Elektroliti: primjeri. Sastav i svojstva elektrolita. Jaki i slabi elektroliti

Elektroliti kao kemikalije poznati su još od davnih vremena. Međutim, većina područja njihove primjene su stekli relativno nedavno. Razgovarat ćemo o najvažnijim područjima korištenja tih tvari u industriji i razumjeti što predstavljaju te kako se razlikuju. Ali počnimo obilazak povijesti.

priča

Najstariji poznati elektroliti su soli i kiseline, otkrivene u Drevnom svijetu. Međutim, ideje o strukturi i svojstvima elektrolita razvijene su s vremenom. Teorije tih procesa su se razvile, počevši od 1880-ih, kada su napravljene brojne otkrića, povezane s teorijama elektrolita. U teorijama koje opisuju mehanizme interakcije elektrolita s vodom uočene su nekoliko kvalitativnih skokova (u stvari, samo u rješenju oni stječu ona svojstva koja ih koriste u industriji).

Sada ćemo detaljno raspravljati o nekoliko teorija koje su imale najveći utjecaj na razvoj ideja o elektrolitima i njihovim svojstvima. I započnimo s najčešćim i jednostavnim teorijama da su svi od nas prošli u školi.

Teorija elektrolitičke disocijacije Arrhenius

1887. švedski kemičar Svante Arrhenius i Rusko-njemački kemičar Wilhelm Ostwald stvorio je teoriju elektrolitičke disocijacije. Međutim, ovdje, također, nije tako jednostavno. Sam Arrhenius bio je pristaša tzv. Fizičke teorije rješenja koja nisu uzele u obzir interakciju sastavnih tvari s vodom i tvrde da u otopini postoje slobodne napunjene čestice (ioni). Usput, iz takvih se stavova razmatra elektrolitička disocijacija u školi.

Razgovarajmo još o tome što ova teorija daje i kako objašnjava mehanizam interakcije tvari s vodom. Kao i svaka druga, ona ima nekoliko postulata koje ona koristi:

1. Kod interakcije s vodom, tvar se raspada u ione (pozitivni i negativni anion). Ove čestice prolaze kroz hidrataciju: oni privlače molekule vode, koje su, usput rečeno, pozitivno napunjene s jedne strane, as druge - negativno (oblik dipola), te su rezultat toga formirane u akvakompleksi (solvati).

2. Postupak disocijacije je reverzibilan - tj. Ako se tvar razbije u ione, tada se pod utjecajem nekih čimbenika može ponovno pretvoriti u početni.

3. Ako spojite elektrode s otopinom i pokrenete struju, kationi će se kretati na negativnu elektrodu - katoda, i anione na pozitivno napunjenu - anodu. Zato tvari koje su vrlo topive u vodi vode električnu struju bolje od same vode. Iz istog su razloga nazivali elektrolitima.

4. Stupanj disocijacije Elektrolit karakterizira postotak tvari koja je podvrgnuta otapanju. Ovaj pokazatelj ovisi o svojstvima otapala i najotvorenijoj supstanci, koncentraciji potonjeg i vanjskoj temperaturi.

Ovdje, zapravo, i svi osnovni postulati ove jednostavne teorije. Oni će se koristiti u ovom članku kako bi opisali što se događa u otopini elektrolita. Primjeri ovih spojeva bit će raspravljeni kasnije, ali sada ćemo razmotriti još jednu teoriju.

Teorija kiselina i baza Lewisa

Prema teoriji elektrolitičke disocijacije, kiselina je tvar u otopini čiji je kation vodika, a baza je spoj koji se raspada u otopinu hidroksid-aniona. Postoji još jedna teorija, nazvana po poznatom kemičaru Gilbertu Lewisu. To nam omogućuje da pomalo proširimo koncept kiseline i baze. Prema Lewisovoj teoriji, kiseline - to su ioni ili molekule tvari koje imaju slobodne elektronske orbite i sposobne su uzeti elektron iz druge molekule. Lako je pretpostaviti da će baze biti one čestice koje su sposobne dati jedan ili više njih elektrona na "upotrebu" kiseline. Ovdje je vrlo zanimljivo da kiselina ili baza mogu biti ne samo elektrolit, već i svaka tvar, čak i netopiva u vodi.

