Elektrolitai kaip cheminės medžiagos buvo žinomi nuo seniausių laikų. Tačiau jie palyginti neseniai užkariavo daugumą savo taikymo sričių. Aptarsime didžiausias pramonės prioritetines šių medžiagų naudojimo sritis ir išsiaiškinsime, kas yra pastarosios ir kuo jos skiriasi viena nuo kitos. Bet pradėkime nuo nukrypimo į istoriją.
Istorija
Seniausi žinomi elektrolitai yra druskos ir rūgštys, atrastos senovės pasaulyje. Tačiau idėjos apie elektrolitų struktūrą ir savybes laikui bėgant vystėsi. Šių procesų teorijos vystėsi nuo 1880-ųjų, kai buvo padaryta nemažai atradimų, susijusių su elektrolitų savybių teorijomis. Teorijose, apibūdinančiose elektrolitų sąveikos su vandeniu mechanizmus, buvo keli kokybiniai šuoliai (juk tik tirpale jie įgyja savybes, dėl kurių jie naudojami pramonėje).
Dabar išsamiai išanalizuosime kelias teorijas, kurios turėjo didžiausią įtaką idėjų apie elektrolitus ir jų savybes plėtrai. Ir pradėkime nuo labiausiai paplitusios ir paprasčiausios teorijos, kurios kiekvienas iš mūsų mokėsi mokykloje.
Arenijaus elektrolitinės disociacijos teorija
1887 mŠvedų chemikas Svante Arrhenius ir rusų-vokiečių chemikas Wilhelmas Ostwaldas sukūrė elektrolitinės disociacijos teoriją. Tačiau ir čia viskas nėra taip paprasta. Pats Arrhenius buvo vadinamosios fizikinės tirpalų teorijos šalininkas, kuri neatsižvelgė į sudedamųjų medžiagų sąveiką su vandeniu ir teigė, kad tirpale yra laisvų įkrautų dalelių (jonų). Beje, būtent iš tokių pozicijų šiandien mokykloje galvojama apie elektrolitinę disociaciją.
Pakalbėkime apie tai, ką ši teorija duoda ir kaip ji mums paaiškina medžiagų sąveikos su vandeniu mechanizmą. Kaip ir visi kiti, ji turi keletą postulatų, kuriuos naudoja:
1. Sąveikaujant su vandeniu medžiaga skyla į jonus (teigiamas – katijonas ir neigiamas – anijonas). Šios dalelės hidratuojamos: pritraukia vandens molekules, kurios, beje, vienoje pusėje yra teigiamai, o kitoje neigiamai (sudaro dipolį), todėl susidaro vandens kompleksai (solvatai).
2. Disociacijos procesas yra grįžtamas – tai yra, jei medžiaga suskilo į jonus, veikiama bet kokių veiksnių ji vėl gali virsti pirminiu.
3. Jei prijungsite elektrodus prie tirpalo ir paleisite srovę, katijonai pradės judėti link neigiamo elektrodo - katodo, o anijonai - link teigiamai įkrauto - anodo. Štai kodėl vandenyje gerai tirpstančios medžiagos geriau praleidžia elektrą nei pats vanduo. Dėl tos pačios priežasties jie dar vadinami elektrolitais.
4. Elektrolito disociacijos laipsnis apibūdina ištirpusios medžiagos procentą. Taiindikatorius priklauso nuo tirpiklio ir pačios tirpios medžiagos savybių, nuo pastarosios koncentracijos ir nuo išorinės temperatūros.
Tiesą sakant, čia ir visi pagrindiniai šios paprastos teorijos postulatai. Šiame straipsnyje mes juos naudosime norėdami apibūdinti, kas vyksta elektrolito tirpale. Šiek tiek vėliau analizuosime šių junginių pavyzdžius, bet dabar apsvarstysime kitą teoriją.
Lewiso rūgščių ir bazių teorija
Pagal elektrolitinės disociacijos teoriją rūgštis yra medžiaga, kurioje yra vandenilio katijonas, o bazė – junginys, kuris tirpale skyla į hidroksido anijoną. Yra dar viena teorija, pavadinta garsaus chemiko Gilberto Lewiso vardu. Tai leidžia šiek tiek išplėsti rūgšties ir bazės sąvoką. Pagal Lewiso teoriją rūgštys yra medžiagos jonai arba molekulės, turinčios laisvų elektronų orbitales ir galinčios priimti elektroną iš kitos molekulės. Nesunku atspėti, kad bazės bus tokios dalelės, kurios sugeba vieną ar kelis savo elektronus paaukoti rūgšties „naudojimui“. Čia labai įdomu, kad ne tik elektrolitas, bet ir bet kuri medžiaga, net netirpi vandenyje, gali būti rūgštis ar bazė.
