролиза или переноса определённых групп (обычно фосфорильных, ацильных, аминоацильных); присутствуют во всех живых клетках, участвуя в накоплении и превращении энергии.

(4) Источники свободной энергии. Виды работы в организме. Формулы. КПД действия животного организма

В живых организмах свободная энергия, получаемая при усвоении пищи, почти целиком выделяется в ходе биологического окисления, происходящего на внутренних мембранах митохондрий. Работа в живом организме производится за счёт энергии.

A (механическая работа, Дж) = F (действующая на тело сила, Н) * S (перемещение тела под действием силы, м) А = F*S
работа силы тяжести: A = m (масса тела) g (ускорение свободного падения)h (высота) A = mgh
Работа силы упругости: A = k*х^2 / 2 A = k(коэффициент упругости )*x (потенциальная энергия упругодеформируего тела) ^2 (это типа в квадрате) / 2

КПД организма – Отношение энергии, затрачиваемой организмом на совершение физической и умственной работы, ко всей энергии, освобождающейся при полном окислении пищевых продуктов

(5) Определение теплового баланса. Уравнение ТБ

Тепловой баланс – это соотношение между образованием тепла в организме и его выделением.

(5) Способы теплообмена организма. Формула к этому

Конвекция — способ теплоотдачи организма, осуществляемый путем переноса тепла движущимися частицами воздуха (воды), излучение, испарение.

Формула для нахождения количества теплотыQ = c∗m (t2 – t1).

! Чем выше удельная теплоёмкость вещества, тем больше тепловой энергии потребуется, чтобы его температура повысилась.

(5) Понятие температурного гомеостаза. Виды терморегуляции.

Механизмы теплового гомеостаза – это механизмы теплообразования (термогенеза) и теплоотдачи. Два вида терморегуляции:1) тепловые2) холодовые.

(6) Энерготраты организма, основной обмен. Методы измерения теплопродукции организма.

Основной обмен – это расход энергии, необходимый для поддержания жизнедеятельности всех органов и температуры тела.Энергозатраты организма состоят из энергии основного обмена.

Для измерения количества тепла, выделяемого организмом, существуют два метода: – прямая (используются физические калориметры, сконструированные таким образом, что в них можно помещать животных или человека) – непрямая калориметрия (в этом методе собирают воздух, выдыхаемый человеком за определённое время, и измеряют в нём содержание О2 и СО2.

По этим данным с помощью специальных таблиц определяют теплопродукцию)

(8) Свободная и связанная энергия. Энтропия

Свободная энергия – это часть внутренней энергии, которую можно перевести в работу , связанная энергия – это энергия, которую нельзя перевести в работу.

Энтропия(S) – это величина связанной энергии, приходящаяся на единицу температуры. (S=Wсвяз/T) Связь между свободной энергией и энтропией: G=U-T*S. Вычисление энтропии через количество тепла: без изменения температуры S=Q/T, с изменением (там сложная формула с интегралом, нужно будем посмотреть в файле)

S=k*lnPтд (Ртд – число вариантов расположения молекул и распределения их скоростей, термодинамическая вероятность)

(9) Второе начало ТД для изолированных систем. Термодинамическое равновесие. Научное и практическое значение второго начала термодинамики.

Изолированные системы – системы, которые, не обмениваются с окр. средой ни веществом, ни энергией. В данной системе общее изменение энтропии всегда положительно, а общее изменение свободной энергии отрицательно. Термодинамическое равновесие — состояние системы, при котором остаются неизменными во времени макроскопические величины этой системы (температура, давление, объём, энтропия) в условиях изолированности от окр. среды. Величины лишь флуктуируют (самопроизвольно колеблются) возле своих средних значений.

Значение второго начала состоит в предсказании направления процессов в системе.

(10) Формулировка второго начала ТД для биологических (открытых) систем (в трактовке Пригожина).

Открытые системы – системы, которые обмениваются веществом и энергией с окружающей средой. Происходит два вида процессов: внутри системы и процессы обмена с окружающей средой. Поэтому для свободной энергии:∆G=∆G1+∆Gе(свободной энергии за счёт процессов внутри системы всегда отрицательно (ΔGI < 0)), а процессы снаружи могут быть и положительными и отрицательными. Общее изменение энтропии открытой системы равно сумме:ΔS = ΔS1 + ΔSe

Пригожин: в открытой системе изменение внутренней энергии за счёт процессов внутри системы всегда отрицательно, а изменение энтропии за счёт процессов внутри системы всегда положительно.

Последующее электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а посредством электромагнитного поля. Скорость распространения электромагнитного взаимодействия (поля) или скорость электромагнитного излучения достигает световых скоростей, что многократно превышает скорость движения самих носителей электрического заряда.

Электрический ток проявляется следующими действиями:

Если заряженные частицы движутся внутри макроскопических тел относительно той или иной среды, то такой ток называют электрическим током проводимости. Силой, вызывающей такое движение, является электрическое поле внутри проводника, создаваемое разностью потенциалов на концах проводника (проводящей среды). Таковым, например, является движение электронов в металлическом проводе или ионов в электролите либо в ионизированном газе.

