Elektrolyte als Chemikalien sind mit bekanntalte Zeiten. Sie haben jedoch die meisten ihrer Anwendungen erst vor relativ kurzer Zeit erobert. Wir werden die wichtigsten Bereiche für die Verwendung dieser Stoffe für die Industrie erörtern und verstehen, was diese sind und wie sie sich voneinander unterscheiden. Beginnen wir aber mit einem Exkurs in die Geschichte.
Die ältesten bekannten Elektrolyte sind Salze undSäuren in der Antike entdeckt. Im Laufe der Zeit entwickelten sich jedoch Vorstellungen über die Struktur und Eigenschaften von Elektrolyten. Die Theorien dieser Prozesse haben sich seit den 1880er Jahren entwickelt, als eine Reihe von Entdeckungen im Zusammenhang mit Theorien über die Eigenschaften von Elektrolyten gemacht wurden. Mehrere qualitative Sprünge wurden in Theorien beobachtet, die die Mechanismen der Wechselwirkung von Elektrolyten mit Wasser beschreiben (schließlich erwerben sie nur in Lösung die Eigenschaften, aufgrund derer sie in der Industrie verwendet werden).
Jetzt werden wir einige Theorien im Detail analysieren,Den größten Einfluss auf die Entwicklung von Vorstellungen über Elektrolyte und ihre Eigenschaften haben. Und beginnen wir mit der allgemeinsten und einfachsten Theorie, die jeder von uns in der Schule durchgemacht hat.
im Jahr 1887 der schwedische Chemiker Svante Arrhenius undDer russisch-deutsche Chemiker Wilhelm Ostwald entwickelte die Theorie der elektrolytischen Dissoziation. Aber auch hier ist es nicht so einfach. Arrhenius selbst war ein Befürworter der sogenannten physikalischen Lösungstheorie, die die Wechselwirkung von Bestandteilen mit Wasser nicht berücksichtigte und argumentierte, dass in der Lösung freie geladene Teilchen (Ionen) existieren. Übrigens wird von solchen Positionen aus die elektrolytische Dissoziation heutzutage in der Schule betrachtet.
Lassen Sie uns darüber sprechen, was diese Theorie gibt und wie sie uns den Mechanismus der Wechselwirkung von Substanzen mit Wasser erklärt. Wie jede andere hat sie mehrere Postulate, die sie verwendet:
1.Bei der Wechselwirkung mit Wasser zerfällt der Stoff in Ionen (Positiv - Kation und Negativ - Anion). Diese Partikel werden hydratisiert: Sie ziehen Wassermoleküle an, die im Übrigen einerseits positiv und andererseits negativ geladen sind (einen Dipol bilden) und dadurch zu Aquakomplexen (Solvaten) werden.
2. Der Dissoziationsprozess ist reversibel - das heißt, wenn eine Substanz in Ionen zerfällt, kann sie sich unter dem Einfluss einiger Faktoren wieder in die ursprüngliche verwandeln.
3.Wenn Sie Elektroden an die Lösung anschließen und Strom ablassen, bewegen sich die Kationen zur negativen Elektrode - der Kathode - und die Anionen zur positiv geladenen - der Anode. Deshalb leiten Substanzen, die in Wasser gut löslich sind, elektrischen Strom besser als Wasser selbst. Aus dem gleichen Grund wurden sie Elektrolyte genannt.
4.Der Dissoziationsgrad des Elektrolyten kennzeichnet den prozentualen Anteil der gelösten Substanz. Dieser Indikator hängt von den Eigenschaften des Lösungsmittels und der gelösten Substanz selbst, von deren Konzentration und von der Außentemperatur ab.
Hier in der Tat alle grundlegenden Lehren davoneinfache Theorie. Wir werden sie in diesem Artikel verwenden, um zu beschreiben, was in einer Elektrolytlösung passiert. Wir werden einige Zeit später Beispiele dieser Verbindungen analysieren, aber jetzt werden wir eine andere Theorie betrachten.
Nach der Theorie der elektrolytischen Dissoziation ist Säure- Dies ist ein Stoff, in dessen Lösung sich ein Wasserstoffkation befindet, und die Base ist eine Verbindung, die sich in Lösung in ein Hydroxidanion zersetzt. Es gibt eine andere Theorie, die nach dem berühmten Chemiker Gilbert Lewis benannt ist. Sie können damit das Konzept von Säure und Base etwas erweitern. Säuren sind nach der Lewis-Theorie Ionen oder Moleküle einer Substanz, die freie elektronische Orbitale haben und in der Lage sind, ein Elektron von einem anderen Molekül aufzunehmen. Es ist leicht zu erraten, dass es sich bei den Partikeln um solche handelt, die in der Lage sind, eines oder mehrere ihrer Elektronen für die "Verwendung" der Säure zu spenden. Es ist hier sehr interessant, dass die Säure oder Base nicht nur ein Elektrolyt sein kann, sondern auch eine beliebige Substanz, die sogar in Wasser unlöslich ist.
