В молекуле потенциальная энергия электрона еще меньше — вычитается доля работы, совершенной при образовании молекулы. В нашем случае энергия иона С1~ в растворе оказывается меньше его энергии в кристалле. Из первоначального запаса вычитается также и доля работы, совершенной при разрывании молекулы.
Скажем короче. Когда ион С1~ или любой другой отрицательный ион в растворе оказывается окруженным молекулами воды, образуется электромагнитное поле, энергия которого минимальна. Один из фундаментальных законов природы гласит: всякая физическая система стремится принять такое состояние, в котором ее собственная энергия минимальна. Почему поваренная соль растворяется в воде? Потому что в растворе достигается меньшая, чем в кристалле, энергия.
Природа ленива — вот и ключ к разгадке тайны лягушачьей лапки. Ее заставлял дергаться электрический ток, воздействовавший на нервные окончания. Ток возникал на границе между металлом и электролитом, в роли которого выступали жидкости, наполняющие клетки тканей лягушачьей лапки.
На границе
Вы уже знаете, что происходит на границе двух металлов. А что случится, если опустить, например, цинковую пластинку в раствор щелочи КОН? Металл цинк — это кристаллическое твердое тело, где имеются валентные электроны и атомные остатки (ионы) Zn++, несущие положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине удвоенному элементарному заряду.
Обсуждая свойства кристаллов, мы в основном интересовались поведением электронов. Многое из сказанного относительно электронов справедливо и для ионов. Как и электроны, ионы взаимодействуют с общим электромагнитным полем. В этом поле ион обладает определенной потенциальной энергией, численно равной (со знаком минус) той работе, которую надо затратить, чтобы извлечь ион из кристалла. Средняя величина потенциальной энергии всех ионов Zn++ представляет собой одну из составляющих электрохимического потенциала цинка.
При погружении цинковой пластинки в раствор молекулы КОН в основном уже продиссоциировали на ионы К+ и ОН-. Отдельные ионы Zn++ могут переходить в раствор и образовывать соединение ZnO по схеме Zn+++20H—*-ZnO + H20. Окись цинка ZnO в растворе также частично диссоциирует. Каждый акт перехода одного иона Zn++ из металла в раствор —- событие случайное. Вполне возможны и противоположные события, когда ионы Zn++ переходят из раствора в металл. Однако средняя энергия ионов Zn++ в растворе меньше,-чем? средняя энергия тех же ионов в цинковой пластивввеа Поэтому в раствор переходит больше ионов, чем из рас»» вора.
Покидая цинковую пластинку, каждый ион оставляет там двойной элементарный отрицателвадй; заряд или два электрона, заряды которых не CKOMOfile сированы положительными зарядами. Пластинка постепенно заряжается отрицательно, а жидкость вблизи.'ЩШ-ковой пластинки — положительно. Между пластинкой и раствором устанавливается разность электрических по? тенциалов. Когда же наступает равновесие? Когда разность электрических потенциалов (гальвани-потенциалов) становится равной исходной разности средних энергий ионов Zn++ в металле и растворе. Электрическое поле препятствует дальнейшим переходам ионов Zn++ из металла в раствор. Среднее число таких переходов в единицу времени равно среднему числу переходов из раствора в металл за то же время. Чтобы учесть факт образовання электрического июля, схему реакции записывают так: Zn++-f-20H—*ZnO+H20+2e. Слагаемое 2е — это два электрона, оставшиеся в цинковой пластинке после того, как нз вес ушел ион Zn++.
Пока все происходит, как и в случае контакта двух металлов. Казалось бы, единственное отличие состоит в том, что металлы обмениваются электронами, а на границе металла и раствора происходит обмен ионами, поскольку в растворе свободных электронов нет.
В кольце
Чтобы образовать замкнутую электрическую цепь, в сосуд со щелочью опустите не одну, а две цинковые пластинки. Для разнообразия соедините их медной проволокой. Ваша замкнутая электрическая цепь содержит четыре контакта между разнородными проводниками. В каждом контакте возникает контактная разность потенциалов (гальвани-потенциал), но подсчет суммы гальвани-потенциалов снова дает нуль. Ничего нового, непонятно, зачем было начинать все сначала?
Однако (в который раз!) не будем спешить. Повторим тот же опыт, но вместо второй цинковой возьмем пластинку из платины. Что происходят на границе раствора и цинковой пластинки, вы уже знаете. А что происходит на границе раствора и платиновой пластинки? Платина—- металл благородный и. своих ионов не отдает. Но соединенная с цинковой пластинкой, пластинка из платины приобретает избыточный отрицательный электрический зарад. Молекулы воды частично диссоциируют, образуя ионы. Н+ и ОН-. Электроны в платиновой пла-стишсе получают возможность переходить в раствор и соединяться с ионами Н+, образуя атомы водорода, Реакция идет по схеме НаОНге-*Н-1г ОН-.