Elektrolytter som kemikalier har været kendt siden oldtiden. De har dog erobret de fleste af deres anvendelsesområder relativt for nylig. Vi vil diskutere de højest prioriterede områder for industrien til at bruge disse stoffer og finde ud af, hvad sidstnævnte er, og hvordan de adskiller sig fra hinanden. Men lad os starte med en digression ind i historien.
Historie
De ældste kendte elektrolytter er s alte og syrer, der blev opdaget i den antikke verden. Imidlertid har ideer om elektrolytters struktur og egenskaber udviklet sig over tid. Teorier om disse processer har udviklet sig siden 1880'erne, hvor der blev gjort en række opdagelser relateret til teorier om elektrolytters egenskaber. Der har været adskillige kvalitative spring i teorier, der beskriver mekanismerne for vekselvirkningen mellem elektrolytter og vand (trods alt, kun i opløsning opnår de de egenskaber, som skyldes, at de bruges i industrien).
Nu vil vi i detaljer analysere flere teorier, der har haft størst indflydelse på udviklingen af ideer om elektrolytter og deres egenskaber. Og lad os starte med den mest almindelige og simple teori, som vi hver især tog i skolen.
Arrhenius Theory of Electrolytic Dissociation
i 1887Den svenske kemiker Svante Arrhenius og den russisk-tyske kemiker Wilhelm Ostwald skabte teorien om elektrolytisk dissociation. Alt er dog heller ikke så enkelt her. Arrhenius var selv tilhænger af den såkaldte fysiske teori om opløsninger, som ikke tog højde for de indgående stoffers interaktion med vand og argumenterede for, at der er frit ladede partikler (ioner) i opløsningen. Det er i øvrigt fra sådanne positioner, at elektrolytisk dissociation overvejes i skolen i dag.
Lad os stadig tale om, hvad denne teori giver, og hvordan den forklarer os mekanismen for interaktion mellem stoffer og vand. Som alle andre har hun flere postulater, som hun bruger:
1. Når stoffet interagerer med vand, nedbrydes det til ioner (positiv - kation og negativ - anion). Disse partikler gennemgår hydrering: de tiltrækker vandmolekyler, som i øvrigt er positivt ladede på den ene side og negativt ladede på den anden side (danner en dipol), som et resultat, danner de sig til vandkomplekser (solvater).
2. Dissociationsprocessen er reversibel - det vil sige, hvis stoffet er brudt op til ioner, kan det under påvirkning af eventuelle faktorer igen blive til det oprindelige.
3. Hvis du forbinder elektroder til opløsningen og starter en strøm, så vil kationerne begynde at bevæge sig mod den negative elektrode - katoden, og anionerne mod den positivt ladede - anoden. Derfor leder stoffer, der er meget opløselige i vand, elektricitet bedre end vandet selv. De kaldes også elektrolytter af samme grund.
4. Graden af dissociation af elektrolytten karakteriserer procentdelen af stoffet, der har undergået opløsning. Detteindikatoren afhænger af egenskaberne af opløsningsmidlet og selve det opløste stof, af koncentrationen af sidstnævnte og af den ydre temperatur.
Her, faktisk, og alle de grundlæggende postulater i denne simple teori. Vi vil bruge dem i denne artikel til at beskrive, hvad der sker i en elektrolytopløsning. Vi vil analysere eksempler på disse forbindelser lidt senere, men nu vil vi overveje en anden teori.
Lewis teori om syrer og baser
Ifølge teorien om elektrolytisk dissociation er en syre et stof, hvori en hydrogenkation er til stede, og en base er en forbindelse, der nedbrydes til en hydroxidanion i opløsning. Der er en anden teori opkaldt efter den berømte kemiker Gilbert Lewis. Det giver dig mulighed for at udvide begrebet syre og base noget. Ifølge Lewis-teorien er syrer ioner eller molekyler af et stof, der har frie elektronorbitaler og er i stand til at acceptere en elektron fra et andet molekyle. Det er let at gætte på, at baserne vil være sådanne partikler, der er i stand til at donere en eller flere af deres elektroner til "brugen" af syren. Det er meget interessant her, at ikke kun en elektrolyt, men også ethvert stof, selv uopløseligt i vand, kan være en syre eller base.
