Elektrolytter som kjemikalier har vært kjent siden antikken. Imidlertid har de erobret de fleste av sine bruksområder relativt nylig. Vi vil diskutere de høyest prioriterte områdene for industrien å bruke disse stoffene og finne ut hva sistnevnte er og hvordan de skiller seg fra hverandre. Men la oss starte med en digresjon inn i historien.
Historie
De eldste kjente elektrolyttene er s alter og syrer som ble oppdaget i den antikke verden. Imidlertid har ideer om strukturen og egenskapene til elektrolytter utviklet seg over tid. Teorier om disse prosessene har utviklet seg siden 1880-tallet, da det ble gjort en rekke funn knyttet til teorier om egenskapene til elektrolytter. Det har vært flere kvalitative sprang i teorier som beskriver mekanismene for interaksjonen mellom elektrolytter og vann (tross alt, bare i løsning får de egenskapene som de brukes i industrien på grunn av).
Nå skal vi analysere i detalj flere teorier som har hatt størst innflytelse på utviklingen av ideer om elektrolytter og deres egenskaper. Og la oss starte med den vanligste og enkleste teorien som hver av oss tok på skolen.
Arrhenius Theory of Electrolytic Dissociation
i 1887Den svenske kjemikeren Svante Arrhenius og den russisk-tyske kjemikeren Wilhelm Ostwald skapte teorien om elektrolytisk dissosiasjon. Men alt er ikke så enkelt her heller. Arrhenius var selv tilhenger av den såk alte fysikalske teorien om løsninger, som ikke tok hensyn til vekselvirkningen mellom de inngående stoffene med vann og hevdet at det er friladede partikler (ioner) i løsningen. Det er forresten fra slike stillinger at elektrolytisk dissosiasjon vurderes på skolen i dag.
La oss fortsatt snakke om hva denne teorien gir og hvordan den forklarer oss mekanismen for interaksjon mellom stoffer og vann. Som alle andre har hun flere postulater som hun bruker:
1. Ved interaksjon med vann brytes stoffet ned til ioner (positivt - kation og negativt - anion). Disse partiklene gjennomgår hydrering: de tiltrekker seg vannmolekyler, som forresten er positivt ladet på den ene siden og negativt ladet på den andre (danner en dipol), som et resultat, danner de seg til vannkomplekser (solvater).
2. Dissosiasjonsprosessen er reversibel - det vil si at hvis stoffet har brutt opp til ioner, kan det under påvirkning av alle faktorer igjen bli til den opprinnelige.
3. Hvis du kobler elektroder til løsningen og starter en strøm, vil kationene begynne å bevege seg mot den negative elektroden - katoden, og anionene mot den positivt ladede - anoden. Det er derfor stoffer som er svært løselige i vann leder elektrisitet bedre enn vannet selv. De kalles også elektrolytter av samme grunn.
4. Graden av dissosiasjon av elektrolytten karakteriserer prosentandelen av stoffet som har gjennomgått oppløsning. Detteindikatoren avhenger av egenskapene til løsningsmidlet og selve løste stoffet, av konsentrasjonen av sistnevnte og av ytre temperatur.
Her, faktisk, og alle de grunnleggende postulatene til denne enkle teorien. Vi vil bruke dem i denne artikkelen for å beskrive hva som skjer i en elektrolyttløsning. Vi vil analysere eksempler på disse forbindelsene litt senere, men nå skal vi vurdere en annen teori.
Lewis teori om syrer og baser
I følge teorien om elektrolytisk dissosiasjon er en syre et stoff der det er et hydrogenkation tilstede, og en base er en forbindelse som sp altes til et hydroksydanion i løsning. Det er en annen teori oppk alt etter den berømte kjemikeren Gilbert Lewis. Det lar deg utvide konseptet med syre og base noe. I følge Lewis-teorien er syrer ioner eller molekyler av et stoff som har frie elektronorbitaler og er i stand til å akseptere et elektron fra et annet molekyl. Det er lett å gjette at basene vil være slike partikler som er i stand til å donere ett eller flere av elektronene deres til "bruken" av syren. Det er veldig interessant her at ikke bare en elektrolytt, men også ethvert stoff, selv uløselig i vann, kan være en syre eller base.
