Electroliții ca substanțe chimice sunt cunoscuți din cele mai vechi timpuri. Cu toate acestea, ei și-au cucerit majoritatea domeniilor lor de aplicare relativ recent. Vom discuta domeniile cu cea mai mare prioritate pentru ca industrie să folosească aceste substanțe și să ne dăm seama care sunt acestea din urmă și cum diferă unele de altele. Dar să începem cu o digresiune în istorie.
Istorie
Cei mai vechi electroliți cunoscuți sunt sărurile și acizii descoperiți în lumea antică. Cu toate acestea, ideile despre structura și proprietățile electroliților au evoluat de-a lungul timpului. Teoriile acestor procese au evoluat încă din anii 1880, când s-au făcut o serie de descoperiri legate de teoriile proprietăților electroliților. Au existat mai multe s alturi calitative în teoriile care descriu mecanismele de interacțiune a electroliților cu apa (la urma urmei, doar în soluție dobândesc proprietățile datorită cărora sunt utilizați în industrie).
Acum vom analiza în detaliu câteva teorii care au avut cea mai mare influență asupra dezvoltării ideilor despre electroliți și proprietățile acestora. Și să începem cu cea mai comună și simplă teorie pe care fiecare dintre noi a luat-o la școală.
Teoria Arrhenius a disocierii electrolitice
în 1887Chimistul suedez Svante Arrhenius și chimistul ruso-german Wilhelm Ostwald au creat teoria disocierii electrolitice. Totuși, nici aici totul nu este atât de simplu. Arrhenius însuși a fost un susținător al așa-numitei teorii fizice a soluțiilor, care nu a ținut cont de interacțiunea substanțelor constitutive cu apa și a susținut că în soluție există particule (ioni) încărcate liber. Apropo, din astfel de poziții se ia în considerare astăzi la școală disocierea electrolitică.
Să vorbim în continuare despre ce oferă această teorie și cum ne explică mecanismul de interacțiune a substanțelor cu apa. Ca toți ceilalți, ea are mai multe postulate pe care le folosește:
1. Când interacționează cu apa, substanța se descompune în ioni (pozitiv - cation și negativ - anion). Aceste particule suferă hidratare: atrag molecule de apă, care, apropo, sunt încărcate pozitiv pe o parte și încărcate negativ pe ceal altă (formează un dipol), ca urmare, se formează în complexe acvatice (solvați).
2. Procesul de disociere este reversibil - adică dacă substanța s-a rupt în ioni, atunci sub influența oricăror factori se poate transforma din nou în cea originală.
3. Dacă conectați electrozii la soluție și începeți un curent, atunci cationii vor începe să se miște spre electrodul negativ - catod, iar anionii către cel încărcat pozitiv - anodul. De aceea, substanțele care sunt foarte solubile în apă conduc electricitatea mai bine decât apa însăși. Se mai numesc electroliți din același motiv.
4. Gradul de disociere a electrolitului caracterizează procentul de substanță care a suferit dizolvare. Acestindicatorul depinde de proprietățile solventului și ale solutului în sine, de concentrația acestuia din urmă și de temperatura exterioară.
Aici, de fapt, și toate postulatele de bază ale acestei teorii simple. Le vom folosi în acest articol pentru a descrie ce se întâmplă într-o soluție de electroliți. Vom analiza exemple ale acestor compuși puțin mai târziu, dar acum vom lua în considerare o altă teorie.
Teoria lui Lewis a acizilor și bazelor
Conform teoriei disocierii electrolitice, un acid este o substanță în care este prezent un cation de hidrogen, iar o bază este un compus care se descompune într-un anion hidroxid în soluție. Există o altă teorie numită după celebrul chimist Gilbert Lewis. Vă permite să extindeți oarecum conceptul de acid și bază. Conform teoriei Lewis, acizii sunt ioni sau molecule ale unei substanțe care au orbiti de electroni liberi și sunt capabili să accepte un electron dintr-o altă moleculă. Este ușor de ghicit că bazele vor fi astfel de particule care sunt capabile să doneze unul sau mai mulți electroni pentru „utilizarea” acidului. Este foarte interesant aici că nu numai un electrolit, ci și orice substanță, chiar și insolubilă în apă, poate fi un acid sau o bază.
