Elektrolyter som kemikalier har varit kända sedan urminnes tider. De har dock erövrat de flesta av sina användningsområden relativt nyligen. Vi kommer att diskutera de högst prioriterade områdena för industrin att använda dessa ämnen och ta reda på vad de senare är och hur de skiljer sig från varandra. Men låt oss börja med en utvikning till historien.
Historia
De äldsta kända elektrolyterna är s alter och syror som upptäcktes i den antika världen. Men idéer om strukturen och egenskaperna hos elektrolyter har utvecklats över tiden. Teorier om dessa processer har utvecklats sedan 1880-talet, då ett antal upptäckter gjordes relaterade till teorier om egenskaperna hos elektrolyter. Det har gjorts flera kvalitativa språng i teorier som beskriver mekanismerna för interaktionen mellan elektrolyter och vatten (det är trots allt bara i lösning som de förvärvar de egenskaper på grund av vilka de används i industrin).
Nu ska vi i detalj analysera flera teorier som har haft störst inflytande på utvecklingen av idéer om elektrolyter och deras egenskaper. Och låt oss börja med den vanligaste och enklaste teorin som var och en av oss tog i skolan.
Arrhenius Theory of Electrolytic Dissociation
år 1887Den svenska kemisten Svante Arrhenius och den rysk-tyske kemisten Wilhelm Ostwald skapade teorin om elektrolytisk dissociation. Allt är dock inte så enkelt här heller. Arrhenius själv var en anhängare av den så kallade fysikaliska teorin om lösningar, som inte tog hänsyn till de ingående ämnenas interaktion med vatten och hävdade att det finns fria laddade partiklar (joner) i lösningen. Det är förresten från sådana positioner som elektrolytisk dissociation övervägs i skolan idag.
Låt oss fortfarande prata om vad denna teori ger och hur den förklarar för oss mekanismen för interaktion mellan ämnen och vatten. Precis som alla andra har hon flera postulat som hon använder:
1. När det interagerar med vatten sönderdelas ämnet till joner (positiv - katjon och negativ - anjon). Dessa partiklar genomgår hydratisering: de drar till sig vattenmolekyler, som förresten är positivt laddade på ena sidan och negativt laddade på den andra (bildar en dipol), som ett resultat av dem bildas vattenkomplex (solvat).
2. Dissociationsprocessen är reversibel - det vill säga om ämnet har brutits upp till joner, kan det under påverkan av alla faktorer åter förvandlas till den ursprungliga.
3. Om du ansluter elektroder till lösningen och startar en ström, kommer katjonerna att börja röra sig mot den negativa elektroden - katoden, och anjonerna mot den positivt laddade - anoden. Det är därför ämnen som är mycket lösliga i vatten leder elektriciteten bättre än vattnet självt. De kallas också för elektrolyter av samma anledning.
4. Graden av dissociation av elektrolyten kännetecknar procentandelen av ämnet som har genomgått upplösning. Dettaindikatorn beror på egenskaperna hos lösningsmedlet och själva lösta ämnet, på koncentrationen av det senare och på den yttre temperaturen.
Här, faktiskt, och alla grundläggande postulat för denna enkla teori. Vi kommer att använda dem i den här artikeln för att beskriva vad som händer i en elektrolytlösning. Vi kommer att analysera exempel på dessa föreningar lite senare, men nu ska vi överväga en annan teori.
Lewis teori om syror och baser
Enligt teorin om elektrolytisk dissociation är en syra ett ämne i vilket en vätekatjon finns, och en bas är en förening som sönderdelas till en hydroxidanjon i lösning. Det finns en annan teori uppkallad efter den berömda kemisten Gilbert Lewis. Det låter dig utvidga begreppet syra och bas något. Enligt Lewis-teorin är syror joner eller molekyler av ett ämne som har fria elektronorbitaler och kan acceptera en elektron från en annan molekyl. Det är lätt att gissa att baserna kommer att vara sådana partiklar som kan donera en eller flera av sina elektroner till "användningen" av syran. Det är mycket intressant här att inte bara en elektrolyt, utan även vilken substans som helst, även olöslig i vatten, kan vara en syra eller bas.
Brandsted-Lowry protolitisk teori
År 1923, oberoende av varandra, föreslog två vetenskapsmän - J. Bronsted och T. Lowry - en teori som nu aktivt används av forskare för att beskriva kemiska processer. Kärnan i denna teori är attdissociation reduceras till överföring av en proton från en syra till en bas. Sålunda förstås den senare här som en protonacceptor. Då är syran deras givare. Teorin förklarar också väl förekomsten av ämnen som uppvisar egenskaperna hos både syror och baser. Sådana föreningar kallas amfotera. I Bronsted-Lowry-teorin används även termen amfolyter för dem, medan syror eller baser brukar kallas protoliter.
Vi har kommit till nästa del av artikeln. Här kommer vi att berätta hur starka och svaga elektrolyter skiljer sig från varandra och diskutera påverkan av externa faktorer på deras egenskaper. Och sedan kommer vi att börja beskriva deras praktiska tillämpning.
