Elektroliti kot kemikalije so poznani že od antičnih časov. Vendar pa so večino svojih področij uporabe osvojili relativno nedavno. Razpravljali bomo o najpomembnejših področjih za industrijo za uporabo teh snovi in ugotovili, kaj so slednje in kako se med seboj razlikujejo. Ampak začnimo z digresijo v zgodovino.
Zgodovina
Najstarejši znani elektroliti so soli in kisline, odkrite v starodavnem svetu. Vendar pa so se ideje o strukturi in lastnostih elektrolitov sčasoma razvile. Teorije teh procesov so se razvijale od leta 1880, ko so bila narejena številna odkritja, povezana s teorijami lastnosti elektrolitov. V teorijah, ki opisujejo mehanizme interakcije elektrolitov z vodo, je bilo več kvalitativnih preskokov (navsezadnje le v raztopini pridobijo lastnosti, zaradi katerih se uporabljajo v industriji).
Sedaj bomo podrobno analizirali več teorij, ki so imele največji vpliv na razvoj idej o elektrolitih in njihovih lastnostih. In začnimo z najpogostejšo in preprosto teorijo, ki jo je vsak od nas sprejel v šoli.
Arrheniusova teorija elektrolitične disociacije
leta 1887Švedski kemik Svante Arrhenius in rusko-nemški kemik Wilhelm Ostwald sta ustvarila teorijo elektrolitske disociacije. Vendar tudi tukaj ni vse tako preprosto. Sam Arrhenius je bil zagovornik tako imenovane fizikalne teorije raztopin, ki ni upoštevala interakcije sestavnih snovi z vodo in je trdil, da so v raztopini prosti nabiti delci (ioni). Mimogrede, s takih stališč danes v šoli obravnavajo elektrolitsko disociacijo.
Pogovorimo se še o tem, kaj ta teorija daje in kako nam razlaga mehanizem interakcije snovi z vodo. Kot vsi drugi ima tudi ona več postulatov, ki jih uporablja:
1. Pri interakciji z vodo se snov razgradi na ione (pozitivni - kation in negativni - anion). Ti delci so podvrženi hidrataciji: privlačijo molekule vode, ki so mimogrede na eni strani pozitivno nabite, na drugi pa negativno (tvorijo dipol), posledično se tvorijo v vodne komplekse (solvate).
2. Proces disociacije je reverzibilen - to je, če se snov razpade na ione, se lahko pod vplivom kakršnih koli dejavnikov spet spremeni v prvotno.
3. Če elektrode povežete z raztopino in zaženete tok, se bodo kationi začeli premikati proti negativni elektrodi - katodi, anioni pa proti pozitivno nabiti - anodi. Zato snovi, ki so zelo topne v vodi, bolje prevajajo elektriko kot voda sama. Iz istega razloga jih imenujemo tudi elektroliti.
4. Stopnja disociacije elektrolita označuje odstotek snovi, ki je bila raztopljena. toleindikator je odvisen od lastnosti topila in same raztopine, od koncentracije slednje in od zunanje temperature.
Tu so pravzaprav vsi osnovni postulati te preproste teorije. V tem članku jih bomo uporabili za opis dogajanja v raztopini elektrolita. Primere teh spojin bomo analizirali nekoliko kasneje, zdaj pa bomo obravnavali drugo teorijo.
Lewisova teorija kislin in baz
Po teoriji elektrolitske disociacije je kislina snov, v kateri je prisoten vodikov kation, baza pa spojina, ki se v raztopini razgradi v hidroksidni anion. Obstaja še ena teorija, poimenovana po slavnem kemiku Gilbertu Lewisu. Omogoča vam, da nekoliko razširite koncept kisline in baze. Po Lewisovi teoriji so kisline ioni ali molekule snovi, ki imajo proste elektronske orbitale in so sposobne sprejeti elektron iz druge molekule. Preprosto je uganiti, da bodo baze takšni delci, ki so sposobni podariti enega ali več svojih elektronov za "uporabo" kisline. Pri tem je zelo zanimivo, da je lahko kislina ali baza ne samo elektrolit, ampak tudi katera koli snov, tudi netopna v vodi.