Prototipna teorija Brandsted-Lowryja

Godine 1923., međusobno neovisno, dva znanstvenika - J. Brønsted i T. Lowry - predložili su teoriju koju znanstvenici danas aktivno koriste za opisivanje kemijskih procesa. Bit ove teorije je da se smisao disocijacije svodi na prijenos protona iz kiseline u bazu. Dakle, ovaj se ovdje shvaća kao akceptor protona. Zatim je kiselina njihov donator. Teorija također dobro objašnjava postojanje tvari koje pokazuju svojstva i kiseline i baze. Takvi spojevi se nazivaju amfoterni. U teoriji Bronsted-Lowry, pojam amfoliti se također koristi za njih, dok su kiseline ili baze obično nazvane protoliti.

Došli smo do sljedećeg dijela članka. Ovdje opisujemo kako različiti jaki i slabi elektroliti se razlikuju i razgovaraju o utjecaju vanjskih čimbenika na njihova svojstva. A onda ćemo početi opisivati ​​njihovu praktičnu primjenu.

Jaki i slabi elektroliti

Svaka tvar djeluje u interakciji s vodom pojedinačno. Neki se dobro raspadaju (na primjer, sol sol), a neki se uopće ne otapaju (na primjer, krede). Dakle, sve tvari su podijeljene na jake i slabe elektrolite. Potonji su tvari koje slabo reagiraju s vodom i podmiruju se na dnu otopine. To znači da oni imaju vrlo mali stupanj disocijacije i visoku energiju vezanja koja ne dopušta molekuli da se razgrađuje u konstituirajuće ione u normalnim uvjetima. Disocijacija slabih elektrolita javlja se vrlo sporo, ili s povećanjem temperature i koncentracije ove tvari u otopini.

Razgovarajmo o jakim elektrolitima. To uključuje sve topive soli, kao i jake kiseline i lužine. Oni se lako propadaju u ione i vrlo je teško sakupljati u precipitatu. Usput, struja u elektrolitima provodi se točno od iona koji su sadržani u otopini. Stoga, najbolji elektrolit provodi struju. Primjeri potonjih: jake kiseline, lužine, topive soli.

Čimbenici koji utječu na ponašanje elektrolita

Pogledajmo sada kako utječe na promjenu vanjske situacije svojstva tvari. Koncentracija izravno utječe na stupanj disocijacije elektrolita. Štoviše, taj odnos može se izraziti matematički. Zakon koji opisuje tu povezanost naziva se Ostwaldov zakon o razrjeđivanju i napisan je kako slijedi: a = (K / c)^1/2. Ovdje je a stupanj disocijacije (uzeti u frakcije), K je konstanta disocijacije, različita za svaku tvar, i c je koncentracija elektrolita u otopini. Prema ovoj formuli, mnogo se može naučiti o supstanci i njenom ponašanju u rješenju.

Ali smo se udaljili od teme. Osim koncentracije, stupanj disocijacije također utječe na temperaturu elektrolita. Za većinu tvari, njegovo povećanje povećava topljivost i kemijsku aktivnost. To je ono što može objasniti tijek određenih reakcija samo na povišenoj temperaturi. U normalnim uvjetima, oni idu vrlo sporo ili u oba smjera (taj se proces naziva reverzibilan).

Analizirali smo čimbenike koji određuju ponašanje takvog sustava kao i elektrolitska otopina. Sada se obratimo praktičnoj primjeni tih, bez sumnje, vrlo važnih kemikalija.

Industrijska uporaba

Naravno, svatko je čuo riječ "elektrolit" koji se primjenjuje na baterije. Automobil koristi olovne kiseline, ulogu elektrolita u kojem djeluje 40 posto sumporne kiseline. Da biste shvatili zašto postoji potreba za tom tvari, potrebno je razumjeti značajke baterije.