Starka och svaga elektrolyter
Varje substans interagerar med vatten individuellt. Vissa löser sig bra i det (till exempel bordss alt), medan vissa inte löser sig alls (till exempel krita). Alltså delas alla ämnen in i starka och svaga elektrolyter. De senare är ämnen som interagerar dåligt med vatten och lägger sig i botten av lösningen. Detta innebär att de har en mycket låg grad av dissociation och en hög bindningsenergi, vilket under normala förhållanden inte tillåter molekylen att sönderdelas till sina beståndsdelar joner. Dissociationen av svaga elektrolyter sker antingen mycket långsamt eller med en ökning i temperatur och koncentration av detta ämne i lösning.
Låt oss prata om starka elektrolyter. Dessa inkluderar alla lösliga s alter, såväl som starka syror och alkalier. De bryts lätt upp till joner och det är mycket svårt att samla dem i nederbörd. Strömmen i elektrolyter, förresten, ledsjust på grund av jonerna som finns i lösningen. Därför leder starka elektrolyter ström bäst av allt. Exempel på det senare: starka syror, alkalier, lösliga s alter.
Faktorer som påverkar elektrolyternas beteende
Låt oss nu ta reda på hur förändringar i den yttre miljön påverkar ämnens egenskaper. Koncentrationen påverkar direkt graden av elektrolytdissociation. Dessutom kan detta förhållande uttryckas matematiskt. Lagen som beskriver detta förhållande kallas Ostwalds utspädningslag och är skriven på följande sätt: a=(K / c)1/2. Här är a graden av dissociation (tagen i bråkdelar), K är dissociationskonstanten, som är olika för varje ämne, och c är koncentrationen av elektrolyten i lösningen. Med den här formeln kan du lära dig mycket om ämnet och dess beteende i lösning.
Men vi avviker. Utöver koncentrationen påverkas även graden av dissociation av elektrolytens temperatur. För de flesta ämnen ökar lösligheten och reaktiviteten genom att öka den. Detta kan förklara förekomsten av vissa reaktioner endast vid förhöjda temperaturer. Under normala förhållanden går de antingen mycket långsamt eller åt båda hållen (en sådan process kallas reversibel).
Vi har analyserat de faktorer som bestämmer beteendet hos ett system som en elektrolytlösning. Låt oss nu gå vidare till den praktiska tillämpningen av dessa, utan tvekan, mycket viktiga kemikalier.
Industriell användning
Självklart har alla hört ordet "elektrolyt"i förhållande till batterier. Bilen använder blybatterier, elektrolyten i vilken är 40% svavelsyra. För att förstå varför detta ämne överhuvudtaget behövs där är det värt att förstå batteriernas egenskaper.
Så vad är principen för ett batteri? I dem sker en reversibel reaktion av omvandlingen av ett ämne till ett annat, som ett resultat av vilket elektroner frigörs. När batteriet laddas sker en växelverkan av ämnen, som inte erhålls under normala förhållanden. Detta kan representeras som ackumulering av elektricitet i ett ämne som ett resultat av en kemisk reaktion. När urladdningen börjar, börjar den omvända transformationen, vilket leder systemet till det initiala tillståndet. Dessa två processer utgör tillsammans en laddnings-urladdningscykel.
Låt oss överväga ovanstående process på ett specifikt exempel - ett blybatteri. Som du kanske kan gissa består denna nuvarande källa av ett element som innehåller bly (liksom blydioxid PbO2) och syra. Alla batterier består av elektroder och utrymmet mellan dem, bara fyllt med elektrolyt. Som den sista, som vi redan har tagit reda på, i vårt exempel används svavelsyra i en koncentration av 40 procent. Katoden i ett sådant batteri är gjord av blydioxid och anoden är gjord av rent bly. Allt detta beror på att olika reversibla reaktioner inträffar på dessa två elektroder med deltagande av joner i vilka syran har dissocierat:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(reaktion sker vid den negativa elektroden - katod).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Reaktion vid den positiva elektroden - anod).
Om vi läser reaktionerna från vänster till höger - får vi de processer som uppstår när batteriet laddas ur, och om från höger till vänster - vid laddning. I varje kemisk strömkälla är dessa reaktioner olika, men mekanismen för deras förekomst beskrivs generellt på samma sätt: två processer inträffar, i en av vilka elektroner "absorberas", och i den andra, tvärtom, de " lämna". Det viktigaste är att antalet absorberade elektroner är lika med antalet emitterade.
Faktiskt, förutom batterier, finns det många användningsområden för dessa ämnen. I allmänhet är elektrolyter, exempel på vilka vi har gett, bara ett korn av de olika ämnen som kombineras under denna term. De omger oss överallt, överallt. Ta till exempel människokroppen. Tror du att dessa ämnen inte finns där? Du har väldigt fel. De finns överallt i oss, och den största mängden är blodelektrolyter. Dessa inkluderar till exempel järnjoner, som är en del av hemoglobinet och hjälper till att transportera syre till vävnaderna i vår kropp. Blodelektrolyter spelar också en nyckelroll i regleringen av vatten-s altbalans och hjärtfunktion. Denna funktion utförs av kalium- och natriumjoner (det finns till och med en process som sker i celler, som kallas kalium-natriumpumpen).
