Elektrolyytit kemikaalina tunnetaanmuinaisina aikoina. Suurin osa sovelluksistaan on kuitenkin vallannut suhteellisen äskettäin. Keskustelemme tärkeimmistä alueista näiden aineiden käytölle teollisuudessa ja ymmärrämme, mitkä viimeksi mainitut ovat ja miten ne eroavat toisistaan. Mutta aloitetaan murtautumisesta historiaan.
Vanhimmat tunnetut elektrolyytit ovat suoloja jamuinaisessa maailmassa löydetyt hapot. Ajatukset elektrolyyttien rakenteesta ja ominaisuuksista kehittyivät kuitenkin ajan myötä. Näiden prosessien teoriat ovat kehittyneet 1880-luvulta lähtien, jolloin tehtiin joukko löytöjä, jotka liittyivät elektrolyyttien ominaisuuksien teorioihin. Elektrolyyttien ja veden vuorovaikutusmekanismeja kuvaavissa teorioissa havaittiin useita laadullisia harppauksia (loppujen lopuksi ne vain saavat aikaan ratkaisun, jonka vuoksi niitä käytetään teollisuudessa).
Nyt analysoimme yksityiskohtaisesti useita teorioita,joilla on suurin vaikutus elektrolyyttejä ja niiden ominaisuuksia koskevien ideoiden kehittämiseen. Ja aloitetaan yleisimmällä ja yksinkertaisella teorialla, jonka jokainen meistä kävi läpi koulussa.
в 1887 году шведский химик Сванте Аррениус и Venäläis-saksalainen kemisti Wilhelm Ostwald loi elektrolyyttisen dissosiaation teorian. Myöskään täällä ei ole niin yksinkertaista. Arrhenius itse tuki ratkaisujen ns. Fysikaalista teoriaa, joka ei ottanut huomioon aineosien vuorovaikutusta veden kanssa ja väitti, että ratkaisussa on vapaasti varautuneita hiukkasia (ioneja). Muuten, elektrolyyttistä dissosiaatiota pidetään nykyään kouluissa sellaisista asemista.
Puhutaanpa siitä, mitä tämä teoria antaa ja kuinka se selittää meille aineiden vuorovaikutuksen mekanismin veden kanssa. Kuten missään muussakin, hänellä on useita käyttämiä postulaatteja:
1.Veden kanssa vuorovaikutuksessa aine hajoaa ioneiksi (positiivinen kationi ja negatiivinen anioni). Nämä hiukkaset hydratoituvat: ne houkuttelevat vesimolekyylejä, jotka muuten ovat positiivisesti varautuneita toisaalta ja negatiivisesti (toisaalta (muodostavat dipolin)), ja sen seurauksena ne muodostuvat vesikomplekseiksi (solvaatteiksi).
2. Dissosiaatioprosessi on palautuva - ts. Jos aine on hajonnut ioneiksi, se voi minkä tahansa tekijän vaikutuksesta muuttua taas alkuperäiseksi.
3.Jos liität elektrodit liuokseen ja käynnistät virran, kationit alkavat liikkua negatiiviseen elektrodiin - katodiin ja anionit positiivisesti varautuneeseen - anodiin. Siksi vedessä hyvin liukenevat aineet johtavat sähkövirtaa paremmin kuin vesi itse. Samasta syystä niitä kutsuttiin elektrolyyteiksi.
4.Elektrolyytin dissosiaatiotaso kuvaa liukenemisen läpikäyneen aineen prosenttiosuutta. Tämä indikaattori riippuu liuottimen ja itse liuenneen aineen ominaisuuksista, jälkimmäisen pitoisuudesta ja ulkoisesta lämpötilasta.
Nämä ovat itse asiassa kaikki tämän tärkeimmät postulaatitmutkaton teoria. Käytämme niitä tässä artikkelissa kuvaamaan mitä tapahtuu elektrolyyttiliuoksessa. Analysoimme esimerkkejä näistä yhdisteistä hieman myöhemmin, mutta nyt tarkastelemme toista teoriaa.
Elektrolyyttisen dissosiaation teorian mukaan happoon aine liuoksessa, jossa on vetykationia, ja emäs on yhdiste, joka hajoaa liuoksessa hydroksidianioniksi. On toinenkin teoria, jonka nimi on kuuluisa kemisti Gilbert Lewis. Sen avulla voit laajentaa hieman hapon ja emäksen käsitettä. Lewisin teorian mukaan hapot ovat aineen ioneja tai molekyylejä, joilla on vapaita elektroni-orbitaaleja ja jotka kykenevät hyväksymään elektronin toisesta molekyylistä. On helppo arvata, että emäkset ovat ne hiukkaset, jotka kykenevät lahjoittamaan yhden tai useamman elektronin hapolle "käyttöä varten". On erittäin mielenkiintoista, että happo tai emäs voi olla paitsi elektrolyytti, myös mikä tahansa aine, jopa veteen liukenematon.