Brandsted-Lowry protolitisk teori
I 1923, uafhængigt af hinanden, foreslog to videnskabsmænd - J. Bronsted og T. Lowry - en teori, som nu aktivt bruges af videnskabsmænd til at beskrive kemiske processer. Essensen af denne teori er detdissociation reduceres til overførsel af en proton fra en syre til en base. Sidstnævnte forstås således her som en protonacceptor. Så er syren deres donor. Teorien forklarer også godt eksistensen af stoffer, der udviser egenskaberne af både syrer og baser. Sådanne forbindelser kaldes amfotere. I Bronsted-Lowry-teorien bruges begrebet amfolytter også om dem, mens syrer eller baser norm alt kaldes protolitter.
Vi er kommet til næste del af artiklen. Her vil vi fortælle dig, hvor stærke og svage elektrolytter adskiller sig fra hinanden og diskutere indflydelsen af eksterne faktorer på deres egenskaber. Og så vil vi begynde at beskrive deres praktiske anvendelse.
Stærke og svage elektrolytter
Hvert stof interagerer med vand individuelt. Nogle opløses godt i det (for eksempel bords alt), mens nogle slet ikke opløses (for eksempel kridt). Således opdeles alle stoffer i stærke og svage elektrolytter. Sidstnævnte er stoffer, der interagerer dårligt med vand og sætter sig i bunden af opløsningen. Det betyder, at de har en meget lav grad af dissociation og en høj bindingsenergi, som under normale forhold ikke tillader molekylet at nedbrydes til dets konstituerende ioner. Dissociationen af svage elektrolytter sker enten meget langsomt eller med en stigning i temperatur og koncentration af dette stof i opløsning.
Lad os tale om stærke elektrolytter. Disse omfatter alle opløselige s alte samt stærke syrer og baser. De bryder let op til ioner, og det er meget svært at samle dem i nedbør. Strømmen i elektrolytter ledes i øvrigtnetop på grund af ionerne i opløsningen. Derfor leder stærke elektrolytter strømmen bedst af alt. Eksempler på sidstnævnte: stærke syrer, baser, opløselige s alte.
Faktorer, der påvirker elektrolytternes adfærd
Lad os nu finde ud af, hvordan ændringer i det ydre miljø påvirker stoffernes egenskaber. Koncentrationen påvirker direkte graden af elektrolytdissociation. Desuden kan dette forhold udtrykkes matematisk. Loven, der beskriver dette forhold, kaldes Ostwald-fortyndingsloven og er skrevet som følger: a=(K / c)1/2. Her er a graden af dissociation (taget i fraktioner), K er dissociationskonstanten, som er forskellig for hvert stof, og c er koncentrationen af elektrolytten i opløsningen. Med denne formel kan du lære meget om stoffet og dets adfærd i opløsning.
Men vi afviger. Udover koncentration påvirkes graden af dissociation også af elektrolyttens temperatur. For de fleste stoffer øger en forøgelse af det opløselighed og reaktivitet. Dette kan kun forklare forekomsten af nogle reaktioner ved forhøjede temperaturer. Under normale forhold går de enten meget langsomt eller i begge retninger (en sådan proces kaldes reversibel).
Vi har analyseret de faktorer, der bestemmer opførselen af et system, såsom en elektrolytopløsning. Lad os nu gå videre til den praktiske anvendelse af disse, uden tvivl, meget vigtige kemikalier.
Industriel brug
Selvfølgelig har alle hørt ordet "elektrolyt"i forhold til batterier. Bilen bruger bly-syre-batterier, hvori elektrolytten er 40% svovlsyre. For at forstå, hvorfor dette stof overhovedet er nødvendigt der, er det værd at forstå batteriernes funktioner.