Varje ämne som helst som du kan lösa ens lite är elektrolyter. Och det finns ingen sådan industri och vårt liv med dig, därvad de än tillämpas. Detta är inte bara batterier i bilar och batterier. Det här är all kemikalie- och livsmedelsproduktion, militära anläggningar, klädfabriker och så vidare.
Kompositionen av elektrolyten är förresten annorlunda. Så det är möjligt att skilja sur och alkalisk elektrolyt. De skiljer sig i grunden i sina egenskaper: som vi redan har sagt är syror protondonatorer och alkalier är acceptorer. Men med tiden förändras elektrolytens sammansättning på grund av förlusten av en del av ämnet, koncentrationen antingen minskar eller ökar (allt beror på vad som går förlorat, vatten eller elektrolyt).
Vi stöter på dem varje dag, men få människor vet exakt definitionen av ett sådant begrepp som elektrolyter. Vi har tagit upp exempel på specifika ämnen, så låt oss gå vidare till lite mer komplexa begrepp.
elektrolyters fysikaliska egenskaper
Nu om fysik. Det viktigaste att förstå när man studerar detta ämne är hur ström överförs i elektrolyter. Joner spelar en avgörande roll i detta. Dessa laddade partiklar kan överföra laddning från en del av lösningen till en annan. Så anjoner tenderar alltid till den positiva elektroden och katjoner - till den negativa. På så sätt agerar vi på lösningen med en elektrisk ström, separerar vi laddningarna på olika sidor av systemet.
Mycket intressant är en sådan fysisk egenskap som täthet. Många egenskaper hos föreningarna vi diskuterar beror på det. Och frågan dyker ofta upp: "Hur höjer man elektrolytens densitet?" Faktum är att svaret är enkelt: du måste nedgradera innehålletvatten i lösning. Eftersom elektrolytens densitet till stor del bestäms av svavelsyrans densitet, beror den till stor del på koncentrationen av den senare. Det finns två sätt att genomföra planen. Den första är ganska enkel: koka elektrolyten som finns i batteriet. För att göra detta måste du ladda den så att temperaturen inuti stiger något över hundra grader Celsius. Om den här metoden inte hjälper, oroa dig inte, det finns en annan: byt bara ut den gamla elektrolyten med en ny. För att göra detta, töm den gamla lösningen, rengör insidan av svavelsyrarester med destillerat vatten och häll sedan i en ny portion. Som regel har högkvalitativa elektrolytlösningar omedelbart den önskade koncentrationen. Efter byte kan du glömma hur du kan öka elektrolytens densitet länge.
Elektrolytens sammansättning avgör till stor del dess egenskaper. Egenskaper såsom elektrisk ledningsförmåga och densitet är till exempel starkt beroende av det lösta ämnets natur och dess koncentration. Det finns en separat fråga om hur mycket elektrolyt som kan finnas i batteriet. Faktum är att dess volym är direkt relaterad till produktens deklarerade effekt. Ju mer svavelsyra inne i batteriet, desto kraftfullare är det, dvs desto mer spänning kan det producera.
Var är det användbart?
Om du är en bilentusiast eller bara gillar bilar, då förstår du själv allt. Säkert vet du till och med hur man avgör hur mycket elektrolyt som finns i batteriet nu. Och är man långt ifrån bilar, då kunskapegenskaperna hos dessa ämnen, deras tillämpningar och hur de interagerar med varandra kommer inte att vara överflödiga alls. Medveten om detta kommer du inte att gå vilse om du blir ombedd att säga vilken elektrolyt som finns i batteriet. Även om du inte är en bilentusiast, men du har en bil, kommer det inte att vara överflödigt att känna till batterienheten och hjälpa dig med reparationer. Det blir mycket enklare och billigare att göra allt själv än att gå till bilcentret.
Och för att bättre studera detta ämne rekommenderar vi att du läser en lärobok i kemi för skolor och universitet. Om du kan denna vetenskap väl och har läst tillräckligt många läroböcker, skulle Varypaevs "Kemiska strömkällor" vara det bästa alternativet. Den beskriver i detalj hela teorin om hur batterier, olika batterier och väteceller fungerar.
Slutsats
Vi har kommit till slutet. Låt oss sammanfatta. Ovan har vi analyserat allt relaterat till ett sådant koncept som elektrolyter: exempel, teori om struktur och egenskaper, funktioner och tillämpningar. Återigen är det värt att säga att dessa föreningar är en del av vårt liv, utan vilka våra kroppar och alla industriområden inte skulle kunna existera. Kommer du ihåg blodelektrolyter? Tack vare dem lever vi. Hur är det med våra bilar? Med denna kunskap kommer vi att kunna åtgärda alla problem som är relaterade till batteriet, eftersom vi nu förstår hur man kan öka densiteten av elektrolyten i det.
Det är omöjligt att berätta allt, och vi satte inte upp ett sådant mål. Det är trots allt inte allt som kan sägas om dessa fantastiska ämnen.
