Elektrolity jako substancje chemiczne są znane od czasów starożytnych. Jednak stosunkowo niedawno podbili większość swoich obszarów zastosowań. Omówimy obszary o najwyższym priorytecie dla przemysłu w zakresie stosowania tych substancji i dowiemy się, czym one są i czym się od siebie różnią. Ale zacznijmy od dygresji do historii.
Historia
Najstarsze znane elektrolity to sole i kwasy odkryte w starożytnym świecie. Jednak pomysły dotyczące struktury i właściwości elektrolitów ewoluowały z biegiem czasu. Teorie tych procesów ewoluowały od lat 80. XIX wieku, kiedy dokonano szeregu odkryć związanych z teoriami właściwości elektrolitów. Nastąpiło kilka skoków jakościowych w teoriach opisujących mechanizmy oddziaływania elektrolitów z wodą (w końcu dopiero w roztworze uzyskują one właściwości, dzięki którym są wykorzystywane w przemyśle).
Teraz szczegółowo przeanalizujemy kilka teorii, które miały największy wpływ na rozwój idei dotyczących elektrolitów i ich właściwości. I zacznijmy od najpowszechniejszej i najprostszej teorii, którą każdy z nas przyjął w szkole.
Teoria dysocjacji elektrolitycznej Arrheniusa
w 1887Szwedzki chemik Svante Arrhenius i rosyjsko-niemiecki chemik Wilhelm Ostwald stworzyli teorię dysocjacji elektrolitycznej. Jednak tutaj też nie wszystko jest takie proste. Sam Arrhenius był zwolennikiem tzw. fizycznej teorii roztworów, która nie uwzględniała oddziaływania substancji składowych z wodą i twierdziła, że w roztworze znajdują się swobodne cząstki (jony). Nawiasem mówiąc, to właśnie z takich pozycji rozważa się dziś w szkole dysocjację elektrolityczną.
Porozmawiajmy jeszcze o tym, co daje ta teoria i jak wyjaśnia nam mechanizm oddziaływania substancji z wodą. Jak wszyscy, ma kilka postulatów, których używa:
1. Podczas interakcji z wodą substancja rozkłada się na jony (dodatni - kation i ujemny - anion). Cząsteczki te ulegają hydratacji: przyciągają cząsteczki wody, które notabene są z jednej strony naładowane dodatnio, a z drugiej ujemnie (tworzą dipol), w wyniku czego tworzą się wodne kompleksy (solwaty).
2. Proces dysocjacji jest odwracalny - to znaczy, jeśli substancja rozpadła się na jony, to pod wpływem jakichkolwiek czynników może ponownie zamienić się w pierwotną.
3. Jeśli podłączysz elektrody do roztworu i uruchomisz prąd, to kationy zaczną przemieszczać się w kierunku elektrody ujemnej - katody, a aniony w kierunku dodatnio naładowanej - anody. Dlatego substancje dobrze rozpuszczalne w wodzie przewodzą elektryczność lepiej niż sama woda. Z tego samego powodu nazywane są również elektrolitami.
4. Stopień dysocjacji elektrolitu charakteryzuje procent substancji, która uległa rozpuszczeniu. Tenwskaźnik zależy od właściwości rozpuszczalnika i samej substancji rozpuszczonej, od stężenia tego ostatniego oraz od temperatury zewnętrznej.
Tu faktycznie, i wszystkie podstawowe postulaty tej prostej teorii. Wykorzystamy je w tym artykule, aby opisać, co dzieje się w roztworze elektrolitu. Nieco później przeanalizujemy przykłady tych związków, ale teraz rozważymy inną teorię.
Teoria Lewisa kwasów i zasad
Zgodnie z teorią dysocjacji elektrolitycznej kwas to substancja, w której występuje kation wodorowy, a zasada to związek rozkładający się w roztworze na anion wodorotlenkowy. Istnieje inna teoria nazwana na cześć słynnego chemika Gilberta Lewisa. Pozwala nieco rozszerzyć pojęcie kwasu i zasady. Zgodnie z teorią Lewisa kwasy to jony lub cząsteczki substancji, które mają orbitale wolnych elektronów i są w stanie przyjąć elektron z innej cząsteczki. Łatwo się domyślić, że bazami będą takie cząstki, które będą w stanie oddać jeden lub więcej swoich elektronów do „użytkowania” kwasu. To bardzo ciekawe, że kwasem lub zasadą może być nie tylko elektrolit, ale także każda substancja, nawet nierozpuszczalna w wodzie.