protolitska teorija Brandsted-Lowry
Leta 1923 sta dva znanstvenika - J. Bronsted in T. Lowry - neodvisno drug od drugega predlagala teorijo, ki jo znanstveniki danes aktivno uporabljajo za opis kemijskih procesov. Bistvo te teorije je todisociacija se zmanjša na prenos protona s kisline na bazo. Slednjega torej tukaj razumemo kot akceptorja protonov. Potem je kislina njihov darovalec. Teorija tudi dobro pojasnjuje obstoj snovi, ki kažejo lastnosti tako kislin kot baz. Takšne spojine imenujemo amfoterne. V teoriji Bronsted-Lowryja se zanje uporablja tudi izraz amfoliti, medtem ko se kisline ali baze običajno imenujejo protoliti.
Prišli smo do naslednjega dela članka. Tukaj vam bomo povedali, kako se močni in šibki elektroliti razlikujejo med seboj in razpravljali o vplivu zunanjih dejavnikov na njihove lastnosti. Nato bomo začeli opisovati njihovo praktično uporabo.
močni in šibki elektroliti
Vsaka snov deluje z vodo posebej. Nekatere se v njej dobro raztopijo (na primer kuhinjska sol), nekatere pa se sploh ne raztopijo (na primer kreda). Tako so vse snovi razdeljene na močne in šibke elektrolite. Slednje so snovi, ki slabo medsebojno delujejo z vodo in se usedejo na dno raztopine. To pomeni, da imajo zelo nizko stopnjo disociacije in visoko energijo vezi, ki v normalnih pogojih ne dopušča, da bi se molekula razgradila na njene sestavne ione. Disociacija šibkih elektrolitov poteka bodisi zelo počasi bodisi s povečanjem temperature in koncentracije te snovi v raztopini.
Pogovorimo se o močnih elektrolitih. Sem spadajo vse topne soli, pa tudi močne kisline in alkalije. Z lahkoto razpadejo na ione in jih je zelo težko zbrati v padavinah. Mimogrede, tok v elektrolitih je vodenprav zaradi ionov, ki jih vsebuje raztopina. Zato močni elektroliti najbolje prevajajo tok. Primeri slednjih: močne kisline, alkalije, topne soli.
Dejavniki, ki vplivajo na obnašanje elektrolitov
Sedaj ugotovimo, kako spremembe v zunanjem okolju vplivajo na lastnosti snovi. Koncentracija neposredno vpliva na stopnjo disociacije elektrolitov. Poleg tega je to razmerje mogoče izraziti matematično. Zakon, ki opisuje to razmerje, se imenuje Ostwaldov zakon redčenja in je zapisan takole: a=(K / c)1/2. Tukaj je a stopnja disociacije (v ulomkih), K je disociacijska konstanta, ki je za vsako snov različna, c pa je koncentracija elektrolita v raztopini. S to formulo se lahko veliko naučite o snovi in njenem obnašanju v raztopini.
Ampak smo se oddaljili. Poleg koncentracije na stopnjo disociacije vpliva tudi temperatura elektrolita. Za večino snovi njegovo povečanje poveča topnost in reaktivnost. To lahko pojasni pojav nekaterih reakcij le pri povišanih temperaturah. V normalnih pogojih potekajo zelo počasi ali v obe smeri (takšen proces se imenuje reverzibilen).
Analizirali smo dejavnike, ki določajo obnašanje sistema, kot je raztopina elektrolita. Zdaj pa preidimo na praktično uporabo teh, nedvomno zelo pomembnih kemikalij.
Industrijska uporaba
Seveda so vsi slišali besedo "elektrolit"v zvezi z baterijami. Avto uporablja svinčeno-kislinske baterije, v katerih je elektrolit 40% žveplove kisline. Da bi razumeli, zakaj je ta snov tam sploh potrebna, je vredno razumeti značilnosti baterij.