Så hvad er princippet for ethvert batteri? I dem opstår en reversibel reaktion af omdannelsen af et stof til et andet, som et resultat af hvilken elektroner frigives. Når batteriet oplades, sker der en vekselvirkning af stoffer, som ikke opnås under normale forhold. Dette kan repræsenteres som akkumulering af elektricitet i et stof som følge af en kemisk reaktion. Når udledningen begynder, begynder den omvendte transformation, hvilket fører systemet til den oprindelige tilstand. Disse to processer udgør tilsammen én opladnings-afladningscyklus.
Lad os overveje ovenstående proces på et specifikt eksempel - et bly-syre-batteri. Som du måske kan gætte, består denne nuværende kilde af et grundstof, der indeholder bly (såvel som blydioxid PbO2) og syre. Ethvert batteri består af elektroder og mellemrummet mellem dem, kun fyldt med elektrolyt. Som det sidste, som vi allerede har fundet ud af, bruges svovlsyre i vores eksempel i en koncentration på 40 procent. Katoden på et sådant batteri er lavet af blydioxid, og anoden er lavet af rent bly. Alt dette skyldes, at der forekommer forskellige reversible reaktioner på disse to elektroder med deltagelse af ioner, hvori syren er dissocieret:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(reaktion forekommer ved den negative elektrode - katode).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Reaktion ved den positive elektrode - anode).
Hvis vi læser reaktionerne fra venstre mod højre - får vi de processer, der sker, når batteriet er afladet, og hvis vi læser reaktionerne fra højre mod venstre - ved opladning. I hver kemisk strømkilde er disse reaktioner forskellige, men mekanismen for deres forekomst beskrives generelt på samme måde: to processer forekommer, hvoraf den ene elektroner "absorberes", og i den anden tværtimod " forlade". Det vigtigste er, at antallet af absorberede elektroner er lig med antallet af udsendte.
Faktisk er der ud over batterier mange anvendelser af disse stoffer. Generelt er elektrolytter, eksempler på hvilke vi har givet, blot et korn af de mange forskellige stoffer, der kombineres under dette udtryk. De omgiver os over alt, over alt. Tag for eksempel den menneskelige krop. Tror du, at disse stoffer ikke er der? Du tager meget fejl. De er over alt i os, og den største mængde er blodelektrolytter. Disse omfatter for eksempel jernioner, som er en del af hæmoglobin og hjælper med at transportere ilt til vævene i vores krop. Blodelektrolytter spiller også en nøglerolle i reguleringen af vand-s altbalance og hjertefunktion. Denne funktion udføres af kalium- og natriumioner (der er endda en proces, der foregår i celler, som kaldes kalium-natrium-pumpen).
Ethvert stof, du kan opløse selv en lille smule, er elektrolytter. Og der er ingen sådan industri og vores liv med dig, hvoruanset hvad de anvendes. Dette er ikke kun batterier i biler og batterier. Dette er enhver kemisk og fødevareproduktion, militærfabrikker, tøjfabrikker og så videre.
Sammensætningen af elektrolytten er i øvrigt anderledes. Så det er muligt at skelne sur og alkalisk elektrolyt. De adskiller sig fundament alt i deres egenskaber: som vi allerede har sagt, er syrer protondonorer, og alkalier er acceptorer. Men over tid ændres sammensætningen af elektrolytten på grund af tab af en del af stoffet, koncentrationen enten falder eller stiger (det kommer helt an på, hvad der går tabt, vand eller elektrolyt).
Vi støder på dem hver dag, men få mennesker kender nøjagtigt definitionen af et sådant udtryk som elektrolytter. Vi har dækket eksempler på specifikke stoffer, så lad os gå videre til lidt mere komplekse begreber.
