Elektrolyter som kemikalier är kända medantiken. De har emellertid erövrat de flesta av sina applikationer relativt nyligen. Vi kommer att diskutera de mest prioriterade områdena för användning av dessa ämnen för industrin och vi kommer att förstå vad de senare är och hur de skiljer sig från varandra. Men låt oss börja med en försämring av historien.
De äldsta kända elektrolyterna är salter ochsyror som upptäckts i den forntida världen. Idéer om elektrolyters struktur och egenskaper utvecklades emellertid över tiden. Teorier om dessa processer har utvecklats sedan 1880-talet, då en serie upptäckter gjordes relaterade till teorier om elektrolytegenskaper. Det har funnits flera kvalitativa språng i teorier som beskriver mekanismerna för interaktion mellan elektrolyter och vatten (trots allt, bara i lösning förvärvar de egenskaperna på grund av vilka de används i industrin).
Nu kommer vi att analysera i detalj flera teorier,som har det största inflytandet på utvecklingen av idéer om elektrolyter och deras egenskaper. Och låt oss börja med den mest utbredda och enkla teorin som var och en av oss genomgick i skolan.
в 1887 году шведский химик Сванте Аррениус и Den ryska-tyska kemisten Wilhelm Ostwald skapade teorin om elektrolytisk dissociation. Men också här är inte så enkelt. Arrhenius själv var en anhängare av den så kallade fysiska teorin om lösningar, som inte tog hänsyn till samverkan mellan de bestående substanserna med vatten och hävdade att det finns fria laddade partiklar (joner) i lösningen. Förresten, det är från sådana positioner som elektrolytisk dissociation beaktas i skolan idag.
Låt oss prata om vad den här teorin ger och hur den förklarar för oss mekanismen för interaktion mellan ämnen och vatten. Som alla andra har hon flera postulat som hon använder:
1.När man interagerar med vatten, sönderdelas ämnet i joner (positiv - katjon och negativ - anjon). Dessa partiklar genomgår hydrering: de lockar vattenmolekyler, som förresten är positivt laddade å ena sidan och negativt (bildar en dipol) å andra sidan, och som ett resultat de bildar till vattenmiljöer (solvat).
2. Processen för dissociation är reversibel - det vill säga om ett ämne sönderfaller i joner, då det kan påverkas av vissa faktorer igen till det ursprungliga.
3.Om du ansluter elektroderna till lösningen och låter ström, kommer katjonerna att börja flytta till den negativa elektroden - katoden och anjonerna till den positivt laddade - anoden. Det är därför ämnen som är lättlösliga i vatten leder elektrisk ström bättre än själva vattnet. Av samma anledning kallades de elektrolyter.
4.Graden av elektrolytdissociation kännetecknar procentandelen av ett ämne som har genomgått upplösning. Denna indikator beror på egenskaperna hos lösningsmedlet och själva den upplösta substansen, på koncentrationen av det senare och på den yttre temperaturen.
Dessa är i själva verket alla de viktigaste postulaten för dettaokomplicerad teori. Vi kommer att använda dem i den här artikeln för att beskriva vad som händer i en elektrolytlösning. Vi kommer att analysera exempel på dessa föreningar lite senare, men nu kommer vi att överväga en annan teori.
Enligt teorin om elektrolytisk dissociation, syraär en substans i en lösning av vilken en vätekatjon är närvarande, och en bas är en förening som sönderdelas i en hydroxidanjon i lösning. Det finns en annan teori som är uppkallad efter den berömda kemisten Gilbert Lewis. Det låter dig utvidga konceptet syra och bas något. Enligt Lewis teori är syror joner eller molekyler av ett ämne som har fria elektronorbitaler och kan acceptera en elektron från en annan molekyl. Det är lätt att gissa att baserna kommer att vara sådana partiklar som kan donera en eller flera av sina elektroner till syran. Det är mycket intressant här att en syra eller en bas inte bara kan vara en elektrolyt utan också vilken substans som helst, till och med olöslig i vatten.
År 1923, oberoende av varandra, tvåforskare - J. Bronsted och T. Lowry - föreslog en teori som nu används aktivt av forskare för att beskriva kemiska processer. Kärnan i denna teori är att betydelsen av dissociation reduceras till överföringen av en proton från en syra till en bas. Således förstås den senare här som en protonacceptor. Då är syran deras givare. Teorin förklarar också förekomsten av ämnen som uppvisar egenskaper hos både syror och baser. Sådana föreningar kallas amfotera. I Bronsted-Lowry-teorin används termen amfolyter också för dem, medan syra eller baser vanligtvis kallas protoliter.
Vi har kommit till nästa del av artikeln. Här kommer vi att berätta hur starka och svaga elektrolyter skiljer sig från varandra och diskutera påverkan av externa faktorer på deras egenskaper. Och sedan börjar vi beskriva deras praktiska tillämpning.