Teoria protolityczna Brandsteda-Lowry'ego
W 1923, niezależnie od siebie, dwóch naukowców - J. Bronsted i T. Lowry - zaproponowało teorię, która jest obecnie aktywnie wykorzystywana przez naukowców do opisu procesów chemicznych. Istotą tej teorii jest to, żedysocjacja sprowadza się do przeniesienia protonu z kwasu na zasadę. Tak więc ten ostatni jest tutaj rozumiany jako akceptor protonów. Wtedy kwas jest ich dawcą. Teoria dobrze wyjaśnia również istnienie substancji wykazujących właściwości zarówno kwasów, jak i zasad. Takie związki nazywane są amfoterycznymi. W teorii Bronsteda-Lowry'ego używa się dla nich również terminu amfolity, podczas gdy kwasy lub zasady są zwykle nazywane protolitami.
Przeszliśmy do następnej części artykułu. Tutaj opowiemy, czym różnią się od siebie mocne i słabe elektrolity oraz omówimy wpływ czynników zewnętrznych na ich właściwości. A potem zaczniemy opisywać ich praktyczne zastosowanie.
Silne i słabe elektrolity
Każda substancja oddziałuje z wodą indywidualnie. Niektóre dobrze się w nim rozpuszczają (na przykład sól kuchenna), a niektóre w ogóle się nie rozpuszczają (na przykład kreda). W ten sposób wszystkie substancje dzielą się na mocne i słabe elektrolity. Te ostatnie to substancje słabo oddziałujące z wodą i osadzające się na dnie roztworu. Oznacza to, że mają bardzo niski stopień dysocjacji i wysoką energię wiązania, co w normalnych warunkach nie pozwala na rozkład cząsteczki na jej składowe jony. Dysocjacja słabych elektrolitów zachodzi albo bardzo powoli, albo wraz ze wzrostem temperatury i stężenia tej substancji w roztworze.
Porozmawiajmy o mocnych elektrolitach. Należą do nich wszystkie rozpuszczalne sole, a także mocne kwasy i zasady. Łatwo rozpadają się na jony i bardzo trudno je zebrać podczas opadów atmosferycznych. Nawiasem mówiąc, prąd w elektrolitach jest przewodzonywłaśnie z powodu jonów zawartych w roztworze. Dlatego mocne elektrolity najlepiej przewodzą prąd. Przykłady tych ostatnich: mocne kwasy, zasady, rozpuszczalne sole.
Czynniki wpływające na zachowanie elektrolitów
Teraz zastanówmy się, jak zmiany w środowisku zewnętrznym wpływają na właściwości substancji. Stężenie bezpośrednio wpływa na stopień dysocjacji elektrolitu. Co więcej, stosunek ten można wyrazić matematycznie. Prawo opisujące tę zależność nazywa się prawem rozcieńczenia Ostwalda i jest zapisane w następujący sposób: a=(K / c)1/2. Tutaj a jest stopniem dysocjacji (wzięty we frakcjach), K jest stałą dysocjacji, która jest różna dla każdej substancji, a c jest stężeniem elektrolitu w roztworze. Dzięki tej formule możesz się wiele dowiedzieć o substancji i jej zachowaniu w roztworze.
Ale robimy dygresję. Oprócz stężenia na stopień dysocjacji wpływa również temperatura elektrolitu. W przypadku większości substancji jej zwiększenie zwiększa rozpuszczalność i reaktywność. To może tłumaczyć występowanie niektórych reakcji tylko w podwyższonych temperaturach. W normalnych warunkach poruszają się one albo bardzo wolno, albo w obu kierunkach (ten proces nazywa się odwracalnym).
Przeanalizowaliśmy czynniki, które determinują zachowanie systemu, takiego jak roztwór elektrolitu. Przejdźmy teraz do praktycznego zastosowania tych bez wątpienia bardzo ważnych substancji chemicznych.
Zastosowanie przemysłowe
Oczywiście wszyscy słyszeli słowo „elektrolit”w stosunku do baterii. W samochodzie zastosowano akumulatory kwasowo-ołowiowe, w których elektrolitem jest 40% kwas siarkowy. Aby zrozumieć, dlaczego ta substancja jest tam w ogóle potrzebna, warto poznać cechy baterii.