Vuonna 1923 kaksi toisistaan riippumattatutkijat - J.Bronsted ja T.Lowry - ehdottivat teoriaa, jota tutkijat käyttävät nyt aktiivisesti kemiallisten prosessien kuvaamiseen. Tämän teorian ydin on, että dissosiaation merkitys supistuu protonin siirtymiseksi haposta emäkseksi. Siten jälkimmäinen ymmärretään tässä protoniakteptoriksi. Sitten happo on niiden luovuttaja. Teoria selittää myös hyvin sellaisten aineiden olemassaolon, joilla on sekä happojen että emästen ominaisuuksia. Tällaisia yhdisteitä kutsutaan amfoteerisiksi. Bronsted-Lowry-teoriassa termiä amfolyytit käytetään myös niihin, kun taas happoa tai emäksiä kutsutaan yleensä protoliiteiksi.
Olemme päässeet artikkelin seuraavaan osaan.Tässä kerromme sinulle kuinka vahvat ja heikot elektrolyytit eroavat toisistaan ja keskustelemme ulkoisten tekijöiden vaikutuksesta niiden ominaisuuksiin. Ja sitten alamme kuvata niiden käytännön soveltamista.
Jokainen aine on vuorovaikutuksessa veden kanssaerikseen. Jotkut liukenevat siihen hyvin (esimerkiksi pöytäsuola), ja jotkut eivät liukene lainkaan (esimerkiksi liitu). Siten kaikki aineet on jaettu voimakkaisiin ja heikkoihin elektrolyytteihin. Jälkimmäiset ovat aineita, jotka ovat huonosti vuorovaikutuksessa veden kanssa ja asettuvat liuoksen pohjaan. Tämä tarkoittaa, että niillä on hyvin matala dissosiaatiotaso ja korkea sidosenergia, mikä ei salli molekyylin hajoamista sen muodostaviksi ioneiksi normaaleissa olosuhteissa. Heikojen elektrolyyttien dissosiaatio tapahtuu joko hyvin hitaasti tai tämän aineen lämpötilan ja pitoisuuden noustessa liuoksessa.
Puhutaan voimakkaista elektrolyytteistä.Näihin kuuluvat kaikki liukoiset suolat sekä vahvat hapot ja emäkset. Ne hajoavat helposti ioneiksi ja niitä on erittäin vaikea kerätä saostumiksi. Elektrolyyttien virta muuten tapahtuu juuri liuoksessa olevien ionien ansiosta. Siksi vahvat elektrolyytit johtavat virtaa parhaiten. Esimerkkejä jälkimmäisistä: vahvat hapot, emäkset, liukoiset suolat.
Nyt selvitetään, kuinka muutos ulkoisissaaineiden ominaisuuksien asettaminen. Pitoisuus vaikuttaa suoraan elektrolyytin dissosiaatioasteeseen. Lisäksi tämä suhde voidaan ilmaista matemaattisesti. Tätä suhdetta kuvaavaa lakia kutsutaan Ostwaldin laimennuslaiksi ja se kirjoitetaan seuraavasti: a = (K / c)1/2... Tässä on dissosiaation aste (otettu vuonnafraktiot), K on dissosiaatiovakio, erilainen kullekin aineelle, ja c on elektrolyytin pitoisuus liuoksessa. Tämän kaavan avulla voit oppia paljon aineesta ja sen käyttäytymisestä liuoksessa.
Mutta poikkesimme aiheesta.Pitoisuuden lisäksi elektrolyytin lämpötila vaikuttaa myös dissosiaatioasteeseen. Useimmille aineille sen kasvu lisää liukoisuutta ja reaktiivisuutta. Tämä voi selittää joidenkin reaktioiden esiintymisen vain korkeissa lämpötiloissa. Normaaleissa olosuhteissa ne kulkevat joko hyvin hitaasti tai molempiin suuntiin (tätä prosessia kutsutaan palautuvaksi).
Tutkimme tekijöitä, jotka määrittävät järjestelmän, kuten elektrolyyttiliuoksen, käyttäytymisen. Siirrytään nyt näiden epäilemättä erittäin tärkeiden kemikaalien käytännön soveltamiseen.