Pa što je princip bilo koje baterije? U njima dolazi do reverzibilne reakcije transformacije jedne supstance u drugu, zbog čega se elektroni oslobađaju. Kada se baterija napuni, postoji interakcija tvari koje se ne postižu u normalnim uvjetima. To se može prikazati kao akumulacija električne energije u tvari kao rezultat kemijske reakcije. Kada se pražnjenje počinje, počinje obrnuti preobrazba, vodeći sustav u početno stanje. Ova dva procesa zajedno čine jedan ciklus punjenja.

Razmotrite gore navedeni postupak na određenom primjeru - olovno-kiselinsku bateriju. Kao što možda mislite, ovaj trenutni izvor sastoji se od elementa koji sadrži olovo (kao i olovni dioksid PbO₂) i kiseline. Bilo koja baterija se sastoji od elektroda i razmaka između njih, ispunjen samo s elektrolitom. Kao posljednji, kao što smo već objasnili, u našem primjeru koristi se sumporna kiselina s koncentracijom od 40 posto. Katoda takve baterije izrađena je od olovnog dioksida, a anoda se sastoji od čistog olova. Sve je to zato što na ovim dvjema elektrodama postoje različite reverzibilne reakcije koje uključuju ione, na koje se disocira kiselina:

1. PbO₂ + SO₄^2-+ 4H⁺ + 2e^- = PbSO₄ + 2H₂O (reakcija koja se javlja kod negativne elektrodne katode).
2. Pb + SO₄^2- - 2e^- = PbSO₄ (Reakcija koja teče na pozitivnoj elektrodnoj anodi).

Ako pročitamo reakcije s lijeva na desno, dobivamo procese koji se odvijaju kad se baterija ispraznila i ako je s desna na lijevo - tijekom punjenja. U svakom kemijski izvor struje ove reakcije su različite, ali mehanizam njihovog protoka općenito opisuje na isti način: dva procesa se javljaju, u jednom od kojih se elektroni "apsorbiraju", a drugi "izlaze". Najvažnije je da je broj apsorbiranih elektrona jednak broju otpuštenih elektrona.

Zapravo, uz baterije, postoji mnogo primjena tih tvari. Općenito, elektroliti, a primjeri koje smo dali, - to je samo zrno od različitih tvari koje su ujedinjeni pod ovim pojmom. Oni nas okružuju posvuda, posvuda. Ovdje je, na primjer, ljudsko tijelo. Mislite li da ove tvari nisu tamo? Vrlo pogrešno. Oni su posvuda u nama, a najveći broj sastoji se od elektrolita krvi. To su, na primjer, željezo ione, koji su dio hemoglobina i pomaže transport kisika u tkivima našeg tijela. Elektroliti krvi također igraju ključnu ulogu u reguliranju ravnoteže između soli i radova srca. Ova funkcija se izvodi ionima i natrija (postoji i proces koji se događa u stanicama koje se zovu kalij-natrij pumpa).

Bilo koja tvar koju možete otopiti barem malo - elektroliti. I ne postoji takva grana industrije i naš život s vama, gdje god se primjenjuju. To nisu samo baterije u automobilima i baterijama. To je bilo koja kemijska i prehrambena industrija, vojne tvornice, tvornice odjeće i tako dalje.

Sastav elektrolita usput je drugačiji. Tako je moguće izolirati kiselinu i alkalni elektrolit. Oni se u osnovi razlikuju po svojim svojstvima: kao što smo već rekli, kiseline su donatori protona, i alkalijskih akceptora. Ali s vremenom sastav elektrolita se mijenja zbog gubitka dijela tvari, koncentracija se smanjuje ili povećava (sve ovisi o tome što je izgubljeno, voda ili elektrolit).

Svakodnevno im se suočavamo, ali vrlo malo ljudi točno zna definiciju pojma poput elektrolita. Primjeri specifičnih tvari, rastavljeni smo, pa prijeđimo na nešto složenije koncepte.

