Химия и химические
технологии/ 2. Теоретическая химия и
неорганическая химия
Д.т.н. Бестереков У.
Южно-Казахстанский
государственный университет имени М.Ауезова, Казахстан
Д.т.н. Петропавловский
Российский
химико-технологический университет имени Д.И.Менделеева, Россия
К.т.н. Кыстаубаев Е.И.
Региональный
социально-инновационный университет, Казахстан
Магистрант Жулдызбаева
С.Е.
Южно-Казахстанский
государственный университет имени М.Ауезова, Казахстан
Магистрант Гончаров В.В.
Южно-Казахстанский
государственный университет имени М.Ауезова, Казахстан
Достоверные значения радиуса ионов и их
удельные энергетические характеристики
Анализ современного состояния знаний об ионов
свидетельствует о том, что на сегодня об их размерах, зарядовых, тепловых,
гидратационных и других индивидуальных показателях уже получено достаточно
большое множество фактологических сведений. Однако, подобные сведения, зачастую представляя результаты разных подходов и методологий, существенно
отличаются между собой [1-3]. Вместе с тем, в силу отсутствия на
сегодня надежных способов их
переоценки и выбора наиболее
доверительных значений , вышеуказанные сведения в мировой научной практике все еще продолжают находить применение
в качестве базовых справочных данных.
На современном этапе развития химической науки, когда человеческий
разум стал проникать в мир тонкой химической технологии , нанотехнологии,
мембранной технологии и других современных наукоемких направлений творческой
деятельности, подобная практика уже не соответствует запросам времени. Поэтому
поиск новых способов и методов оценки размеров ионов и установление высокодостоверных
значений индивидуальных энергетических характеристик ионных частиц представляют
собой актуальную задачу.
На данном этапе работы в качестве объекта исследований
выбран весь комплекс ионов, атомные и ионные размеры которых в кристаллах, а
также ряд другие, известные на сегодня свойства, приведены в общедоступной справочной литературе [1] .
Выполнена их системная группировка в рамках отдельных групп, подгрупп,
периодов и рядов периодической системы элементов. Применительно к каждой группе
ионов изучены зависимости радиуса ионов от радиуса их атомов. Результаты
исследований подвергались графической обработке. В основе получения
эмпирических зависимостей использован полиномиальный метод компьютерной
обработки.
Установлено, что в рамках отдельных групп периодической
системы элементов между радиусом каждого вида атома (rа) и иона (rи) существуют полиномиальные зависимости
(уравнения 1-13). При этом, как видно из данных рисунка 1, в случаях ионов положительного заряда выявленные
закономерности описываются вогнутыми кривыми, исходящими из начала координат.
Для ионов отрицательного заряда они представляют собой выпуклые кривые , также
исходящие из начала координат (рисунок 2) .
Также
выяснено достоверно, что в рамках каждого ряда всех периодов периодической
системы элементов радиус каждого вида иона линейно зависит от радиуса
соответствующего атома (уравнения 14-21, рисунок 3).