1923 zwei unabhängig voneinanderWissenschaftler - J. Bronsted und T. Lowry - schlugen eine Theorie vor, die jetzt von Wissenschaftlern aktiv zur Beschreibung chemischer Prozesse verwendet wird. Das Wesentliche dieser Theorie ist, dass die Bedeutung der Dissoziation auf die Übertragung eines Protons von einer Säure auf eine Base reduziert wird. Unter letzterem wird hier also ein Protonenakzeptor verstanden. Dann ist die Säure ihr Spender. Die Theorie erklärt auch gut die Existenz von Substanzen, die sowohl Säure- als auch Baseneigenschaften aufweisen. Solche Verbindungen werden amphoter genannt. In der Bronsted-Lowry-Theorie wird für sie auch der Begriff Ampholyte verwendet, während Säure oder Basen üblicherweise als Protolithen bezeichnet werden.
Wir kommen zum nächsten Teil des Artikels.Hier werden wir den Unterschied zwischen starken und schwachen Elektrolyten beschreiben und den Einfluss äußerer Faktoren auf deren Eigenschaften diskutieren. Und dann beschreiben wir ihre praktische Anwendung.
Каждое вещество взаимодействует с водой einzeln. Einige lösen sich darin gut auf (z. B. Tafelsalz), andere lösen sich überhaupt nicht auf (z. B. Kreide). Somit werden alle Substanzen in starke und schwache Elektrolyte unterteilt. Letztere sind Substanzen, die schlecht mit Wasser interagieren und sich am Boden der Lösung absetzen. Dies bedeutet, dass sie einen sehr geringen Dissoziationsgrad und eine hohe Bindungsenergie aufweisen, wodurch das Molekül unter normalen Bedingungen nicht in seine Ionenbestandteile zerfallen kann. Die Dissoziation schwacher Elektrolyte erfolgt entweder sehr langsam oder mit zunehmender Temperatur und Konzentration dieser Substanz in Lösung.
Sprechen Sie über starke Elektrolyte.Hierzu zählen alle löslichen Salze sowie starke Säuren und Laugen. Sie zerfallen leicht in Ionen, und es ist sehr schwierig, sie im Niederschlag zu sammeln. Der Strom in Elektrolyten wird übrigens genau dank der in der Lösung enthaltenen Ionen ausgeführt. Starke Elektrolyte leiten daher am besten Strom. Beispiele für letztere: starke Säuren, Laugen, lösliche Salze.
Nun wollen wir sehen, wie sich das Äußere ändertUmwelt auf die Eigenschaften von Stoffen. Die Konzentration beeinflusst direkt den Grad der Elektrolytdissoziation. Darüber hinaus kann dieses Verhältnis mathematisch ausgedrückt werden. Das Gesetz, das diese Beziehung beschreibt, heißt Ostwald-Verdünnungsgesetz und lautet: a = (K / c)1/2. Hier ist a der Dissoziationsgrad (aufgenommen inFraktionen), K ist die Dissoziationskonstante, die für jede Substanz unterschiedlich ist, und c ist die Konzentration des Elektrolyten in Lösung. Mit dieser Formel können Sie viel über den Stoff und sein Verhalten in Lösung lernen.
Aber wir sind vom Thema abgewichen.Der Dissoziationsgrad wird neben der Konzentration auch von der Temperatur des Elektrolyten beeinflusst. Bei den meisten Substanzen erhöht seine Erhöhung die Löslichkeit und die chemische Aktivität. Dies kann den Verlauf einiger Reaktionen nur bei erhöhten Temperaturen erklären. Unter normalen Bedingungen gehen sie entweder sehr langsam oder in beide Richtungen (ein solcher Vorgang wird als reversibel bezeichnet).
Wir haben die Faktoren untersucht, die das Verhalten eines solchen Systems als Elektrolytlösung bestimmen. Wir wenden uns nun der praktischen Anwendung dieser zweifellos sehr wichtigen Chemikalien zu.
Natürlich hörte jeder das Wort "Elektrolyt"in Bezug auf Batterien. Das Auto verwendet Blei-Säure-Batterien, in denen 40 Prozent Schwefelsäure die Rolle eines Elektrolyten spielen. Um zu verstehen, warum diese Substanz überhaupt benötigt wird, sollten Sie die Eigenschaften der Batterie kennen.