Teoria protolitică Brandsted-Lowry
În 1923, independent unul de celăl alt, doi oameni de știință - J. Bronsted și T. Lowry - au propus o teorie care este acum folosită în mod activ de oamenii de știință pentru a descrie procesele chimice. Esența acestei teorii este aceea cădisocierea se reduce la transferul unui proton de la un acid la o bază. Astfel, acesta din urmă este înțeles aici ca un acceptor de protoni. Atunci acidul este donatorul lor. Teoria explică bine și existența unor substanțe care prezintă proprietățile atât ale acizilor, cât și ale bazelor. Astfel de compuși sunt numiți amfoteri. În teoria Bronsted-Lowry, termenul de amfoliți este folosit și pentru aceștia, în timp ce acizii sau bazele sunt de obicei numiți protoliți.
Am ajuns la următoarea parte a articolului. Aici vă vom spune cât de puternici și cei slabi diferă electroliții unul de celăl alt și vom discuta despre influența factorilor externi asupra proprietăților lor. Și apoi vom începe să descriem aplicarea lor practică.
Electroliți puternici și slabi
Fiecare substanță interacționează cu apa în mod individual. Unele se dizolvă bine în ea (de exemplu, sarea de masă), în timp ce altele nu se dizolvă deloc (de exemplu, creta). Astfel, toate substanțele sunt împărțite în electroliți puternici și slabi. Acestea din urmă sunt substanțe care interacționează slab cu apa și se depun la fundul soluției. Aceasta înseamnă că au un grad foarte scăzut de disociere și o energie de legătură mare, care în condiții normale nu permite moleculei să se descompună în ionii ei constitutivi. Disocierea electroliților slabi are loc fie foarte lent, fie cu creșterea temperaturii și a concentrației acestei substanțe în soluție.
Să vorbim despre electroliți puternici. Acestea includ toate sărurile solubile, precum și acizii și alcalinele puternice. Se descompun ușor în ioni și este foarte dificil să le colectezi în precipitații. Curentul din electroliți, de altfel, este condustocmai din cauza ionilor continuti in solutie. Prin urmare, electroliții puternici conduc curentul cel mai bine. Exemple ale acestora din urmă: acizi puternici, alcalii, săruri solubile.
Factori care afectează comportamentul electroliților
Acum să ne dăm seama cum schimbările din mediul extern afectează proprietățile substanțelor. Concentrația afectează direct gradul de disociere a electroliților. Mai mult, acest raport poate fi exprimat matematic. Legea care descrie această relație se numește legea diluției Ostwald și este scrisă după cum urmează: a=(K / c)1/2. Aici a este gradul de disociere (luat în fracții), K este constanta de disociere, care este diferită pentru fiecare substanță, iar c este concentrația electrolitului din soluție. Prin această formulă, puteți afla multe despre substanță și despre comportamentul acesteia în soluție.
Dar ne ocolim. Pe lângă concentrare, gradul de disociere este afectat și de temperatura electrolitului. Pentru majoritatea substanțelor, creșterea acesteia crește solubilitatea și reactivitatea. Acest lucru poate explica apariția unor reacții numai la temperaturi ridicate. În condiții normale, ele merg fie foarte încet, fie în ambele direcții (un astfel de proces se numește reversibil).
Am analizat factorii care determină comportamentul unui sistem precum o soluție de electrolit. Acum să trecem la aplicarea practică a acestor substanțe chimice, fără îndoială, foarte importante.
Uz industrial
Desigur, toată lumea a auzit cuvântul „electrolit”în raport cu bateriile. Mașina folosește baterii plumb-acid, electrolitul în care este 40% acid sulfuric. Pentru a înțelege de ce este nevoie de această substanță acolo, merită să înțelegeți caracteristicile bateriilor.