rи = 0,0142ra3 + 0,0969ra2
+ 0,267ra - 0,0034 ( для Н-Li-Na-K-Rb-Cs с зарядами +1) (1)
rи= 0,0049rа3
+ 0,1786rа2 + 0,2135rа - 0,0005 ( для Be
–Mg-Ca-Sr-Ba с зарядами +2) (2)
rи = -0,0483rа3 - 0,4379rа2 + 2,2902rа + 0,0036 ( для F-Cl-Br-I с
зарядами -1)
(3)
rи = 0,1894rа3 + 0,0448rа2 + 0,2698rа + 0,0014 ( для Zn-Cd-Hg с
зарядами +2)
(4)
rи = 0,6582rа3
- 0,8198rа2 + 0,6407rа - 0,0028 (для Cu-Ag-Au с зарядами +1)
(5)
rи = 0,0022ra3
+ 0,357ra2 + 0,1382ra + 0,003 (для Ni –Pd-Pt с зарядами +2)
(6)
rи = 0.0285rа3
+ 0,1202rа2 + 0,3264 rа (для В
–АL – La с зарядами+ 3 )
(7)
rи = 0.3834rа3
- 0,3859rа2 + 0,4505 rа ( для As –Sb –Bi с зарядами+ 3)
(8)
rи = -0,0518rа3
+0,4286rа2 - 0,0991rа (для C –Si – Sn – Pb с зарядами +4)
(9)
rи =
0.1147rа3 - 0,082rа2 + 0,3284 rа
( для P –Аs – Sb – Bi с зарядами +5 )
(10)
rи =
0.1689rа3 - 0,068rа2 + 0,2278 rа (для O - Cr – Mo
с зарядами +6)
(11)
rи =
0.3849rа3 - 0,3493rа2 + 0,3627 rа ( для F –Cl – Br – I с
зарядами +7)
(12)
rи =
0.0585rа3 – 1,2346rа2 + 3,0318 rа (для O –S с
зарядами -2)
(13)
rи= 0,6181rа
+ 0,0035 (для Pd-Sr с зарядами +2)
(14)
rи
= 0,6339rа + 0,0014 (для
Pt- Ba с зарядами +2 )
(15)
rи
= 0,5923rа+ 0,0069 (для Ni- Co- Fe- Mn- Cr- Ca с зарядами +2)
(16)
rи = 0,6655rа - 5E-05 (для
Zn- Cu с зарядами +2)
(17)
rи=
0,8007rа - 4E-05 (для Pb-Hg
с зарядами +2)
(18)
rи
= 0.513 rа ( для
Cr –Fe - Co с зарядами +3)
(19)
rи
= 0.4674rа ( для Ti –Mn с зарядами +4 )
(20)
rи=
0.4747 rа ( для
Mo – Pd с зарядами +4)
(21)
Рисунок-1.
Зависимость радиуса ионов Н-Li –Na –
K- Rb –Cs
с зарядами + 1 от радиуса их атомов
Рисунок-2. Зависимость радиуса ионов F-Cl-Br-I
с зарядами -1 от радиуса их атомов
Рисунок-3. Зависимость радиуса ионов Ni- Co- Fe- Mn- Cr- Ca
с зарядами + 2 от радиуса их атомов
Выявленные закономерности позволили выполнить
корректировку известных сведений о
радиусе атомов и ионов, установить их ординарные наиболее достоверные
значения [4,5], включая размеры иона
аномальной природы – водорода. С
использованием найденных новых данных о радиусах исследованных разновидностей
ионов определены также их поверхностные плотности заряда, определены ионная и
мольная зарядовые энергии каждого вида иона (Таблица 1). В основе выполненных вычислений использованы
как известные, так и новые расчетные выражения, полученные на фундаментальной
базе теоремы Гаусса [6].
Таблица
– 1. Индивидуальные характеристики и удельные энергетические показатели ионов.
|
№ |
Элемент |
Радиус атома, А (rа) |
Радиус иона, А (rи) |
Заряд иона, Кл |
Поверхност-ная плотность заряда иона, Кл/А2*1019
(G) |
Энергия иона, кДж/ион *1021 (Е1) |
Моль- ная энер- гия иона, кДж/моль (Емоль) |
|
1 |
Бериллий |
1,070 |
0,440 |
+2 |
1,3176 |
2,6200 |
1578 |
|
2 |
Магний |
1,450 |
0,700 |
+2 |
0,5206 |
1,6500 |
994 |
|
3 |
Никель |
1,240 |
0,740 |
+2 |