Brandsted-Lowry protolitinė teorija
1923 m., nepriklausomai vienas nuo kito, du mokslininkai – J. Bronstedas ir T. Lowry – pasiūlė teoriją, kurią dabar mokslininkai aktyviai naudoja apibūdindami cheminius procesus. Šios teorijos esmė tadisociacija redukuojama iki protono perkėlimo iš rūgšties į bazę. Taigi pastarasis čia suprantamas kaip protonų akceptorius. Tada rūgštis yra jų donoras. Teorija taip pat gerai paaiškina medžiagų, turinčių rūgščių ir bazių savybes, egzistavimą. Tokie junginiai vadinami amfoteriniais. Bronstedo-Lowry teorijoje jiems taip pat vartojamas terminas amfolitai, o rūgštys arba bazės paprastai vadinamos protolitais.
Priėjome prie kitos straipsnio dalies. Čia papasakosime, kuo stiprūs ir silpni elektrolitai skiriasi vienas nuo kito ir aptarsime išorinių veiksnių įtaką jų savybėms. Ir tada pradėsime apibūdinti jų praktinį pritaikymą.
Stiprūs ir silpni elektrolitai
Kiekviena medžiaga sąveikauja su vandeniu atskirai. Kai kurie jame gerai tirpsta (pavyzdžiui, valgomoji druska), o kai kurie visiškai netirpsta (pavyzdžiui, kreida). Taigi visos medžiagos skirstomos į stipriuosius ir silpnuosius elektrolitus. Pastarosios yra medžiagos, kurios blogai sąveikauja su vandeniu ir nusėda tirpalo apačioje. Tai reiškia, kad jie turi labai mažą disociacijos laipsnį ir didelę jungties energiją, kuri normaliomis sąlygomis neleidžia molekulei suskaidyti į ją sudarančius jonus. Silpnų elektrolitų disociacija vyksta arba labai lėtai, arba didėjant temperatūrai ir šios medžiagos koncentracijai tirpale.
Pakalbėkime apie stiprius elektrolitus. Tai apima visas tirpias druskas, taip pat stiprias rūgštis ir šarmus. Jie lengvai skyla į jonus ir labai sunku juos surinkti krituliuose. Srovė elektrolituose, beje, yra vedamabūtent dėl tirpale esančių jonų. Todėl stiprūs elektrolitai geriausiai praleidžia srovę. Pastarųjų pavyzdžiai: stiprios rūgštys, šarmai, tirpios druskos.
Veiksniai, turintys įtakos elektrolitų veikimui
Dabar išsiaiškinkime, kaip išorinės aplinkos pokyčiai veikia medžiagų savybes. Koncentracija tiesiogiai veikia elektrolitų disociacijos laipsnį. Be to, šis santykis gali būti išreikštas matematiškai. Šį ryšį aprašantis dėsnis vadinamas Ostvaldo skiedimo dėsniu ir parašytas taip: a=(K / c)1/2. Čia a – disociacijos laipsnis (paimtas trupmenomis), K – disociacijos konstanta, kuri kiekvienai medžiagai skiriasi, o c – elektrolito koncentracija tirpale. Pagal šią formulę galite daug sužinoti apie medžiagą ir jos elgesį tirpale.
Bet mes nukrypstame. Be koncentracijos, disociacijos laipsniui įtakos turi ir elektrolito temperatūra. Daugumos medžiagų jo padidinimas padidina tirpumą ir reaktyvumą. Tai gali paaiškinti kai kurių reakcijų atsiradimą tik esant aukštesnei temperatūrai. Įprastomis sąlygomis jie vyksta arba labai lėtai, arba abiem kryptimis (toks procesas vadinamas grįžtamuoju).
Išanalizavome veiksnius, lemiančius sistemos, pvz., elektrolito tirpalo, elgesį. Dabar pereikime prie šių, be jokios abejonės, labai svarbių cheminių medžiagų praktinio taikymo.
Pramoninis naudojimas
Žinoma, visi yra girdėję žodį „elektrolitas“baterijų atžvilgiu. Automobilyje naudojami švino rūgšties akumuliatoriai, kurių elektrolitas yra 40% sieros rūgšties. Norint suprasti, kam šios medžiagos ten apskritai reikia, verta suprasti baterijų ypatybes.