Deci, care este principiul oricărei baterii? În ele, are loc o reacție reversibilă de transformare a unei substanțe în alta, în urma căreia sunt eliberați electroni. Când bateria este încărcată, are loc o interacțiune a substanțelor, care nu se obține în condiții normale. Aceasta poate fi reprezentată ca acumularea de electricitate într-o substanță ca rezultat al unei reacții chimice. Când începe descărcarea, începe transformarea inversă, conducând sistemul la starea inițială. Aceste două procese împreună constituie un ciclu încărcare-descărcare.
Să luăm în considerare procesul de mai sus pe un exemplu specific - o baterie plumb-acid. După cum ați putea ghici, această sursă de curent constă dintr-un element care conține plumb (precum și dioxid de plumb PbO2) și acid. Orice baterie constă din electrozi și spațiul dintre ei, umplut doar cu electrolit. Ca ultimul, așa cum am aflat deja, în exemplul nostru, acidul sulfuric este utilizat la o concentrație de 40 la sută. Catodul unei astfel de baterii este realizat din dioxid de plumb, iar anodul din plumb pur. Toate acestea se datorează faptului că pe acești doi electrozi au loc diferite reacții reversibile cu participarea ionilor în care acidul s-a disociat:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(reacția care are loc la electrodul negativ - catod).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Reacția la electrodul pozitiv - anod).
Dacă citim reacțiile de la stânga la dreapta - obținem procesele care apar atunci când bateria este descărcată, iar dacă de la dreapta la stânga - la încărcare. În fiecare sursă de curent chimic, aceste reacții sunt diferite, dar mecanismul apariției lor este descris în general în același mod: au loc două procese, în unul dintre care electronii sunt „absorbiți”, iar în celăl alt, dimpotrivă, „ părăsi . Cel mai important lucru este că numărul de electroni absorbiți este egal cu numărul celor emiși.
De fapt, pe lângă baterii, există multe aplicații ale acestor substanțe. În general, electroliții, dintre care exemple le-am dat, sunt doar o grămadă a varietății de substanțe care sunt combinate sub acest termen. Ne înconjoară peste tot, peste tot. Luați, de exemplu, corpul uman. Crezi că aceste substanțe nu există? Te înșeli foarte tare. Sunt peste tot în noi, iar cea mai mare cantitate este electroliții din sânge. Acestea includ, de exemplu, ionii de fier, care fac parte din hemoglobină și ajută la transportul oxigenului către țesuturile corpului nostru. Electroliții din sânge joacă, de asemenea, un rol cheie în reglarea echilibrului apă-sare și a funcției inimii. Această funcție este îndeplinită de ionii de potasiu și sodiu (există chiar și un proces care are loc în celule, care se numește pompă de potasiu-sodiu).
Orice substanță pe care o puteți dizolva chiar și puțin sunt electroliții. Și nu există o astfel de industrie și viața noastră cu tine, undeoricare ar fi ele aplicate. Acest lucru nu este doar bateriile din mașini și bateriile. Aceasta este orice producție chimică și alimentară, fabrici militare, fabrici de îmbrăcăminte și așa mai departe.
Compoziția electrolitului, de altfel, este diferită. Deci, este posibil să distingem electrolitul acid și alcalin. Ele diferă fundamental în proprietățile lor: așa cum am spus deja, acizii sunt donatori de protoni, iar alcaliile sunt acceptori. Dar în timp, compoziția electrolitului se modifică din cauza pierderii unei părți din substanță, concentrația fie scade, fie crește (totul depinde de ceea ce se pierde, apă sau electrolit).
Îi întâlnim în fiecare zi, dar puțini oameni știu exact definiția unui astfel de termen precum electroliții. Am acoperit exemple de substanțe specifice, așa că haideți să trecem la concepte puțin mai complexe.