Fizikalna svojstva elektrolita

Sada o fizici. Najvažnija stvar za razumijevanje prilikom proučavanja ove teme je kako se struja prenosi u elektrolite. Odlučujuću ulogu u tome igraju ioni. Te napunjene čestice mogu nositi naboj s jednog dijela otopine u drugi. Dakle, anioni imaju tendenciju uvijek do pozitivne elektrode, a kationi u negativnu elektrodu. Dakle, djelujući na rješenje s električnom strujom podijelimo naboj na različitim stranama sustava.

Vrlo zanimljiva je fizička karakteristika, kao što je gustoća. O tome ovisi mnogo svojstava spojeva o kojima raspravljamo. I često se pojavljuje pitanje: "Kako podići gustoću elektrolita?" Zapravo, odgovor je jednostavan: trebate smanjiti sadržaj vode u otopini. Budući da je gustoća elektrolita uglavnom određena gustoća sumporne kiseline, onda uglavnom ovisi o koncentraciji potonjeg. Postoje dva načina da to postignete. Prvi je vrlo jednostavan: kuhajte elektrolit koji se nalazi u bateriji. Da biste to učinili, trebate je napuniti tako da temperatura unutar uređaja iznosi nešto iznad stotinu stupnjeva Celzijusa. Ako ova metoda ne pomaže, ne brinite, postoji još jedan: jednostavno zamijenite stari elektrolit novim. Da biste to učinili, isušite staru otopinu, očistite unutrašnjost ostataka sumporne kiseline destiliranom vodom, a zatim ulijte novi dio. U pravilu, kvalitativno elektrolitske otopine odmah imati željenu vrijednost koncentracije. Nakon zamjene, možete zaboraviti kako povećati gustoću elektrolita za dugo vremena.

Sastav elektrolita u velikoj mjeri određuje njegova svojstva. Takve karakteristike kao što su električna vodljivost i gustoća, na primjer, jako ovise o prirodi otopljene tvari i njegovoj koncentraciji. Postoji zasebno pitanje o tome koliko elektrolita može biti u bateriji. Zapravo, njegov volumen izravno je povezan s deklariranom sposobnošću proizvoda. Što je više sumporne kiseline unutar baterije, što je jači, to je veći napon koji može dati.

Gdje je korisno?

Ako ste obožavatelj automobila ili samo volite automobile, onda ste sami razumjeli sve. Sigurno čak znaš odrediti koliko je elektrolita u bateriji sada. A ako ste daleko od automobila, znanje o svojstvima ovih tvari, njihovim aplikacijama i načinu međudjelovanja neće biti suvišno. Znajući to, nećete biti gubitka ako vam se traži da kažete koji je elektrolit u bateriji. Iako čak i ako niste entuzijast, ali imate automobil, znanje baterije neće biti suvišno i pomoći će vam u popravku. Bit će puno lakše i jeftinije učiniti sve sami, a ne ići u auto centar.

Da bismo bolje proučili ovu temu, preporučujemo da čitate udžbenik za kemiju za škole i sveučilišta. Ako dobro znate ovu znanost i pročitate dovoljno udžbenika, najbolja opcija bit će "Kemijski izvori struje" Varypaev. Cijela teorija rada akumulatora, različitih baterija i vodikovih elemenata je detaljno izložena.

zaključak

Na kraju smo. Zaključimo. Iznad smo rastavili sve što se odnosi na takav koncept kao elektroliti: primjeri, teorija strukture i svojstava, funkcija i primjena. Još jednom vrijedi reći da su ti spojevi dio našeg života, bez kojih naša tijela i sve sfere industrije ne bi mogle postojati. Sjećate li se krvi elektrolita? Zahvaljujući njima živimo. Što je s našim strojevima? Pomoću ovog znanja možemo riješiti bilo koji problem vezan uz bateriju, jer sada razumijemo kako povećati gustoću elektrolita u njemu.

Sve se ne može reći, a nismo postavili takav cilj. Uostalom, to nije sve što se može reći o tim nevjerojatnim tvarima.