Wie funktioniert eine Batterie?In ihnen findet eine reversible Reaktion der Umwandlung einer Substanz in eine andere statt, wodurch Elektronen freigesetzt werden. Beim Laden des Akkus kommt es zu einer Wechselwirkung von Substanzen, die unter normalen Bedingungen nicht funktioniert. Dies kann als Akkumulation von Elektrizität in einem Stoff infolge einer chemischen Reaktion dargestellt werden. Während einer Entladung beginnt die Rücktransformation, die das System in den Ausgangszustand führt. Diese beiden Prozesse bilden zusammen einen Lade-Entlade-Zyklus.
Betrachten Sie den obigen Prozess auf einem bestimmtenEin Beispiel ist eine Blei-Säure-Batterie. Wie Sie sich vorstellen können, besteht diese Stromquelle aus einem Element, das Blei (sowie Bleidioxid PbO) enthält2) und Säuren.Jede Batterie besteht aus Elektroden und dem Raum dazwischen, der nur mit Elektrolyt gefüllt ist. Als letztere wird, wie wir bereits herausgefunden haben, in unserem Beispiel Schwefelsäure mit einer Konzentration von 40 Prozent verwendet. Die Kathode einer solchen Batterie besteht aus Bleidioxid und die Anode aus reinem Blei. All dies, weil an diesen beiden Elektroden unter Beteiligung von Ionen, an denen die Säure dissoziiert, unterschiedliche reversible Reaktionen stattfinden:
Wenn Sie die Reaktionen von links nach rechts lesen, erhalten wirProzesse, die auftreten, wenn der Akku entladen ist und wenn von rechts nach links - beim Laden. In jeder chemischen Stromquelle sind diese Reaktionen unterschiedlich, aber der Mechanismus ihres Verlaufs wird im Allgemeinen auf die gleiche Weise beschrieben: Es treten zwei Prozesse auf, bei denen die einen Elektronen "absorbiert" werden und die anderen im Gegenteil "austreten". Das Wichtigste ist, dass die Anzahl der absorbierten Elektronen der Anzahl der emittierten Elektronen entspricht.
Tatsächlich gibt es neben Batterien eine MasseAnwendungen dieser Substanzen. Im Allgemeinen sind Elektrolyte, deren Beispiele wir angeführt haben, nur ein Körnchen der Vielzahl von Substanzen, die unter diesem Begriff kombiniert werden. Sie umgeben uns überall und überall. Zum Beispiel der menschliche Körper. Sie denken, diese Substanzen sind nicht da? Sehr falsch. Sie sind überall in uns und die größte Anzahl sind Blutelektrolyte. Dazu gehören beispielsweise Eisenionen, die Teil des Hämoglobins sind und den Sauerstofftransport zu den Geweben unseres Körpers unterstützen. Blutelektrolyte spielen auch eine Schlüsselrolle bei der Regulierung des Wasser-Salz-Gleichgewichts und der Herzfunktion. Diese Funktion übernehmen Kalium- und Natriumionen (es gibt sogar einen Prozess in den Zellen, der als Kalium-Natrium-Pumpe bezeichnet wird).
Alle Substanzen, die Sie auflösen könnenZumindest ein wenig - Elektrolyte. Und es gibt keine solche Industrie und unser Leben, wo immer sie eingesetzt werden. Dies sind nicht nur Batterien in Autos und Batterien. Dies ist jede chemische und Nahrungsmittelproduktion, Militärfabriken, Bekleidungsfabriken und so weiter.
Die Zusammensetzung des Elektrolyten ist übrigens unterschiedlich.So ist es möglich, sauren und alkalischen Elektrolyten zu unterscheiden. Sie unterscheiden sich grundlegend in ihren Eigenschaften: Wie bereits gesagt, sind Säuren Protonendonoren und Alkalien Akzeptoren. Mit der Zeit ändert sich jedoch die Zusammensetzung des Elektrolyten aufgrund des Verlusts eines Teils der Substanz. Die Konzentration nimmt entweder ab oder zu (alles hängt davon ab, was verloren geht, Wasser oder Elektrolyt).
Jeden Tag stoßen wir auf sie, aber nur wenige Menschen kennen die Definition eines solchen Begriffs wie Elektrolyte mit Sicherheit. Wir haben Beispiele für bestimmte Substanzen analysiert, daher werden wir uns etwas komplexeren Konzepten zuwenden.