Kaj je torej princip katere koli baterije? V njih pride do reverzibilne reakcije pretvorbe ene snovi v drugo, zaradi katere se sproščajo elektroni. Ko se baterija napolni, pride do interakcije snovi, ki je v normalnih pogojih ne dosežemo. To lahko predstavimo kot kopičenje električne energije v snovi kot rezultat kemične reakcije. Ko se praznjenje začne, se začne obratna transformacija, ki vodi sistem v začetno stanje. Ta dva procesa skupaj tvorita en cikel polnjenja-praznjenja.
Upoštevajmo zgornji postopek na konkretnem primeru – svinčevo baterijo. Kot lahko uganete, je ta trenutni vir sestavljen iz elementa, ki vsebuje svinec (kot tudi svinčev dioksid PbO2) in kislino. Vsaka baterija je sestavljena iz elektrod in prostora med njimi, napolnjenega samo z elektrolitom. Kot zadnje je, kot smo že ugotovili, v našem primeru uporabljena žveplova kislina v koncentraciji 40 odstotkov. Katoda takšne baterije je narejena iz svinčevega dioksida, anoda pa iz čistega svinca. Vse to zato, ker se na teh dveh elektrodah pojavljajo različne reverzibilne reakcije s sodelovanjem ionov, na katere se je kislina disociirala:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(reakcija na negativni elektrodi - katodi).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (reakcija na pozitivni elektrodi - anodi).
Če beremo reakcije od leve proti desni - dobimo procese, ki se pojavijo pri praznjenju baterije, in če od desne proti levi - pri polnjenju. V vsakem kemičnem viru toka so te reakcije različne, vendar je mehanizem njihovega pojava na splošno opisan na enak način: potekata dva procesa, v enem od katerih se elektroni "absorbirajo", v drugem pa, nasprotno, " oditi". Najpomembneje je, da je število absorbiranih elektronov enako številu oddanih.
Pravzaprav, poleg baterij obstaja veliko uporab teh snovi. Na splošno so elektroliti, katerih primere smo navedli, le zrno raznolikosti snovi, ki so združene pod tem izrazom. Obkrožajo nas povsod, povsod. Vzemimo na primer človeško telo. Mislite, da teh snovi ni? Zelo se motiš. V nas so povsod, največ pa je elektrolitov v krvi. Sem spadajo na primer železovi ioni, ki so del hemoglobina in pomagajo pri transportu kisika v tkiva našega telesa. Krvni elektroliti imajo tudi ključno vlogo pri uravnavanju ravnotežja vode in soli ter delovanja srca. To funkcijo opravljajo kalijevi in natrijevi ioni (v celicah obstaja celo proces, ki se imenuje kalij-natrijeva črpalka).
Vsaka snov, ki jo lahko vsaj malo raztopite, so elektroliti. In ni te industrije in našega življenja z vami, kjekarkoli se uporabljajo. To niso samo baterije v avtomobilih in akumulatorji. To je katera koli kemična in živilska proizvodnja, vojaški obrati, tovarne oblačil in tako naprej.
Mimogrede, sestava elektrolita je drugačna. Torej je mogoče razlikovati kisli in alkalni elektrolit. Bistveno se razlikujejo po svojih lastnostih: kot smo že rekli, so kisline darovalci protonov, alkalije pa akceptorji. Toda sčasoma se sestava elektrolita spremeni zaradi izgube dela snovi, koncentracija se bodisi zmanjša ali poveča (vse je odvisno od tega, kaj se izgubi, voda ali elektrolit).
Z njimi se srečujemo vsak dan, vendar le malo ljudi natančno pozna definicijo takega izraza kot so elektroliti. Zajeli smo primere posebnih snovi, zato pojdimo na malo bolj zapletene koncepte.