Произвольно изменяющийся переменный ток Синусоидальный переменный ток

В отдельном ряду можно выделить такие виды токов, как:

Электрический ток характеризуется рядом характеристик, основные из которых приведены ниже.

Исторически принято, что направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике, то есть ток течёт от «плюса» к «минусу». При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то принятое направление тока противоположно фактическому направлению движения заряженных частиц.

Дрейфовая скорость электронов

Схематичное изображение распространения волн электромагнитного поля

Дрейфовая скорость направленного движения частиц в проводниках, вызванного внешним полем, зависит от материала проводника, массы и заряда частиц, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов. За 1 секунду электроны в проводнике перемещаются за счёт упорядоченного движения незначительно, менее чем на 0,1 мм.

Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости распространения электромагнитного поля, возникающего при включении электрической цепи и распространяющегося вдоль проводов со скоростью света в среде. Это поле приводит в движение свободные электрические заряды почти одновременно во всех проводниках электрической цепи.

Сила и плотность тока

Сила тока в Международной системе единиц (СИ) измеряется в амперах (A).

По закону Ома сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению , приложенному к этому участку цепи, и обратно пропорциональна его сопротивлению :

Если на участке цепи электрический ток не постоянный, то напряжение и сила тока постоянно изменяется, при этом у обычного (синусоидального) переменного тока средние значения напряжения и силы тока за период равны нулю. Однако средняя мощность выделяемого при этом тепла нулю не равна. Для уточнения применяют следующие понятия:

Согласно закону Ома в дифференциальной форме плотность тока в среде пропорциональна напряжённости электрического поля и проводимости среды :

На практике плотность тока обычно определяют как отношение силы тока к площади проводника:

где — сила тока через поперечное сечение проводника площадью . Единица измерения плотности тока в системе СИ — А/м2.

При прохождении через проводник электрического тока совершается работа против сил сопротивления. Электрическое сопротивление любого проводника состоит из двух составляющих:

Как правило, бо́льшая часть работы электрического тока выделяется в виде тепла. Мощностью тепловых потерь называется величина, равная количеству выделившегося тепла в единицу времени. Согласно закону Джоуля — Ленца мощность тепловых потерь в проводнике пропорциональна силе протекающего тока и приложенному напряжению:

Мощность измеряется в ваттах (Вт).

В сплошной среде объёмная мощность потерь определяется скалярным произведением вектора плотности тока и вектора напряжённости электрического поля в данной точке:

Объёмная мощность измеряется в ваттах на кубический метр (Вт/м3).

Промышленному электрическому току со стандартной для России и некоторых прочих стран частоты 50 Гц соответствует волна длиной около 6.000 км, оттого мощность излучения пренебрежительно мала по сравнению с мощностью тепловых потерь. Однако, с увеличением частоты тока длина излучаемой волны уменьшается и соответственно возрастает мощность излучения. Проводник, способный излучать заметную энергию, называется антенной.

Графики токов разной частоты:- сверху график тока низкой частоты- снизу график тока высокой частоты

Понятие частоты относится к току, периодически изменяющему силу или направление (например, к переменному току, изменяющемуся по синусоидальному закону).

Ток смещения в конденсаторе. — интеграл магнитного поля вокруг края поверхности

где — электрическая постоянная, а — диэлектрическая проницаемость. При изменении электрического поля, так же, как и при протекании тока, происходит генерация магнитного поля, что делает эти два процесса схожими один с другим. Помимо этого, изменение электрического поля обычно сопровождается переносом энергии. Так, при заряде и разряде конденсатора, несмотря на то, что между его обкладками не происходит движения заряженных частиц, говорят о протекании через него тока смещения, переносящего некоторую энергию и своеобразным образом замыкающего электрическую цепь. Ток смещения в конденсаторе определяется по формуле:

где — заряд на обкладках конденсатора, — разность потенциалов между обкладками, — ёмкость конденсатора.

Строго говоря, ток смещения не является электрическим током, поскольку не связан с перемещением электрического заряда между полюсами источника тока.

Механизмы протекания тока в различных средах

Основной характеристикой среды для протекания электрического тока является её способность проводить ток — проводимость.

В отличие от диэлектриков в проводниках имеются свободные носители нескомпенсированных зарядов, которые под действием разности электрических потенциалов приходят в движение и создают электрический ток. Вольт-амперная характеристика (ВАХ, зависимость силы тока от напряжения) является важнейшей характеристикой проводника. Для металлических проводников и электролитов она имеет простейший вид: сила тока прямо пропорциональна напряжению (закон Ома).

Электрические токи в природе

Электрические токи могут протекать в проводящих материалах, газах, живых организмах и пр.

Электрический ток как источник энергии находит ряд применений:

Широкое применение электрический ток нашел в медицине:

Тело человека является проводником электрического тока. Сопротивление человека при сухой и неповрежденной коже у разных людей колеблется от 3 до 100 кОм, при этом сопротивление внутренних слоев тела менее одного килоома, что характерно при проведении биоимпедансометрии.

Ток, пропущенный через организм человека или животного, приводит к следующим воздействиям:

Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!