Jaka jest więc zasada działania każdej baterii? W nich zachodzi odwracalna reakcja przemiany jednej substancji w drugą, w wyniku której uwalniane są elektrony. Podczas ładowania akumulatora dochodzi do interakcji substancji, która nie jest uzyskiwana w normalnych warunkach. Można to przedstawić jako akumulację elektryczności w substancji w wyniku reakcji chemicznej. Kiedy zaczyna się wyładowanie, rozpoczyna się transformacja odwrotna, prowadząca system do stanu początkowego. Te dwa procesy razem tworzą jeden cykl ładowania-rozładowania.
Rozważmy powyższy proces na konkretnym przykładzie - akumulator kwasowo-ołowiowy. Jak można się domyślić, to źródło prądu składa się z pierwiastka zawierającego ołów (a także dwutlenek ołowiu PbO2) i kwas. Każda bateria składa się z elektrod i przestrzeni między nimi wypełnionej tylko elektrolitem. Jako ostatni, jak już się dowiedzieliśmy, w naszym przykładzie stosuje się kwas siarkowy w stężeniu 40 proc. Katoda takiego akumulatora wykonana jest z dwutlenku ołowiu, a anoda z czystego ołowiu. Wszystko to dlatego, że na tych dwóch elektrodach zachodzą odmienne reakcje odwracalne z udziałem jonów w których kwas się zdysocjował:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(reakcja zachodząca na elektrodzie ujemnej - katodzie).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Reakcja na elektrodzie dodatniej - anodzie).
Jeśli czytamy reakcje od lewej do prawej - otrzymamy procesy, które zachodzą przy rozładowaniu akumulatora, a jeśli od prawej do lewej - podczas ładowania. W każdym chemicznym źródle prądu reakcje te są różne, ale mechanizm ich występowania jest ogólnie opisany w ten sam sposób: zachodzą dwa procesy, z których w jednym elektrony są „pochłaniane”, a w drugim wręcz przeciwnie „ Odejdź . Najważniejsze jest to, aby liczba elektronów zaabsorbowanych była równa liczbie elektronów wyemitowanych.
W rzeczywistości, oprócz baterii, istnieje wiele zastosowań tych substancji. Ogólnie rzecz biorąc, elektrolity, których przykłady podaliśmy, są tylko ziarnem różnorodności substancji, które łączy się pod tym terminem. Otaczają nas wszędzie, wszędzie. Weźmy na przykład ludzkie ciało. Czy uważasz, że tych substancji nie ma? Bardzo się mylisz. Są w nas wszędzie, a najwięcej elektrolitów we krwi. Należą do nich np. jony żelaza, które wchodzą w skład hemoglobiny i pomagają transportować tlen do tkanek naszego organizmu. Elektrolity krwi odgrywają również kluczową rolę w regulacji równowagi wodno-solnej i pracy serca. Funkcję tę pełnią jony potasu i sodu (istnieje nawet proces zachodzący w komórkach, który nazywa się pompą potasowo-sodową).
Każda substancja, którą możesz nawet trochę rozpuścić, to elektrolity. I nie ma takiej branży i naszego życia z Wami, gdziecokolwiek są stosowane. To nie tylko akumulatory w samochodach i akumulatory. Jest to dowolna produkcja chemiczna i spożywcza, zakłady wojskowe, fabryki odzieży i tak dalej.
Nawiasem mówiąc, skład elektrolitu jest inny. Można więc odróżnić elektrolit kwaśny i zasadowy. Zasadniczo różnią się one właściwościami: jak już powiedzieliśmy, kwasy są dawcami protonów, a zasady akceptorami. Ale z biegiem czasu skład elektrolitu zmienia się z powodu utraty części substancji, stężenie albo maleje, albo wzrasta (wszystko zależy od tego, co jest tracone, woda lub elektrolit).
Spotykamy się z nimi codziennie, ale niewiele osób zna dokładnie definicję takiego terminu jak elektrolity. Omówiliśmy przykłady konkretnych substancji, więc przejdźmy do nieco bardziej złożonych koncepcji.