Proprietățile fizice ale electroliților
Acum despre fizică. Cel mai important lucru de înțeles când studiezi acest subiect este modul în care curentul este transmis în electroliți. Ionii joacă un rol decisiv în acest sens. Aceste particule încărcate pot transfera sarcina dintr-o parte a soluției în alta. Deci, anionii tind întotdeauna spre electrodul pozitiv, iar cationii - spre negativ. Astfel, acționând asupra soluției cu un curent electric, separăm sarcinile pe diferite părți ale sistemului.
Foarte interesantă este o caracteristică fizică precum densitatea. Multe proprietăți ale compușilor despre care discutăm depind de el. Și apare adesea întrebarea: "Cum să creșteți densitatea electrolitului?" De fapt, răspunsul este simplu: trebuie să downgradezi conținutulapa in solutie. Deoarece densitatea electrolitului este determinată în mare măsură de densitatea acidului sulfuric, aceasta depinde în mare măsură de concentrația acestuia din urmă. Există două moduri de a realiza planul. Primul este destul de simplu: fierbeți electrolitul conținut în baterie. Pentru a face acest lucru, trebuie să-l încărcați astfel încât temperatura din interior să crească puțin peste o sută de grade Celsius. Dacă această metodă nu ajută, nu vă faceți griji, există o alta: pur și simplu înlocuiți electrolitul vechi cu unul nou. Pentru a face acest lucru, scurgeți vechea soluție, curățați interiorul reziduurilor de acid sulfuric cu apă distilată și apoi turnați o nouă porție. De regulă, soluțiile de electroliți de în altă calitate au imediat concentrația dorită. După înlocuire, puteți uita mult timp despre cum să creșteți densitatea electrolitului.
Compoziția electrolitului determină în mare măsură proprietățile acestuia. Caracteristici precum conductivitatea electrică și densitatea, de exemplu, depind în mare măsură de natura substanței dizolvate și de concentrația acestuia. Există o întrebare separată despre cât de mult electrolit poate fi în baterie. De fapt, volumul acestuia este direct legat de puterea declarată a produsului. Cu cât este mai mult acid sulfuric în interiorul bateriei, cu atât este mai puternică, adică cu atât poate produce mai multă tensiune.
Unde este util?
Dacă ești un pasionat de mașini sau doar ești pasionat de mașini, atunci înțelegi totul. Cu siguranță știi chiar cum să stabilești cât de mult electrolit este acum în baterie. Și dacă ești departe de mașini, atunci cunoștințeproprietățile acestor substanțe, aplicațiile lor și modul în care interacționează între ele nu vor fi deloc de prisos. Știind acest lucru, nu veți fi în pierdere dacă vi se cere să spuneți ce electrolit este în baterie. Deși chiar dacă nu ești un pasionat de mașini, dar ai o mașină, atunci cunoașterea dispozitivului cu baterie nu va fi deloc de prisos și te va ajuta la reparații. Va fi mult mai ușor și mai ieftin să faci totul singur decât să mergi la centrul auto.
Și pentru a studia mai bine acest subiect, vă recomandăm să citiți un manual de chimie pentru școli și universități. Dacă cunoașteți bine această știință și ați citit suficiente manuale, „Sursele de curent chimic” ale lui Varypaev ar fi cea mai bună opțiune. Acesta prezintă în detaliu întreaga teorie a funcționării bateriilor, a diferitelor baterii și a celulelor cu hidrogen.
Concluzie
Am ajuns la final. Să rezumam. Mai sus, am analizat tot ce are legătură cu un astfel de concept precum electroliții: exemple, teoria structurii și proprietăților, funcții și aplicații. Încă o dată, merită să spunem că acești compuși fac parte din viața noastră, fără de care corpul nostru și toate domeniile industriei nu ar putea exista. Îți amintești electroliții din sânge? Datorită lor trăim. Dar mașinile noastre? Cu aceste cunoștințe, vom putea remedia orice problemă legată de baterie, deoarece acum înțelegem cum să creștem densitatea electrolitului din ea.
Este imposibil să spunem totul și nu ne-am stabilit un astfel de obiectiv. La urma urmei, asta nu este tot ce se poate spune despre aceste substanțe uimitoare.