Taigi, koks yra bet kurios baterijos veikimo principas? Juose vyksta grįžtamoji vienos medžiagos virsmo kita reakcija, dėl kurios išsiskiria elektronai. Įkraunant akumuliatorių, vyksta medžiagų sąveika, kuri normaliomis sąlygomis nepasiekiama. Tai gali būti pavaizduota kaip elektros kaupimasis medžiagoje dėl cheminės reakcijos. Kai prasideda iškrovimas, prasideda atvirkštinė transformacija, vedanti į pradinę būseną. Šie du procesai kartu sudaro vieną įkrovimo ir iškrovimo ciklą.
Panagrinėkime aukščiau pateiktą procesą konkrečiu pavyzdžiu – švino rūgšties akumuliatoriumi. Kaip galite atspėti, šį srovės š altinį sudaro elementas, kuriame yra švino (taip pat švino dioksido PbO2) ir rūgšties. Bet kuri baterija susideda iš elektrodų ir tarpo tarp jų, užpildytų tik elektrolitu. Kaip paskutinis, kaip jau išsiaiškinome, mūsų pavyzdyje sieros rūgštis naudojama 40 proc. Tokios baterijos katodas pagamintas iš švino dioksido, o anodas – iš gryno švino. Taip yra todėl, kad šiuose dviejuose elektroduose vyksta skirtingos grįžtamosios reakcijos, dalyvaujant jonams, į kuriuos rūgštis disocijuoja:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(reakcija vyksta prie neigiamo elektrodo – katodo).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Reakcija ties teigiamu elektrodu – anodu).
Jei reakcijas skaitome iš kairės į dešinę – gauname procesus, kurie vyksta išsikrovus akumuliatoriui, o jei iš dešinės į kairę – kraunant. Kiekviename cheminės srovės š altinyje šios reakcijos yra skirtingos, tačiau jų atsiradimo mechanizmas paprastai aprašomas vienodai: vyksta du procesai, kurių viename „sugeriami“elektronai, o kitame, priešingai, jie „ palikti . Svarbiausia, kad sugertų elektronų skaičius būtų lygus išspinduliuotųjų skaičiui.
Tiesą sakant, be baterijų, šios medžiagos yra daug pritaikytos. Apskritai elektrolitai, kurių pavyzdžius pateikėme, yra tik grūdelis iš įvairių medžiagų, kurios yra sujungtos pagal šį terminą. Jie mus supa visur, visur. Paimkime, pavyzdžiui, žmogaus kūną. Ar manote, kad šių medžiagų nėra? Tu labai klysti. Jų yra visur mumyse, o didžiausias kiekis – kraujo elektrolitų. Tai apima, pavyzdžiui, geležies jonus, kurie yra hemoglobino dalis ir padeda transportuoti deguonį į mūsų kūno audinius. Kraujo elektrolitai taip pat atlieka pagrindinį vaidmenį reguliuojant vandens ir druskos pusiausvyrą bei širdies veiklą. Šią funkciją atlieka kalio ir natrio jonai (netgi ląstelėse vyksta procesas, vadinamas kalio-natrio pompa).
Bet kokia medžiaga, kurią galite nors šiek tiek ištirpinti, yra elektrolitai. Ir nėra tokios pramonės ir mūsų gyvenimo pas jus, kurkad ir kokie jie būtų taikomi. Tai ne tik akumuliatoriai automobiliuose ir akumuliatoriai. Tai bet kokia chemijos ir maisto gamyba, karinės gamyklos, drabužių gamyklos ir pan.
Beje, elektrolito sudėtis skiriasi. Taigi, galima atskirti rūgštinį ir šarminį elektrolitą. Jos iš esmės skiriasi savo savybėmis: kaip jau minėjome, rūgštys yra protonų donorės, o šarmai – akceptoriai. Tačiau laikui bėgant elektrolito sudėtis keičiasi dėl dalies medžiagos praradimo, koncentracija arba mažėja, arba didėja (viskas priklauso nuo to, kas prarandama, vandens ar elektrolito).
Su jais susiduriame kiekvieną dieną, tačiau mažai žmonių tiksliai žino tokio termino kaip elektrolitai apibrėžimą. Pateikėme konkrečių medžiagų pavyzdžius, todėl pereikime prie šiek tiek sudėtingesnių sąvokų.