Brandsted-Lowry protolittisk teori
I 1923, uavhengig av hverandre, foreslo to forskere - J. Bronsted og T. Lowry - en teori som nå brukes aktivt av forskere for å beskrive kjemiske prosesser. Essensen av denne teorien er detdissosiasjon reduseres til overføring av et proton fra en syre til en base. Dermed forstås sistnevnte her som en protonakseptor. Da er syren deres giver. Teorien forklarer også godt eksistensen av stoffer som viser egenskapene til både syrer og baser. Slike forbindelser kalles amfotere. I Bronsted-Lowry-teorien brukes også begrepet amfolytter om dem, mens syrer eller baser vanligvis kalles protolitter.
Vi har kommet til neste del av artikkelen. Her vil vi fortelle deg hvor sterke og svake elektrolytter skiller seg fra hverandre og diskutere påvirkningen av eksterne faktorer på egenskapene deres. Og så vil vi begynne å beskrive deres praktiske anvendelse.
Sterke og svake elektrolytter
Hvert stoff interagerer med vann individuelt. Noen løses godt opp i det (for eksempel bords alt), mens noen ikke løses opp i det hele tatt (for eksempel kritt). Dermed er alle stoffer delt inn i sterke og svake elektrolytter. Sistnevnte er stoffer som interagerer dårlig med vann og legger seg i bunnen av løsningen. Dette betyr at de har en svært lav grad av dissosiasjon og høy bindingsenergi, som under normale forhold ikke lar molekylet dekomponere til dets bestanddeler. Dissosiasjonen av svake elektrolytter skjer enten veldig sakte eller med en økning i temperatur og konsentrasjon av dette stoffet i løsning.
La oss snakke om sterke elektrolytter. Disse inkluderer alle løselige s alter, samt sterke syrer og alkalier. De brytes lett opp til ioner og det er svært vanskelig å samle dem i nedbør. Strømmen i elektrolytter ledes forrestennettopp på grunn av ionene i løsningen. Derfor leder sterke elektrolytter strømmen best av alt. Eksempler på sistnevnte: sterke syrer, alkalier, løselige s alter.
Faktorer som påvirker elektrolyttenes oppførsel
La oss nå finne ut hvordan endringer i det ytre miljøet påvirker egenskapene til stoffer. Konsentrasjonen påvirker direkte graden av elektrolyttdissosiasjon. Dessuten kan dette forholdet uttrykkes matematisk. Loven som beskriver dette forholdet kalles Ostwald-fortynningsloven og er skrevet som følger: a=(K / c)1/2. Her er a graden av dissosiasjon (tatt i fraksjoner), K er dissosiasjonskonstanten, som er forskjellig for hvert stoff, og c er konsentrasjonen av elektrolytten i løsningen. Med denne formelen kan du lære mye om stoffet og dets oppførsel i løsning.
Men vi går bort. I tillegg til konsentrasjon påvirkes også graden av dissosiasjon av temperaturen på elektrolytten. For de fleste stoffer øker det oppløseligheten og reaktiviteten ved å øke den. Dette kan forklare forekomsten av noen reaksjoner bare ved forhøyede temperaturer. Under normale forhold går de enten veldig sakte, eller i begge retninger (en slik prosess kalles reversibel).
Vi har analysert faktorene som bestemmer oppførselen til et system, for eksempel en elektrolyttløsning. La oss nå gå videre til den praktiske anvendelsen av disse, uten tvil, svært viktige kjemikaliene.
Industriell bruk
Selvfølgelig har alle hørt ordet "elektrolytt"i forhold til batterier. Bilen bruker blybatterier, elektrolytten som er 40 % svovelsyre. For å forstå hvorfor dette stoffet i det hele tatt trengs der, er det verdt å forstå egenskapene til batteriene.
