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 industrije za upotrebu tih tvari i razumjeti što potonje predstavljaju i kako se one međusobno razlikuju. Ali krenimo s obilaskom 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 evoluirale su, počevši od 1880-ih, kada su napravljene brojne otkrića, povezane s teorijama elektrolitnih svojstava. U teorijama koje opisuju mehanizme interakcije elektrolita s vodom uočene su nekoliko kvalitativnih skokova (u stvari, samo u otopini 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

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

Razgovarajmo 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. Proces disocijacije je reverzibilan - tj. Ako se tvar razgrađuje u ionima, tada pod utjecajem nekih čimbenika može ponovno postati inicijalna.

3. Ako spojite elektrode s otopinom i pokrenete struju, kationi će se početi preseliti na negativnu elektrodu - katodu, 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 elektrolita 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. Koristit ćemo ih u ovom članku kako bismo 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 hidroksidni anion u otopini. Postoji još jedna teorija, nazvana po poznatom kemičaru Gilbertu Lewisu. To nam omogućava da malo proširimo koncept kiseline i baze. Prema teoriji Lewisa, kiseline su ioni ili molekule tvari koje imaju slobodne elektronske orbite i sposobne su uzeti elektron iz druge molekule. Lako je pogoditi da će baze biti one čestice koje su sposobne dati jedan ili više elektrona da "koriste" kiselinu. Ovdje je vrlo zanimljivo da kiselina ili baza mogu biti ne samo elektrolit, već i svaka tvar, čak i netopljiva u vodi.

Prototipna teorija Brandsted-Lowryja

Godine 1923., međusobno neovisno, dva znanstvenika - J. Bronsted i T. Lowry - predložili su teoriju koju znanstvenici sada aktivno koriste za opisivanje kemijskih procesa. Bit ove teorije jest 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 se kiseline ili baze obično nazivaju protoliti.

Došli smo do sljedećeg dijela članka. Ovdje opisujemo kako se različiti jaki i slabi elektroliti razlikuju jedan od drugoga i raspravljaju 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 niski stupanj disocijacije i visoku energiju vezanja koja ne dopušta molekuli da se raspada u konstituirajuće ione pod normalnim uvjetima. Disocijacija slabih elektrolita dolazi ili 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 točno ioni sadržani u otopini. Stoga, najbolji elektrolit provodi struju. Primjeri potonjih: jake kiseline, lužine, topive soli.

Čimbenici koji utječu na ponašanje elektrolita

Sada ćemo vidjeti kako promjena u vanjskom okruženju utječe na svojstva tvari. Koncentracija izravno utječe na stupanj disocijacije elektrolita. Štoviše, taj odnos može se izraziti matematički. Zakon koji opisuje tu povezanost zove se Ostwaldov zakon o razrjeđivanju i napisan je kao: a = (K / c) ^1/2 . Ovdje je a stupanj disocijacije (uzeti u frakcije), K je konstanta disocijacije, različita za svaku tvar, a c je koncentracija elektrolita u otopini. Pomoću ove formule može se mnogo naučiti o supstanci i njenom ponašanju u rješenju.

Ali odstupili smo 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 zove reverzibilan).

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

Industrijska uporaba

Naravno, svatko je čuo riječ "elektrolit" kako se primjenjuje na baterije. U automobilu koriste olovo-kiselinske baterije, ulogu elektrolita u kojem djeluje 40 posto sumporne kiseline. Da biste shvatili zašto postoji potreba za tom supstancom, potrebno je razumjeti značajke baterije.

Pa što je načelo 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 smatrati akumulacijom električne energije u tvari kao rezultat kemijske reakcije. Kada otpuštanje 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. Nije teško pogoditi da se ovaj trenutni izvor sastoji od elementa koji sadrži olovo (kao i olovni dioksid PbO ₂ ) i kiseline. Bilo koja baterija se sastoji od elektroda i razmaka između njih, ispunjen samo 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 to, jer na ovim dvjema elektrodama postoje različite reverzibilne reakcije koje uključuju ione, na koje je disocijacija kiseline:

1. PbO2 + SO4 ^2- + 4H ⁺ + 2e ^- = PbS04 + 2H20 (reakcija koja se javlja na negativnoj elektrodnoj katodi).
2. Pb + SO4 ^2- - 2e ^- = PbS04 (Reakcija koja teče na pozitivnoj elektrodnoj anodi).

Ako čitamo reakcije s lijeva na desno, dobivamo procese koji se odvijaju kad se baterija ispusti i ako je s desna na lijevo - tijekom punjenja. U svakom kemijskom izvoru struje, te reakcije su različite, ali mehanizam njihovog protoka općenito opisuje na isti način: dva procesa, jedan od kojih se elektron "apsorbira", a drugi "izlazi". Najvažnije je da je broj apsorbiranih elektrona jednak broju oslobođenih elektrona.

Zapravo, uz baterije, postoji mnogo primjena tih tvari. Općenito, elektroliti, primjeri kojih smo dali, samo su zrna raznovrsnosti tvari koje su ujedinjene pod tim 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 nastaju elektroliti krvi. To uključuje, na primjer, ione željeza koji su dio hemoglobina i pomažu transportu kisika u tkivo našeg tijela. Elektroliti krvi također igraju ključnu ulogu u reguliranju ravnoteže između soli i radova srca. Ova funkcija provodi se kalijevim i natrijevim ionima (postoji čak i proces koji se odvija u stanicama, što se naziva kalijeva natrijeva pumpa).

Sve tvari koje možete barem malo otopiti - elektroliti. I nema takve grane industrije i našeg života 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 kiseli i alkalni elektrolit. U osnovi se razlikuju po svojim svojstvima: kao što smo već rekli, kiseline su donatori protona, i akceptori alkalije. Ali vremenom se sastav elektrolita mijenja uslijed 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 takvog pojma kao elektroliti. Primjeri specifičnih tvari, rastavljeni smo, pa prijeđimo na nešto složenije koncepte.

Fizička 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. Ove napunjene čestice mogu nositi naboj s jednog dijela otopine u drugi. Dakle, anioni uvijek pronalaze pozitivnu elektrodu, 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 ovise mnoga svojstva spojeva u raspravama. 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 gustoćom sumporne kiseline, to u velikoj mjeri ovisi o koncentraciji potonjeg. Postoje dva načina da to postignete. Prvi je jednostavan: kuhajte elektrolit koji se nalazi u bateriji. Da biste to učinili, trebate je napuniti tako da temperatura unutar nečega prijeđe 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, kvalitativna rješenja elektrolita odmah imaju potrebnu 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 koliko elektrolita može biti u bateriji. Zapravo, njegov volumen izravno je povezan s deklariranom sposobnošću proizvoda. Što je više sumporne kiseline unutar baterije, to je moćniji, tj. Što je veći napon u stanju proizvesti.

Gdje je korisno?

Ako ste obožavatelj automobila ili samo volite automobile, onda sami razumijete 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 u gubitku 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. Tu je detaljno opisana cjelokupna teorija rada akumulatora, različitih baterija i vodikovih elemenata.

zaključak

Došli smo do kraja. Pretpostavimo. Iznad smo analizirali sve što se tiče takvog koncepta kao elektrolita: 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 krvnih 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.