Nun zur Physik.Das Wichtigste, was Sie beim Studium dieses Themas verstehen sollten, ist, wie Strom in Elektrolyten übertragen wird. Die entscheidende Rolle spielen dabei Ionen. Diese geladenen Teilchen können Ladung von einem Teil der Lösung auf einen anderen übertragen. Anionen tendieren also immer zu einer positiven und Kationen zu einer negativen Elektrode. Wenn wir also mit elektrischem Strom auf die Lösung einwirken, trennen wir die Ladungen auf verschiedenen Seiten des Systems.
Diese physikalische Eigenschaft ist sehr interessant,wie Dichte. Viele Eigenschaften der Verbindungen, die wir diskutieren, hängen davon ab. Und oft taucht die Frage auf: "Wie kann man die Dichte des Elektrolyten erhöhen?" Tatsächlich ist die Antwort einfach: Sie müssen den Wassergehalt in der Lösung senken. Da die Dichte des Elektrolyten weitgehend durch die Dichte der Schwefelsäure bestimmt wird, hängt sie hauptsächlich von deren Konzentration ab. Es gibt zwei Möglichkeiten, Ihren Plan umzusetzen. Das erste ist ganz einfach: Kochen Sie den in der Batterie enthaltenen Elektrolyten. Dazu müssen Sie es aufladen, damit die Innentemperatur etwas über hundert Grad Celsius steigt. Wenn diese Methode nicht hilft, machen Sie sich keine Sorgen, es gibt noch eine weitere Sache: Ersetzen Sie einfach den alten Elektrolyten durch einen neuen. Dazu müssen Sie die alte Lösung abtropfen lassen, die Innenseiten mit destilliertem Wasser von den Resten der Schwefelsäure reinigen und dann eine neue Portion einfüllen. Hochwertige Elektrolytlösungen haben in der Regel sofort den gewünschten Konzentrationswert. Nach dem Austausch können Sie für längere Zeit vergessen, wie Sie die Dichte des Elektrolyten erhöhen können.
Die Elektrolytzusammensetzung bestimmt maßgeblich desseneigenschaften. Eigenschaften wie beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit und Dichte hängen stark von der Art des gelösten Stoffes und seiner Konzentration ab. Es gibt eine separate Frage, wie viel Elektrolyt in der Batterie sein kann. Tatsächlich steht sein Volumen in direktem Zusammenhang mit der angegebenen Leistung des Produkts. Je mehr Schwefelsäure sich in der Batterie befindet, desto stärker ist sie, dh desto mehr Spannung kann sie erzeugen.
Wenn Sie ein Auto-Enthusiast oder einfach nur süchtig sindAutos, dann verstehst du selbst alles. Sicher wissen Sie sogar, wie viel Elektrolyt sich jetzt in der Batterie befindet. Und wenn Sie sich von Autos fernhalten, ist die Kenntnis der Eigenschaften dieser Substanzen, ihrer Verwendung und ihrer Wechselwirkung nicht überflüssig. Wenn Sie dies wissen, werden Sie nicht ratlos sein, wenn Sie gefragt werden, welcher Elektrolyt in der Batterie ist. Auch wenn Sie kein Auto-Enthusiast sind, aber ein Auto haben, ist die Kenntnis der Batterievorrichtung nicht überflüssig und hilft Ihnen bei der Reparatur. Es wird viel einfacher und billiger sein, alles selbst zu machen, als zum Autocenter zu gehen.
Und um dieses Thema besser zu studieren, empfehlen wirLesen Sie ein Chemielehrbuch für Schulen und Universitäten. Wenn Sie diese Wissenschaft gut kennen und genügend Lehrbücher gelesen haben, ist die beste Option Varypaevs chemische Stromquellen. Es wird im Detail die gesamte Theorie des Betriebs von Batterien, verschiedenen Batterien und Wasserstoffelementen erläutert.
Wir sind zu Ende gegangen. Um es zusammenzufassen.Oben haben wir alles analysiert, was mit dem Konzept der Elektrolyte zu tun hat: Beispiele, Theorie der Struktur und Eigenschaften, Funktionen und Anwendungen. Noch einmal, es ist erwähnenswert, dass diese Verbindungen Teil unseres Lebens sind, ohne die unser Körper und alle Bereiche der Industrie nicht existieren könnten. Erinnerst du dich an Blutelektrolyte? Dank ihnen leben wir. Was ist mit unseren Autos? Mithilfe dieses Wissens können wir alle Probleme im Zusammenhang mit der Batterie beheben, da wir jetzt verstehen, wie die Dichte des darin enthaltenen Elektrolyten erhöht werden kann.
Es ist unmöglich, alles zu erzählen, und wir haben uns kein solches Ziel gesetzt. Schließlich ist dies alles andere als alles, was über diese erstaunlichen Substanzen gesagt werden kann.