Elektrolytters fysiske egenskaber
Nu om fysik. Det vigtigste at forstå, når man studerer dette emne, er, hvordan strøm overføres i elektrolytter. Ioner spiller en afgørende rolle i dette. Disse ladede partikler kan overføre ladning fra en del af opløsningen til en anden. Så anioner har altid tendens til den positive elektrode, og kationer - til den negative. Ved at virke på løsningen med en elektrisk strøm adskiller vi ladningerne på forskellige sider af systemet.
Meget interessant er sådan en fysisk egenskab som tæthed. Mange egenskaber ved de forbindelser, vi diskuterer, afhænger af det. Og spørgsmålet dukker ofte op: "Hvordan hæver man elektrolyttens tæthed?" Faktisk er svaret enkelt: du skal nedgradere indholdetvand i opløsning. Da elektrolyttens densitet i høj grad bestemmes af svovlsyrens massefylde, afhænger den i høj grad af koncentrationen af sidstnævnte. Der er to måder at udføre planen på. Den første er ret enkel: kog elektrolytten indeholdt i batteriet. For at gøre dette skal du oplade den, så temperaturen indeni stiger lidt over hundrede grader Celsius. Hvis denne metode ikke hjælper, skal du ikke bekymre dig, der er en anden: udskift blot den gamle elektrolyt med en ny. For at gøre dette skal du dræne den gamle opløsning, rense indersiden af svovlsyrerester med destilleret vand og derefter hælde en ny portion i. Som regel har højkvalitets elektrolytopløsninger straks den ønskede koncentration. Efter udskiftning kan du i lang tid glemme, hvordan du øger densiteten af elektrolytten.
Sammensætningen af elektrolytten bestemmer i høj grad dens egenskaber. Karakteristika såsom elektrisk ledningsevne og tæthed er for eksempel meget afhængige af arten af det opløste stof og dets koncentration. Der er et særskilt spørgsmål om, hvor meget elektrolyt der kan være i batteriet. Faktisk er dens volumen direkte relateret til produktets deklarerede effekt. Jo mere svovlsyre der er inde i batteriet, jo kraftigere er det, dvs. jo mere spænding kan det producere.
Hvor er det praktisk?
Hvis du er bilentusiast eller bare til biler, så forstår du selv alt. Du ved helt sikkert, hvordan du bestemmer, hvor meget elektrolyt der er i batteriet nu. Og hvis du er langt fra biler, så videnegenskaber ved disse stoffer, deres anvendelser og hvordan de interagerer med hinanden vil slet ikke være overflødige. Når du ved dette, vil du ikke være rådvild, hvis du bliver bedt om at sige, hvilken elektrolyt der er i batteriet. Selvom du ikke er en bilentusiast, men du har en bil, så vil det slet ikke være overflødigt at kende batterienheden og hjælpe dig med reparationer. Det vil være meget nemmere og billigere at gøre alt selv end at gå til autocenteret.
Og for bedre at kunne studere dette emne, anbefaler vi at læse en lærebog i kemi for skoler og universiteter. Hvis du kender denne videnskab godt og har læst nok lærebøger, ville Varypaevs "Chemical Current Sources" være den bedste mulighed. Den skitserer i detaljer hele teorien om driften af batterier, forskellige batterier og brintceller.
Konklusion
Vi er nået til slutningen. Lad os opsummere. Ovenfor har vi analyseret alt relateret til et sådant koncept som elektrolytter: eksempler, teori om struktur og egenskaber, funktioner og anvendelser. Endnu en gang er det værd at sige, at disse forbindelser er en del af vores liv, uden hvilke vores kroppe og alle industriområder ikke kunne eksistere. Kan du huske blodelektrolytter? Takket være dem lever vi. Hvad med vores biler? Med denne viden vil vi være i stand til at løse ethvert problem relateret til batteriet, da vi nu forstår, hvordan man øger tætheden af elektrolytten i det.
Det er umuligt at fortælle alt, og vi satte os ikke sådan et mål. Det er trods alt ikke alt, der kan siges om disse fantastiske stoffer.