Fizikinės elektrolitų savybės
Dabar apie fiziką. Svarbiausias dalykas, kurį reikia suprasti studijuojant šią temą, yra tai, kaip srovė perduodama elektrolituose. Jonai čia vaidina lemiamą vaidmenį. Šios įkrautos dalelės gali perkelti krūvį iš vienos tirpalo dalies į kitą. Taigi anijonai visada linkę į teigiamą elektrodą, o katijonai - į neigiamą. Taigi, veikdami tirpalą elektros srove, atskiriame krūvius skirtingose sistemos pusėse.
Labai įdomi tokia fizinė charakteristika kaip tankis. Nuo to priklauso daugelis mūsų aptartų junginių savybių. Ir dažnai iškyla klausimas: "Kaip padidinti elektrolito tankį?" Tiesą sakant, atsakymas paprastas: reikia sumažinti turinio versijąvanduo tirpale. Kadangi elektrolito tankį daugiausia lemia sieros rūgšties tankis, tai labai priklauso nuo pastarosios koncentracijos. Yra du būdai įgyvendinti planą. Pirmasis yra gana paprastas: užvirinkite akumuliatoriuje esantį elektrolitą. Norėdami tai padaryti, turite jį įkrauti, kad temperatūra viduje pakiltų šiek tiek virš šimto laipsnių Celsijaus. Jei šis metodas nepadeda, nesijaudinkite, yra dar vienas: tiesiog pakeiskite seną elektrolitą nauju. Norėdami tai padaryti, nusausinkite seną tirpalą, išvalykite sieros rūgšties likučių vidų distiliuotu vandeniu ir supilkite naują porciją. Paprastai aukštos kokybės elektrolitų tirpalai iš karto turi norimą koncentraciją. Pakeitę, galite ilgam pamiršti, kaip padidinti elektrolito tankį.
Elektrolito sudėtis daugiausia lemia jo savybes. Pavyzdžiui, tokios charakteristikos kaip elektrinis laidumas ir tankis labai priklauso nuo tirpios medžiagos pobūdžio ir jos koncentracijos. Yra atskiras klausimas, kiek elektrolito gali būti akumuliatoriuje. Tiesą sakant, jo tūris yra tiesiogiai susijęs su deklaruojama gaminio galia. Kuo daugiau sieros rūgšties akumuliatoriuje, tuo jis galingesnis, t. y. gali pagaminti didesnę įtampą.
Kur tai naudinga?
Jei esate automobilių entuziastas ar tiesiog mėgstate automobilius, tuomet jūs pats viską suprantate. Tikrai net žinote, kaip dabar nustatyti, kiek elektrolito yra akumuliatoriuje. O jei toli nuo automobilių, tai žiniosŠių medžiagų savybės, jų panaudojimas ir sąveika tarpusavyje nebus nereikalingi. Tai žinodami, jūsų paprašys pasakyti, koks elektrolitas yra akumuliatoriuje, neturėsite nuostolių. Nors net jei nesate automobilių entuziastas, bet turite automobilį, baterijos įrenginio žinojimas tikrai nebus nereikalingas ir padės remontuoti. Viską padaryti pačiam bus daug lengviau ir pigiau nei važiuoti į autocentrą.
O norint geriau išnagrinėti šią temą, rekomenduojame perskaityti chemijos vadovėlį mokykloms ir universitetams. Jei gerai išmanote šį mokslą ir perskaitėte pakankamai vadovėlių, Varypajevo „Cheminės srovės š altiniai“būtų geriausias pasirinkimas. Jame išsamiai išdėstyta visa baterijų, įvairių baterijų ir vandenilio elementų veikimo teorija.
Išvada
Atėjome į pabaigą. Apibendrinkime. Aukščiau mes išanalizavome viską, kas susiję su tokia sąvoka kaip elektrolitai: pavyzdžiai, struktūros ir savybių teorija, funkcijos ir pritaikymai. Dar kartą verta pasakyti, kad šie junginiai yra mūsų gyvenimo dalis, be kurių mūsų kūnas ir visos pramonės sritys negalėtų egzistuoti. Ar prisimeni kraujo elektrolitus? Jų dėka mes gyvename. O kaip mūsų automobiliai? Turėdami šias žinias galėsime išspręsti bet kokią su akumuliatoriumi susijusią problemą, nes dabar suprantame, kaip padidinti joje esančio elektrolito tankį.
Neįmanoma visko papasakoti, o mes tokio tikslo nekėlėme. Juk tai dar ne viskas, ką galima pasakyti apie šias nuostabias medžiagas.
