Elementárny elektrický náboj e je základnou fyzikálnou konštantou, ktorej hodnota je úzko spojená s ďalšími dôležitými konštantami, ako je Avogadrova konštanta (Na) a Faradayova konštanta (F). V tomto článku sa pozrieme na definíciu elementárneho náboja, jeho odvodenie a súvislosti s ďalšími fyzikálnymi princípmi.
Avogadrova konštanta a uhlík 12C
Avogadrova konštanta Na je dnes fixovaná na počet atómov v 0,012 kg uhlíku 12C. Uhlík 12C je veľmi stabilný prvok v tuhom skupenstve a má najvyšší bod topenia.
Pretože vodík 1H má 1 protón a 1 elektrón, ale atóm uhlíku 12C má v jadre 6 protónov a 6 neutrónov a okolo jadra obieha 6 elektrónov, hmotnosť atómu 12C je 12-krát ťažšia. To znamená, že atóm uhlíka akoby obsahoval 12 vodíkov. Protóny a neutróny sa nazývajú nukleóny a číslo pred značkou chemického prvku sa nazýva nukleonové číslo. Preto musí byť použitých 12 g uhlíka 12C, aby sa počet atómov vyrovnal počtu atómov v 1 g vodíka 1H.
Atóm je elementárna časť chemického prvku. V jadre sú protóny, ktoré majú kladný elementárny náboj, a neutrálne neutróny. Okolo jadra obiehajú elektróny, ktorých počet je rovnaký ako počet protónov. Majú záporný elementárny náboj, preto má atóm celkový nulový elektrický náboj.
Pokiaľ je prvok stabilný, má počet protónov a neutrónov rovnaký. Atómy, ktoré majú iný počet neutrónov ako protónov, nemusia byť stabilné a sú to izotopy prvkov. Uhlík má izotopy 13C a 14C. Maximálny počet elektrónov v jednotlivých vrstvách obalu, tzv. elektrónových orbitáloch, je v prvej 2, v druhej 8, v tretej 18 a vo štvrtej 32. Pokiaľ má posledná vrstva 8 elektrónov, je prvok chemicky stály. Môže byť až 8 vrstiev, ale maximálne 32 elektrónov. Vodiče majú na poslednej, valenčnej sfére, voľné elektróny. Dobré vodivé prvky majú menej elektrónov na valenčnej sfére ako 4.
Prečítajte si tiež: Pohodlné nosenie zbrane
Atómová hmotnostná jednotka a relatívna atómová hmotnosť
Hmotnosť atómu vodíka môžeme nahradiť jednou dvanástinou atómu uhlíka 12C. Táto hodnota sa nazýva atómová hmotnostná jednotka (mu). Atómová hmotnostná jednotka mu má hodnotu 1,660539040×10-27 kg. Pomer hmotnosti atómu (ma) k atómovej hmotnostnej jednotke je relatívna atómová hmotnosť (Ar = ma/mu). Je to bezrozmerná hodnota. Z toho vyplýva, že aj hmotnosti mólov iných látok budú násobkom mólovej hmotnosti uhlíka 12 g.
Hmotnosť mólov jednotlivých látok udáva molárna hmotnosť (Mm = m/n), kde m je hmotnosť látky a n je látkové množstvo. Látkové množstvo je pomer množstva entít (atómov, molekúl) N a Avogadrovej konštanty Na. Vzorec je n = N/Na.
Elektrolýza a ióny
Toto je dôležitý poznatok pri elektrolýze. Elektrolýza je proces, pri ktorom elektrický prúd netečie voľnými elektrónmi, ale iónmi. Ióny sú atómy, ktoré majú menej alebo viac elektrónov ako protónov. Podľa toho sú ióny kladné alebo záporné, pretože elektrón má záporný náboj.
Elektrolýza sa vytvára v roztoku, elektrolyte, do ktorého sa vložia dve elektródy: kladná anóda a záporná katóda. Elektródy majú byť z takého materiálu, aby sa pri elektrolýze nepoškodili alebo aby sa hmota z jednej elektródy preniesla na druhú. Prvý prípad je elektrolýza vody, kde ako elektrolyt použijeme kyselinu sírovú (H2SO4), ktorá sa pridá do vody. Elektródy sú platinové. Na anóde sa vylúči 1 diel kyslíka (O2) a na katóde 2 diely vodíka (H2).
V druhom prípade prenášame prvok, ktorý chceme, aby sa usadil na druhej elektróde. Taký prípad je pokovovanie. Môžeme to ilustrovať na postriebrení. Anóda bude zo striebra (Ag) a elektrolyt bude z dusičnanu strieborného (AgNO3). Predchodca Ampéra, medzinárodný Ampér, bol definovaný prechodom stáleho prúdu za 1 s, keď sa vylúči na katóde 0,001118 g striebra. Katóda je z materiálu, ktorý chceme postriebriť. Z anódy bude ubúdať striebro a na katóde bude pribúdať. Ióny vzniknú tak, že anóda odtrhne 1 elektrón z poslednej elektrónovej vrstvy atómov striebra a tie tečú ku katóde, kde im katóda elektróny dodá.
Prečítajte si tiež: Vplyv elektrického náboja
Elektrochemický ekvivalent a Faradayova konštanta
Hmotnosť prvku, ktorý sa vylúči 1 C, sa nazýva elektrochemický ekvivalent prvku, označený niekedy A alebo Z. Z toho sa odvodila rovnica pre prenesenie hmotnosti prvku m = QA. Hmotnosť daného prvku, ktorý zreaguje s polovičnou molárnou hmotnosťou vodíka, sa nazýva gram ekvivalent prvku. Neskôr sa zistilo, že je to molárna hmotnosť delená počtom elektrónov vo valenčnej sfére: Mm/z, kde Mm je molárna hmotnosť daného prvku a z je počet elektrónov vo valenčnej sfére.
Z nameraných hodnôt váženia Faraday zistil, že keď sa hmotnosť preneseného prvku rovná hmotnosti gram ekvivalentu prvku, je potrebné rovnaké množstvo elektrického náboja 96485,33289 C. Stanovil ju ako konštantu F = 96485,33289 C/mol. Z toho sa dá upraviť rovnica pre prenesenú hmotnosť látky elektrolýzou: m = (Q * Mm) / (z * F), kde Q je prenášaný náboj a pomer Mm/z je gram ekvivalent daného prvku.
Z tejto rovnice môžeme odvodiť hodnotu konštanty F, keď poznáme stály prúd I, hmotnosť prenesenej látky za daný čas t a gram ekvivalent látky Mm/z.
Výpočet elementárneho náboja
Keď Faradayovú konštantu vydelíme Avogadrovou konštantou, dostaneme hodnotu elementárneho elektrického náboja e = F/Na. Tým sa dosiahla ďalšia dôležitá konštanta, veľkosť elektrického elementárneho náboja e = 1,602 176 62×10-19 C. Veľkosť náboja elektrónu bola potvrdená aj priamymi metódami meraní.
Pre lepšie pochopenie vzájomných vzťahov medzi konštantami, nasledujúca tabuľka sumarizuje ich hodnoty:
Prečítajte si tiež: Brokovnica pre deti: Na čo si dať pozor?
| Konštanta | Symbol | Hodnota |
|---|---|---|
| Avogadrova konštanta | Na | 6,02214076 × 1023 mol-1 |
| Faradayova konštanta | F | 96485,33289 C/mol |
| Elementárny elektrický náboj | e | 1,60217662 × 10-19 C |
| Atómová hmotnostná jednotka | mu | 1,660539040 × 10-27 kg |