Tietenkin kaikki ovat kuulleet sanan "elektrolyytti"paristojen suhteen. Autossa käytetään lyijyakkuja, joiden elektrolyytti on 40% rikkihappoa. Jotta ymmärrettäisiin, miksi tätä ainetta tarvitaan siellä, on syytä ymmärtää paristojen toiminnan piirteet.
Joten mikä on minkä tahansa akun periaate?Niissä tapahtuu palautuva reaktio yhden aineen muutoksesta toiseen, minkä seurauksena elektronit vapautuvat. Kun akkua ladataan, tapahtuu aineiden vuorovaikutusta, jota ei voida saavuttaa normaaleissa olosuhteissa. Tämän voidaan ajatella olevan sähkön kertymistä aineeseen kemiallisen reaktion seurauksena. Purkauksen aikana alkaa käänteinen muunnos, joka tuo järjestelmän alkutilaan. Nämä kaksi prosessia muodostavat yhdessä yhden varauksen purkausjakson.
Harkitse yllä olevaa prosessia tietyllä tavallaesimerkki on lyijyakku. Kuten arvata saattaa, tämä virtalähde koostuu elementistä, joka sisältää lyijyä (samoin kuin lyijidioksidia PbO)2) ja happo.Mikä tahansa paristo koostuu elektrodeista ja niiden välisestä tilasta, joka on täynnä vain elektrolyyttiä. Kuten jälkimmäinen, kuten olemme jo todenneet, esimerkissämme käytetään rikkihappoa, jonka pitoisuus on 40 prosenttia. Tällaisen akun katodi on valmistettu lyijydioksidista ja anodi puhtaasta lyijystä. Kaikki tämä johtuu siitä, että näillä kahdella elektrodilla tapahtuu erilaisia palautuvia reaktioita, joihin osallistuu ioneja, joihin happo on dissosioitunut:
Jos luemme reaktiot vasemmalta oikealle, saammeprosessit, joita tapahtuu, kun akku on tyhjä, ja jos oikealta vasemmalle - latauksen aikana. Kussakin kemiallisessa virtalähteessä nämä reaktiot ovat erilaiset, mutta niiden kulkumekanismi kuvataan yleensä samalla tavalla: tapahtuu kaksi prosessia, joista yhdessä elektronit "absorboituvat" ja toisessa päinvastoin "lähtevät". Tärkeintä on, että absorboituneiden elektronien määrä on yhtä suuri kuin emittoituneiden elektronien lukumäärä.
Itse asiassa paristojen lisäksi on monianäiden aineiden käyttötarkoitukset. Yleensä elektrolyytit, joista olemme antaneet esimerkkejä, ovat vain rake monista aineista, jotka yhdistetään tällä termillä. Ne ympäröivät meitä kaikkialla, kaikkialla. Esimerkiksi ihmiskeho. Luuletko, että näitä aineita ei ole olemassa? Olet hyvin väärässä. Niitä on kaikkialla meissä, ja suurin määrä on veren elektrolyyttejä. Näitä ovat esimerkiksi rautaionit, jotka ovat osa hemoglobiinia ja auttavat kuljettamaan happea kehomme kudoksiin. Verielektrolyytteillä on myös keskeinen rooli vesi-suolatasapainon ja sydämen toiminnan säätelyssä. Tämän toiminnon suorittavat kalium- ja natriumionit (soluissa tapahtuu jopa prosessi, jota kutsutaan kalium-natriumpumpuksi).
Mikä tahansa aine, jonka voit liuottaaedes vähän - elektrolyyttejä. Eikä ole sellaista teollisuuden alaa ja elämäämme kanssasi, missä tahansa niitä käytetäänkin. Kyse ei ole vain autojen akuista ja akuista. Tämä on mikä tahansa kemian- ja elintarviketuotanto, sotatehtaat, vaatetehtaat ja niin edelleen.
Elektrolyytin koostumus on muuten erilainen.Joten happo- ja emäksiset elektrolyytit voidaan erottaa. Ne ovat ominaisuuksiltaan olennaisesti erilaisia: kuten olemme jo sanoneet, hapot ovat protonien luovuttajia ja emäkset ovat akseptoreita. Mutta ajan mittaan elektrolyytin koostumus muuttuu aineen osan häviämisen vuoksi, pitoisuus joko pienenee tai kasvaa (kaikki riippuu siitä, mitä menetetään, vesi tai elektrolyytti).
Tapaamme heitä joka päivä, mutta harvat ihmiset tietävät tarkalleen sellaisen termin määritelmän kuin elektrolyytit. Olemme analysoineet esimerkkejä erityisistä aineista, joten siirrymme hieman monimutkaisempiin käsitteisiin.