Varje ämne interagerar med vattenindividuellt. Vissa löser sig bra i det (till exempel bordssalt) och andra löses inte alls (till exempel krita). Således är alla ämnen uppdelade i starka och svaga elektrolyter. De senare är ämnen som dåligt interagerar med vatten och sätter sig i botten av lösningen. Detta innebär att de har en mycket låg grad av dissociation och en hög bindningsenergi, vilket inte tillåter molekylen att sönderdelas till dess beståndsdelar under normala förhållanden. Dissociation av svaga elektrolyter sker antingen mycket långsamt eller med en ökning av temperaturen och koncentrationen av detta ämne i lösning.
Låt oss prata om starka elektrolyter. Dessa inkluderar alla lösliga salter, såväl som starka syror och alkalier. De sönderdelas lätt till joner och är mycket svåra att samla i fällningar. Strömmen i elektrolyter utförs förresten precis på grund av jonerna i lösningen. Därför leder starka elektrolyter ström bäst av allt. Exempel på de senare: starka syror, alkalier, lösliga salter.
Låt oss nu ta reda på hur en förändring i externinställning av ämnens egenskaper. Koncentrationen påverkar direkt graden av dissociation av elektrolyten. Dessutom kan detta förhållande uttryckas matematiskt. Lagen som beskriver denna koppling kallas Ostwald-utspädningslagen och skrivs enligt följande: a = (K / c)1/2... Här är a graden av dissociation (tas infraktioner), K är dissociationskonstanten, olika för varje substans, och c är koncentrationen av elektrolyten i lösningen. Med hjälp av denna formel kan du lära dig mycket om ett ämne och dess beteende i lösning.
Men vi avvek från ämnet. Förutom koncentrationen påverkar elektrolyttemperaturen också graden av dissociation. För de flesta ämnen ökar dess löslighet och reaktivitet. Detta kan förklara förekomsten av vissa reaktioner endast vid förhöjda temperaturer. Under normala förhållanden går de antingen mycket långsamt eller i båda riktningar (denna process kallas reversibel).
Vi analyserade de faktorer som bestämmer beteendet hos ett system, såsom en elektrolytlösning. Låt oss nu gå vidare till den praktiska tillämpningen av dessa, utan tvekan, mycket viktiga kemikalier.
Naturligtvis har alla hört ordet "elektrolyt"i förhållande till batterier. Bilen använder blybatterier, vars elektrolyt är 40% svavelsyra. För att förstå varför detta ämne behövs alls, är det värt att förstå funktionerna i batteridriften.
Så vad är principen för något batteri? I dem inträffar en reversibel reaktion av omvandling av en substans till en annan, som ett resultat av vilket elektroner frigörs. När batteriet är laddat inträffar en interaktion mellan ämnen som inte kan erhållas under normala förhållanden. Detta kan ses som ackumulering av elektricitet i ett ämne som ett resultat av en kemisk reaktion. Under urladdningen börjar den omvända omvandlingen, vilket tar systemet till sitt ursprungliga tillstånd. Dessa två processer utgör tillsammans en laddningsurladdningscykel.
Tänk på ovanstående process på en specifikett exempel är ett blysyrabatteri. Som du kanske gissar består den nuvarande källan av ett element som innehåller bly (liksom blydioxid PbO2) och syra. Varje batteri består av elektroder och utrymmet mellan dem, fyllda med bara en elektrolyt. Som den senare, som vi redan har upptäckt, använder vårt exempel svavelsyra med en koncentration på 40 procent. Katoden i ett sådant batteri är gjord av blydioxid och anoden är gjord av ren bly. Allt detta beror på att på dessa två elektroder sker olika reversibla reaktioner med deltagande av joner i vilka syran har dissocierats:
Om vi läser reaktionerna från vänster till höger får vi detprocesser som inträffar när batteriet är urladdat, och från höger till vänster - vid laddning. I varje kemisk strömkälla är dessa reaktioner olika, men mekanismen för deras förlopp beskrivs generellt på samma sätt: två processer äger rum, varav den ena elektronerna "absorberas" och i den andra, tvärtom, de "lämnar". Viktigast är att antalet absorberade elektroner är lika med antalet elektroner som släpps ut.
Förutom batterierna finns det faktiskt mångatillämpningar av dessa ämnen. I allmänhet är elektrolyterna, exempel på vilka vi har gett, bara en korn av de många ämnen som kombineras under denna term. De omger oss överallt, överallt. Till exempel människokroppen. Tror du att dessa ämnen inte finns där? Du har väldigt fel. De finns överallt i oss, och den största mängden är blodelektrolyter. Dessa inkluderar till exempel järnjoner, som ingår i hemoglobin och hjälper till att transportera syre till kroppens vävnader. Blodelektrolyter spelar också en nyckelroll i regleringen av vatten-saltbalans och hjärtfunktion. Denna funktion utförs av kalium- och natriumjoner (det finns till och med en process som äger rum i celler, som kallas en kalium-natriumpump).