0,4658 |
1,5600 |
939 |
|
4 |
Кобальт |
1,250 |
0,750 |
+2 |
0,4534 |
1,5400 |
927 |
|
5 |
Железо |
1,260 |
0,760 |
+2 |
0,4416 |
1,5200 |
915 |
|
6 |
Марганец |
1,330 |
0,800 |
+2 |
0,3985 |
1,4400 |
867 |
|
7 |
Хром |
1,360 |
0,820 |
+2 |
0,3793 |
1,4100 |
849 |
|
8 |
Палладий |
1,370 |
0,860 |
+2 |
0,3449 |
1,3400 |
807 |
|
9 |
Цинк |
1,310 |
0,870 |
+2 |
0,3370 |
1,3300 |
801 |
|
10 |
Платина |
1,380 |
0,880 |
+2 |
0,3294 |
1,3100 |
789 |
|
11 |
Медь |
1,350 |
0,900 |
+2 |
0,3149 |
1,2800 |
771 |
|
12 |
Кадмий |
1,500 |
1,140 |
+2 |
0,1962 |
1,0100 |
602 |
|
13 |
Кальций |
1,970 |
1,160 |
+2 |
0,1895 |
0,9900 |
596 |
|
14 |
Свинец |
1,500 |
1,200 |
+2 |
0,1771 |
0,9600 |
578 |
|
15 |
Ртуть |
1,560 |
1,250 |
+2 |
0,1632 |
0,9200 |
554 |
|
16 |
Стронций |
2,140 |
1,320 |
+2 |
0,1464 |
0,8700 |
524 |
|
17 |
Барий |
2,210 |
1,400 |
+2 |
0,1301 |
0,8200 |
494 |
|
18 |
Водород |
0,360 |
0,100 |
+1 |
12,7547 |
2,8800 |
1734 |
|
19 |
Литий |
1,550 |
0,700 |
+1 |
0,2603 |
0,4100 |
247 |
|
20 |
Натрий |
1,890 |
0,950 |
+1 |
0,1413 |
0,3035 |
183 |
|
21 |
Медь |
1,350 |
0,960 |
+1 |
0,1384 |
0,3005 |
181 |
|
22 |
Серебро |
1,440 |
1,160 |
+1 |
0,0947 |
0,2500 |
151 |
|
23 |
Калий |
2,360 |
1,340 |
+1 |
0,0710 |
0,2150 |
129 |
|
24 |
Золото |
1,500 |
1,370 |
+1 |
0,0679 |
0,2100 |
126 |
|
25 |
Рубидий |
2,480 |
1,470 |
+1 |
0,0590 |
0,1900 |
114 |
|
26 |
Цезий |
2,680 |
1,690 |
+1 |
0,0446 |
0,1700 |
102 |
|
27 |
Фтор |
0,700 |
1,360 |
-1 |
0,0689 |
0,2100 |
126 |
|
28 |
Хлор |
0,990 |
1,810 |
-1 |
0,0389 |
0,1600 |
96 |
|
29 |
Бром |
1,140 |
1,970 |
-1 |
0,0328 |
0,1500 |
90 |
|
30 |
Иод |
1,330 |
2,160 |
-1 |
0,0273 |
0,1300 |
78 |
|
31 |
Бор |
0,795 |
0,350 |
+3 |
3,1232 |
7,4150 |
4465 |
|
32 |
Мышьяк |
1,210 |
0,620 |
+3 |
0,9952 |
4,1850 |
2520 |
|
33 |
Кобальт |
1,250 |
0,640 |
+3 |
0,9340 |
4,0550 |
2441 |
|
34 |
Железо |
1,260 |
0,645 |
+3 |
0,9196 |
4.0240 |
2423 |
|
35 |
Алюминий |
1,320 |
0,660 |
+3 |
0,8783 |
3,9320 |
2368 |
|
36 |
Хром |
1,360 |
0,700 |
+3 |
0,7808 |
3,7080 |
2233 |
|
37 |
Сурьма |
1,410 |
0,900 |
+3 |
0,4723 |
2,8830 |
1736 |
|
38 |
Висмут |
1,550 |
1,200 |
+3 |
0,2657 |
2,1630 |
1302 |
|
39 |
Лантан |
1,870 |
1,220 |
+3 |
0,2570 |
2,1270 |
1281 |
|
40 |
Углерод |
0,770 |
0,150 |
+4 |
22,6778 |
30,7770 |
18530 |
|
41 |
Кремний |
1,170 |
0,390 |
+4 |
3,3538 |
11,8310 |
7125 |
|
42 |
Марганец |
1,330 |
0,600 |
+4 |
1,4169 |
7,6890 |
4630 |
|
43 |
Палладий |
1,370 |
0,650 |
+4 |
1,2073 |
7,0980 |
4274 |
|
44 |
Молибден |
1,400 |
0,665 |
+4 |
1,1535 |
6,9380 |
4178 |
|
45 |
Титан |
1,440 |
0,666 |
+4 |
1,1492 |
6.9180 |
4166 |
|
46 |
Олово |
1,460 |
0,780 |
+4 |
0,8384 |
5,9150 |
3562 |
|
47 |
Свинец |
1,500 |
0,860 |
+4 |
0,6897 |
5,3650 |
3231 |
|
48 |
Фосфор |
1,080 |
0,389 |
+5 |
4,2136 |
18,5120 |