Nyt fysiikasta.Tärkeintä ymmärtää tätä aihetta tutkittaessa on, kuinka virta kulkee elektrolyytteinä. Ioneilla on tässä ratkaiseva rooli. Nämä varatut hiukkaset voivat siirtää varauksen liuoksen osasta toiseen. Joten anionit pyrkivät aina positiiviseen elektrodiin ja kationit negatiiviseen. Siten toimimalla ratkaisulla sähkövirralla erotamme varaukset järjestelmän eri puolilta.
Tällainen fyysinen ominaisuus on erittäin mielenkiintoinen,kuten tiheys. Monet niistä yhdisteiden ominaisuuksista, joista keskustelemme, riippuvat siitä. Ja usein nousee esiin kysymys: "Kuinka nostaa elektrolyytin tiheyttä?" Itse asiassa vastaus on yksinkertainen: liuoksen vesipitoisuutta on alennettava. Koska elektrolyytin tiheys määräytyy suurelta osin rikkihapon tiheyden perusteella, se riippuu enimmäkseen jälkimmäisen pitoisuudesta. On kaksi tapaa saada asiat hoidettua. Ensimmäinen on melko yksinkertainen: kiehauta akun sisältämä elektrolyytti. Tätä varten sinun on ladattava se siten, että lämpötila sisällä nousee hieman yli sata celsiusastetta. Jos tämä menetelmä ei auta, älä huoli, on toinenkin: yksinkertaisesti korvaa vanha elektrolyytti uudella. Tätä varten sinun on tyhjennettävä vanha liuos, puhdistettava sisäosat rikkihapon jäännöksistä tislatulla vedellä ja täytettävä sitten uusi osa. Yleensä korkealaatuisilla elektrolyyttiliuoksilla on välittömästi haluttu pitoisuus. Vaihdon jälkeen voit unohtaa pitkään kuinka lisätä elektrolyytin tiheyttä.
Elektrolyytin koostumus määrää suurelta osin senominaisuudet. Esimerkiksi ominaisuudet, kuten sähkönjohtavuus ja tiheys, riippuvat suuresti liuenneen aineen luonteesta ja konsentraatiosta. On erillinen kysymys siitä, kuinka paljon elektrolyyttiä voi olla akussa. Itse asiassa sen määrä liittyy suoraan tuotteen ilmoitettuun tehoon. Mitä enemmän rikkihappoa akun sisällä on, sitä voimakkaampi se on, sitä enemmän jännitettä se voi tuottaa.
Jos olet autoharrastaja tai vain riippuvainenautoja, niin sinä itse ymmärrät kaiken. Luultavasti edes tiedät kuinka määrittää, kuinka paljon elektrolyyttiä on akussa nyt. Ja jos olet kaukana autoista, näiden aineiden ominaisuuksien, niiden käytön ja niiden vuorovaikutuksen tunteminen ei ole turhaa. Tietäen tämän, et hämmenty, jos sinua pyydetään sanomaan, mikä elektrolyytti on akussa. Vaikka et ole autoharrastaja, mutta sinulla on auto, tuntemus akkulaitteesta ei ole tarpeetonta ja auttaa sinua korjauksissa. On paljon helpompaa ja halvempaa tehdä kaikki itse kuin mennä autokeskukseen.
Ja tutkiakseen tätä aihetta paremmin, suosittelemmelukea kemian oppikirjaa kouluille ja yliopistoille. Jos tiedät tämän tieteen hyvin ja olet lukenut tarpeeksi oppikirjoja, Varypaevin "Kemialliset virtalähteet" on paras vaihtoehto. Siellä koko akkujen, erilaisten paristojen ja vetyparistojen toimintateoria esitetään yksityiskohtaisesti.
Olemme tulleet loppuun. Tehdään yhteenveto.Edellä olemme selvittäneet kaiken, mikä liittyy tällaiseen käsitteeseen kuten elektrolyytit: esimerkit, rakenteen ja ominaisuuksien teoria, toiminnot ja käyttö. On syytä vielä kerran sanoa, että nämä yhdisteet ovat osa elämäämme, jota ilman ruumiimme ja kaikki teollisuudenalat eivät voisi olla olemassa. Muistatko veren elektrolyytteistä? Kiitos heille elämme. Entä automme? Tämän tiedon avulla voimme korjata kaikki akkuun liittyvät ongelmat, koska nyt ymmärrämme kuinka lisätä elektrolyytin tiheyttä siinä.
On mahdotonta kertoa kaikkea, emmekä asettaneet sellaista tavoitetta. Loppujen lopuksi tämä ei ole kaukana kaikesta, mitä näistä hämmästyttävistä aineista voidaan kertoa.