Alla ämnen du kan lösa upptill och med lite - elektrolyter. Och det finns ingen sådan bransch och vårt liv med dig, varhelst de tillämpas. Det är inte bara batterier i bilar och batterier. Detta är vilken kemisk och livsmedelsproduktion som helst, militära fabriker, plaggfabriker och så vidare.
Elektrolytens sammansättning är förresten annorlunda.Så, syra- och alkaliska elektrolyter kan urskiljas. De är fundamentalt olika i sina egenskaper: som vi redan har sagt är syror protondonatorer och alkalier är acceptorer. Men med tiden förändras elektrolytens sammansättning på grund av förlusten av en del av ämnet, koncentrationen antingen minskar eller ökar (allt beror på vad som går förlorat, vatten eller elektrolyt).
Vi möter dem varje dag, men få människor vet exakt definitionen av en sådan term som elektrolyter. Vi har analyserat exempel på specifika ämnen, så låt oss gå vidare till lite mer komplexa begrepp.
Nu om fysik.Det viktigaste att förstå när man studerar detta ämne är hur ström överförs i elektrolyter. Ioner spelar en avgörande roll i detta. Dessa laddade partiklar kan överföra laddning från en del av lösningen till en annan. Så anjoner tenderar alltid att vara en positiv elektrod och katjoner - till en negativ. Således, på grund av lösningen med en elektrisk ström, separerar vi laddningarna på olika sidor av systemet.
En sådan fysisk egenskap är väldigt intressant,som densitet. Många egenskaper hos föreningarna vi diskuterar beror på det. Och frågan dyker ofta upp: "Hur man höjer densiteten hos elektrolyten?" Svaret är faktiskt enkelt: det är nödvändigt att sänka vattenhalten i lösningen. Eftersom densiteten hos elektrolyten i stor utsträckning bestäms av densiteten av svavelsyra beror det mest på koncentrationen av den senare. Det finns två sätt att få saker gjorda. Den första är ganska enkel: koka elektrolyten i batteriet. För att göra detta måste du ladda det så att temperaturen inuti stiger strax över hundra grader Celsius. Om den här metoden inte hjälper, oroa dig inte, det finns en annan: byt helt enkelt ut den gamla elektrolyten mot en ny. För att göra detta måste du tömma den gamla lösningen, rengöra insidan från resterna av svavelsyra med destillerat vatten och sedan fylla i en ny del. Som regel har högkvalitativa elektrolytlösningar omedelbart den önskade koncentrationen. Efter byte kan du glömma länge hur du kan öka densiteten hos elektrolyten.
Elektrolytens sammansättning bestämmer till stor del dessegenskaper. Egenskaper som t.ex. elektrisk ledningsförmåga och densitet är till exempel mycket beroende av lösningens natur och koncentration. Det finns en separat fråga om hur mycket elektrolyt som kan finnas i batteriet. Faktum är att dess volym är direkt relaterad till produktens deklarerade effekt. Ju mer svavelsyra i batteriet, desto kraftfullare är det, det vill säga desto mer spänning kan det leverera.
Om du är en bilentusiast eller bara beroende avbilar, då förstår du själv allt. Du vet förmodligen till och med hur man bestämmer hur mycket elektrolyt som finns i batteriet nu. Och om du är långt ifrån bilar är det inte överflödigt att känna till dessa ämnens egenskaper, deras användning och hur de interagerar med varandra. Att veta detta kommer du inte att bli förvirrad om du blir ombedd att säga vilken elektrolyt som finns i batteriet. Även om du inte är en bilentusiast men har en bil, är kunskapen om batterienheten inte överflödig och hjälper dig med reparationer. Det blir mycket lättare och billigare att göra allt själv än att gå till ett bilcenter.
Och för att bättre utforska detta ämne rekommenderar viläsa en kemilexbok för skolor och universitet. Om du känner till den här vetenskapen väl och har läst tillräckligt med läroböcker är Varypaevs "Chemical current sources" det bästa alternativet. Där beskrivs hela teorin om driften av ackumulatorer, olika batterier och väteceller i detalj.
Vi har kommit till slutet. Låt oss sammanfatta.Ovan har vi diskuterat allt relaterat till ett sådant koncept som elektrolyter: exempel, teori om struktur och egenskaper, funktioner och tillämpning. Det är värt att säga än en gång att dessa föreningar utgör en del av vårt liv, utan vilka våra kroppar och alla industrisfärer inte kunde existera. Kommer du ihåg om blodelektrolyter? Tack vare dem lever vi. Vad sägs om våra bilar? Med hjälp av denna kunskap kommer vi att kunna lösa alla problem som är förknippade med batteriet, eftersom vi nu förstår hur man kan öka densiteten hos elektrolyten i det.
Det är omöjligt att berätta allt, och vi satte oss inte ett sådant mål. När allt kommer omkring är det inte allt som kan berättas om dessa fantastiska ämnen.