11148 |
|
49 |
Мышьяк |
1,210 |
0,470 |
+5 |
2,8865 |
15,3390 |
9237 |
|
50 |
Сурьма |
1,410 |
0,620 |
+5 |
1,6587 |
11,6270 |
7002 |
|
51 |
Висмут |
1,550 |
0,740 |
+5 |
1,1644 |
9,7420 |
5867 |
|
52 |
Кислород |
0,705 |
0,155 |
+6 |
31,8527 |
66,9940 |
40344 |
|
53 |
Хром |
1,360 |
0,810 |
+6 |
1,1662 |
12,8160 |
7718 |
|
54 |
Молибден |
1,400 |
0,930 |
+6 |
0,8846 |
11,1610 |
6991 |
|
55 |
Фтор |
0,700 |
0,190 |
+7 |
24,7306 |
74,3840 |
44794 |
|
56 |
Хлор |
0,990 |
0,390 |
+7 |
5,8691 |
36,2310 |
21818 |
|
57 |
Бром |
1,140 |
0,530 |
+7 |
3,1779 |
26,6600 |
16055 |
|
58 |
Иод |
1,330 |
0,770 |
+7 |
1,5056 |
18,3500 |
11050 |
|
59 |
Кислород |
0,705 |
1,500 |
-2 |
0,1134 |
0,7700 |
464 |
|
60 |
Сера |
1,020 |
1,870 |
-2 |
0,0729 |
0,6160 |
371 |
|
61 |
Азот |
0.710 |
1.480 |
-3 |
0.1747 |
1,7540 |
1056 |
Таким
образом, в результате проведенных исследований установлены новые возможности
наиболее достоверной оценки размеров ионов,
выявлены закономерности, позволяющие
упорядочить известные сведения о них. На основе последних выполнена переоценка и корректировка справочных
данных об ионах, получены уточненные и достаточно корректные новые
сведения о размерах ионов, вычислены их удельные энергетические показатели. Результаты исследований имеют важное научно-прикладное значение в плане установления общих закономерностей
изменений физико-химических, тепловых и иных свойств водно-электролитных смесей
применительно к разработке режимных параметров и показателей водно-солевых
технологий.
Литература
1.Краткий справочник физико-химических величин. Под редакцией А.А.Равделя и А.М.Пономаревой. –
Л.: Химия,1983. – 232 с.
2.И.Д.Зайцев, Г.Г.Асеев. Физико-химические свойства бинарных и
многокомпонентных растворов неорганических веществ. Справ. Изд. –
М.:Химия,1988. - 416 с.
3.К.П.Мищенко, Г.М.Полторацкий. Термодинамика и строение водных и неводных
растворов электролитов. – Л.: Химия,1976. – 328 с.
4. С.Е.Жулдызбаева, У.Бестереков, Г.А Камбарова. О результатах оценки радиуса иона и его удельных
энергетических показателей. Труды МНПК «Ауэзовские чтения – 11: Казахстан на
пути к обществу знаний: инновационные напрвления развития науки, образования и
культуры», посвященной 115-летнему юбилею М. Ауэзова. Шымкент: ЮКГУ им.
М.Ауэзова, 2012 г., 6т, 279-281 с.
5. С.Е. Жулдызбаева, У. Бестереков,
В.В.Гончаров, Е.И.Кыстаубаев. Результаты оценки радиусов ионов высшей
валентности и расчета их удельных энергетических показателей. Труды МНПК «Ауезовские чтения -12: Роль регионального университетав развитии
инновационных направлений науки, образования и культуры», посвященная 70-летию
Южно-Казахстанского государственного университета им.М.Ауезова, Шымкент: ЮКГУ
им.М.Ауезова, 2013 г, 3т.201-203с.
6.Э.Парселл. Электричество и магнетизм. – М.: 1975. – 440 с.