Właściwości fizyczne elektrolitów
Teraz o fizyce. Najważniejszą rzeczą do zrozumienia podczas studiowania tego tematu jest sposób przesyłania prądu w elektrolitach. Jony odgrywają w tym decydującą rolę. Te naładowane cząstki mogą przenosić ładunek z jednej części roztworu do drugiej. Tak więc aniony zawsze mają tendencję do elektrody dodatniej, a kationy do elektrody ujemnej. W ten sposób, działając na rozwiązanie z prądem elektrycznym, oddzielamy ładunki po różnych stronach układu.
Bardzo interesująca jest taka fizyczna cecha jak gęstość. Od tego zależy wiele właściwości omawianych przez nas związków. I często pojawia się pytanie: „Jak zwiększyć gęstość elektrolitu?” W rzeczywistości odpowiedź jest prosta: musisz obniżyć poziom treściwoda w roztworze. Ponieważ gęstość elektrolitu w dużej mierze zależy od gęstości kwasu siarkowego, w dużej mierze zależy od jego stężenia. Plan można zrealizować na dwa sposoby. Pierwsza jest dość prosta: zagotuj elektrolit zawarty w akumulatorze. Aby to zrobić, musisz go naładować, aby temperatura wewnątrz wzrosła nieco powyżej stu stopni Celsjusza. Jeśli ta metoda nie pomoże, nie martw się, jest jeszcze jedna: po prostu wymień stary elektrolit na nowy. Aby to zrobić, spuść stary roztwór, wyczyść wnętrze pozostałości kwasu siarkowego wodą destylowaną, a następnie wlej nową porcję. Z reguły wysokiej jakości roztwory elektrolitów natychmiast uzyskują pożądane stężenie. Po wymianie na długo można zapomnieć o tym, jak zwiększyć gęstość elektrolitu.
Skład elektrolitu w dużej mierze determinuje jego właściwości. Charakterystyki, takie jak na przykład przewodność elektryczna i gęstość, w dużym stopniu zależą od natury substancji rozpuszczonej i jej stężenia. Osobne pytanie dotyczy tego, ile elektrolitu może znajdować się w akumulatorze. W rzeczywistości jego objętość jest bezpośrednio związana z deklarowaną mocą produktu. Im więcej kwasu siarkowego w akumulatorze, tym jest on mocniejszy, tj. tym większe napięcie może wytworzyć.
Gdzie to się przydaje?
Jeśli jesteś entuzjastą samochodów lub po prostu jeździsz samochodami, sam wszystko rozumiesz. Na pewno wiesz nawet, jak określić, ile elektrolitu jest teraz w akumulatorze. A jeśli jesteś daleko od samochodów, to wiedzawłaściwości tych substancji, ich zastosowania i sposób, w jaki wchodzą ze sobą w interakcje, wcale nie będą zbyteczne. Wiedząc o tym, nie będziesz zagubiony, jeśli zostaniesz poproszony o określenie, który elektrolit jest w akumulatorze. Chociaż nawet jeśli nie jesteś entuzjastą samochodów, ale masz samochód, znajomość urządzenia akumulatorowego wcale nie będzie zbyteczna i pomoże ci w naprawach. O wiele łatwiej i taniej będzie zrobić wszystko samemu, niż udać się do autocentrum.
Aby lepiej poznać ten temat, zalecamy przeczytanie podręcznika chemii dla szkół i uniwersytetów. Jeśli dobrze znasz tę naukę i przeczytałeś wystarczającą liczbę podręczników, najlepszą opcją byłoby „Chemiczne źródła prądu” Warypajewa. Przedstawia szczegółowo całą teorię działania baterii, różnych baterii i ogniw wodorowych.
Wniosek
Doszliśmy do końca. Podsumujmy. Powyżej przeanalizowaliśmy wszystko, co dotyczy takiego pojęcia jak elektrolity: przykłady, teoria budowy i właściwości, funkcje i zastosowania. Jeszcze raz warto powiedzieć, że związki te są częścią naszego życia, bez której nasz organizm i wszystkie dziedziny przemysłu nie mogłyby istnieć. Pamiętasz elektrolity we krwi? Dzięki nim żyjemy. A co z naszymi samochodami? Dzięki tej wiedzy będziemy w stanie rozwiązać każdy problem związany z akumulatorem, ponieważ teraz rozumiemy, jak zwiększyć gęstość zawartego w nim elektrolitu.
Nie można opowiedzieć wszystkiego, a nie wyznaczyliśmy sobie takiego celu. W końcu to nie wszystko, co można powiedzieć o tych niesamowitych substancjach.