Så hva er prinsippet for ethvert batteri? I dem oppstår en reversibel reaksjon av transformasjonen av ett stoff til et annet, som et resultat av at elektroner frigjøres. Når batteriet lades skjer det en interaksjon av stoffer, som ikke oppnås under normale forhold. Dette kan representeres som akkumulering av elektrisitet i et stoff som et resultat av en kjemisk reaksjon. Når utslippet begynner, begynner den omvendte transformasjonen, og fører systemet til den opprinnelige tilstanden. Disse to prosessene utgjør til sammen én lade-utladingssyklus.
La oss vurdere prosessen ovenfor på et spesifikt eksempel - et bly-syrebatteri. Som du kanskje gjetter, består denne nåværende kilden av et element som inneholder bly (samt blydioksid PbO2) og syre. Ethvert batteri består av elektroder og mellomrommet mellom dem, bare fylt med elektrolytt. Som den siste, som vi allerede har funnet ut, i vårt eksempel, brukes svovelsyre i en konsentrasjon på 40 prosent. Katoden til et slikt batteri er laget av blydioksid, og anoden er laget av rent bly. Alt dette er fordi forskjellige reversible reaksjoner oppstår på disse to elektrodene med deltakelse av ioner som syren har dissosiert til:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(reaksjon skjer ved den negative elektroden - katode).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Reaksjon ved den positive elektroden - anode).
Hvis vi leser reaksjonene fra venstre mot høyre - får vi prosessene som skjer når batteriet er utladet, og hvis vi fra høyre til venstre - ved lading. I hver kjemisk strømkilde er disse reaksjonene forskjellige, men mekanismen for deres forekomst er generelt beskrevet på samme måte: to prosesser forekommer, i den ene blir elektroner "absorbert", og i den andre, tvert imot, de " permisjon". Det viktigste er at antall absorberte elektroner er lik antall utsendte.
Faktisk, i tillegg til batterier, er det mange bruksområder for disse stoffene. Generelt er elektrolytter, eksempler som vi har gitt, bare et korn av mangfoldet av stoffer som er kombinert under dette begrepet. De omgir oss over alt, over alt. Ta for eksempel menneskekroppen. Tror du disse stoffene ikke er der? Du tar veldig feil. De er over alt i oss, og den største mengden er blodelektrolytter. Disse inkluderer for eksempel jernioner, som er en del av hemoglobin og bidrar til å transportere oksygen til vevet i kroppen vår. Blodelektrolytter spiller også en nøkkelrolle i reguleringen av vann-s altbalanse og hjertefunksjon. Denne funksjonen utføres av kalium- og natriumioner (det er til og med en prosess som skjer i cellene, som kalles kalium-natrium-pumpen).
Ethvert stoff du kan løse opp selv litt er elektrolytter. Og det er ingen slik industri og vårt liv med deg, hvoruansett hva de brukes. Dette er ikke bare batterier i biler og batterier. Dette er enhver kjemisk og matproduksjon, militæranlegg, klesfabrikker og så videre.
Sammensetningen av elektrolytten er forresten annerledes. Så det er mulig å skille sur og alkalisk elektrolytt. De er fundament alt forskjellige i egenskapene deres: som vi allerede har sagt, er syrer protondonorer, og alkalier er akseptorer. Men over tid endres sammensetningen av elektrolytten på grunn av tap av en del av stoffet, konsentrasjonen enten avtar eller øker (alt avhenger av hva som går tapt, vann eller elektrolytt).
Vi møter dem hver dag, men få mennesker vet nøyaktig definisjonen av et slikt begrep som elektrolytter. Vi har dekket eksempler på spesifikke stoffer, så la oss gå videre til litt mer komplekse konsepter.