Fizikalne lastnosti elektrolitov
Zdaj o fiziki. Najpomembnejša stvar, ki jo je treba razumeti pri preučevanju te teme, je, kako se tok prenaša v elektrolitih. Ioni imajo pri tem odločilno vlogo. Ti nabiti delci lahko prenašajo naboj z enega dela raztopine na drugega. Torej se anioni vedno nagibajo k pozitivni elektrodi, kationi pa k negativni. Tako z delovanjem na raztopino z električnim tokom ločimo naboje na različnih straneh sistema.
Zelo zanimiva je takšna fizična lastnost, kot je gostota. Od tega so odvisne številne lastnosti spojin, o katerih razpravljamo. In pogosto se pojavi vprašanje: "Kako povečati gostoto elektrolita?" Pravzaprav je odgovor preprost: vsebino morate znižativoda v raztopini. Ker je gostota elektrolita v veliki meri odvisna od gostote žveplove kisline, je v veliki meri odvisna od koncentracije slednje. Obstajata dva načina za izvedbo načrta. Prvi je precej preprost: zavrite elektrolit, ki ga vsebuje baterija. Če želite to narediti, ga morate napolniti tako, da se temperatura v notranjosti dvigne nekoliko nad sto stopinj Celzija. Če ta metoda ne pomaga, ne skrbite, obstaja še ena: preprosto zamenjajte stari elektrolit z novim. Če želite to narediti, odcedite staro raztopino, očistite notranjost ostankov žveplove kisline z destilirano vodo in nato vlijte novo porcijo. Praviloma imajo visokokakovostne raztopine elektrolitov takoj želeno koncentracijo. Po zamenjavi lahko dolgo časa pozabite, kako povečati gostoto elektrolita.
Sestava elektrolita v veliki meri določa njegove lastnosti. Značilnosti, kot sta električna prevodnost in gostota, so na primer zelo odvisne od narave topljenca in njegove koncentracije. Obstaja ločeno vprašanje o tem, koliko elektrolita je lahko v bateriji. Dejansko je njegova prostornina neposredno povezana z deklarirano močjo izdelka. Več kot je žveplove kisline v bateriji, močnejša je, t.j. večjo napetost lahko proizvede.
Kje pride prav?
Če ste avtomobilski navdušenec ali se samo ukvarjate z avtomobili, potem tudi sami vse razumete. Zagotovo celo veste, kako ugotoviti, koliko elektrolita je zdaj v bateriji. In če ste daleč od avtomobilov, potem znanjelastnosti teh snovi, njihova uporaba in medsebojno medsebojno delovanje sploh ne bodo odveč. Če to veste, ne boste na izgubi, če boste pozvani, da poveste, kateri elektrolit je v bateriji. Čeprav tudi če niste avtomobilski navdušenec, vendar imate avto, potem poznavanje akumulatorske naprave sploh ne bo odveč in vam bo pomagalo pri popravilih. Veliko lažje in ceneje bo vse narediti sam, kot pa iti v avtocenter.
In da bi bolje preučili to temo, priporočamo branje učbenika kemije za šole in univerze. Če dobro poznate to znanost in ste prebrali dovolj učbenikov, bi bila najboljša možnost Varypajev "Kemični tokovni viri". Podrobno opisuje celotno teorijo delovanja baterij, različnih baterij in vodikovih celic.
Sklep
Prišli smo do konca. Naj povzamemo. Zgoraj smo analizirali vse, kar je povezano s takšnim konceptom kot so elektroliti: primeri, teorija strukture in lastnosti, funkcije in aplikacije. Še enkrat velja povedati, da so te spojine del našega življenja, brez katerih naše telo in vsa področja industrije ne bi mogla obstajati. Se spomnite elektrolitov v krvi? Zahvaljujoč njim živimo. Kaj pa naši avtomobili? S tem znanjem bomo lahko odpravili vse težave, povezane z baterijo, saj zdaj razumemo, kako povečati gostoto elektrolita v njej.
Nemogoče je vse povedati in takega cilja si nismo zadali. Konec koncev, to ni vse, kar lahko rečemo o teh neverjetnih snoveh.