Fysiske egenskaper til elektrolytter
Nå om fysikk. Det viktigste å forstå når man studerer dette emnet er hvordan strømmen overføres i elektrolytter. Ioner spiller en avgjørende rolle i dette. Disse ladede partiklene kan overføre ladning fra en del av løsningen til en annen. Så anioner har alltid en tendens til den positive elektroden, og kationer - til den negative. Derfor, ved å virke på løsningen med en elektrisk strøm, separerer vi ladningene på forskjellige sider av systemet.
Veldig interessant er en fysisk egenskap som tetthet. Mange egenskaper til forbindelsene vi diskuterer avhenger av det. Og spørsmålet dukker ofte opp: "Hvordan øke tettheten til elektrolytten?" Faktisk er svaret enkelt: du må nedgradere innholdetvann i løsning. Siden tettheten til elektrolytten i stor grad bestemmes av tettheten til svovelsyre, avhenger den i stor grad av konsentrasjonen av sistnevnte. Det er to måter å gjennomføre planen på. Den første er ganske enkel: kok elektrolytten i batteriet. For å gjøre dette må du lade den slik at temperaturen inne stiger litt over hundre grader Celsius. Hvis denne metoden ikke hjelper, ikke bekymre deg, det er en annen: bare bytt ut den gamle elektrolytten med en ny. For å gjøre dette, tøm den gamle løsningen, rengjør innsiden av svovelsyrerester med destillert vann, og hell deretter inn en ny porsjon. Som regel har høykvalitets elektrolyttløsninger umiddelbart ønsket konsentrasjon. Etter utskifting kan du glemme i lang tid hvordan du øker tettheten til elektrolytten.
Sammensetningen av elektrolytten bestemmer i stor grad dens egenskaper. Egenskaper som elektrisk ledningsevne og tetthet er for eksempel svært avhengig av det oppløste stoffets natur og dets konsentrasjon. Det er et eget spørsmål om hvor mye elektrolytt som kan være i batteriet. Faktisk er volumet direkte relatert til den deklarerte kraften til produktet. Jo mer svovelsyre inne i batteriet, jo kraftigere er det, dvs. jo mer spenning kan det produsere.
Hvor kommer det til nytte?
Hvis du er bilentusiast eller bare interessert i biler, så forstår du alt selv. Du vet sikkert til og med hvordan du bestemmer hvor mye elektrolytt som er i batteriet nå. Og er du langt fra biler, så kunnskapegenskapene til disse stoffene, deres anvendelser og hvordan de interagerer med hverandre vil ikke være overflødige i det hele tatt. Når du vet dette, vil du ikke være på et tap hvis du blir bedt om å si hvilken elektrolytt som er i batteriet. Selv om du ikke er en bilentusiast, men du har en bil, vil det ikke være overflødig å vite batterienheten og hjelpe deg med reparasjoner. Det blir mye enklere og billigere å gjøre alt selv enn å gå til bilsenteret.
Og for å studere dette emnet bedre, anbefaler vi å lese en lærebok i kjemi for skoler og universiteter. Hvis du kjenner denne vitenskapen godt og har lest nok lærebøker, vil Varypaevs "Chemical Current Sources" være det beste alternativet. Den skisserer i detalj hele teorien om driften av batterier, forskjellige batterier og hydrogenceller.
Konklusjon
Vi har kommet til slutten. La oss oppsummere. Ovenfor har vi analysert alt relatert til et slikt konsept som elektrolytter: eksempler, teori om struktur og egenskaper, funksjoner og anvendelser. Nok en gang er det verdt å si at disse forbindelsene er en del av livet vårt, uten hvilke kroppene våre og alle industriområder ikke kunne eksistere. Husker du blodelektrolytter? Takket være dem lever vi. Hva med bilene våre? Med denne kunnskapen vil vi kunne fikse ethvert problem relatert til batteriet, siden vi nå forstår hvordan vi kan øke tettheten til elektrolytten i det.
Det er umulig å fortelle alt, og vi satte oss ikke et slikt mål. Tross alt er ikke dette alt som kan sies om disse fantastiske stoffene.
