Az elektrolitok mint vegyi anyagok ősidők óta ismertek. Alkalmazási területeik nagy részét azonban viszonylag nemrég hódították meg. Megvitatjuk az ipar számára ezeknek az anyagoknak a legfontosabb felhasználási területeit, és kitaláljuk, mik az utóbbiak, és miben különböznek egymástól. De kezdjük a történelembe való kitéréssel.
Előzmények
A legrégebbi ismert elektrolitok az ókorban felfedezett sók és savak. Az elektrolitok szerkezetére és tulajdonságaira vonatkozó elképzelések azonban idővel fejlődtek. Ezeknek a folyamatoknak az elméletei az 1880-as évek óta fejlődtek ki, amikor is számos felfedezést tettek az elektrolitok tulajdonságaira vonatkozó elméletekkel kapcsolatban. Az elektrolitok vízzel való kölcsönhatásának mechanizmusait leíró elméletekben számos minőségi ugrás történt (végül is csak oldatban nyerik el azokat a tulajdonságokat, amelyek miatt az iparban használják őket).
Most részletesen elemzünk több olyan elméletet, amelyek a legnagyobb hatással voltak az elektrolitokkal és tulajdonságaikkal kapcsolatos elképzelések fejlődésére. És kezdjük a legáltalánosabb és legegyszerűbb elmélettel, amelyet mindannyian átvettünk az iskolában.
Arrhenius elektrolitikus disszociációelmélete
1887-benSvante Arrhenius svéd kémikus és Wilhelm Ostwald orosz-német kémikus alkotta meg az elektrolitikus disszociáció elméletét. Azonban itt sem minden olyan egyszerű. Arrhenius maga is az úgynevezett fizikai megoldások elméletének híve volt, amely nem vette figyelembe az alkotó anyagok vízzel való kölcsönhatását, és azzal érvelt, hogy az oldatban szabad töltésű részecskék (ionok) vannak. Egyébként manapság az iskolában ilyen pozíciókból gondolják az elektrolitikus disszociációt.
Beszéljünk még arról, mit ad ez az elmélet, és hogyan magyarázza meg nekünk az anyagok és a vízzel való kölcsönhatás mechanizmusát. Mint mindenki másnak, neki is számos posztulátuma van, amelyeket használ:
1. Vízzel való kölcsönhatás során az anyag ionokra bomlik (pozitív - kation és negatív - anion). Ezek a részecskék hidratáción mennek keresztül: vonzzák magukhoz a vízmolekulákat, amelyek egyébként az egyik oldalon pozitív, a másikon negatív töltésűek (dipólust képeznek), ennek eredményeként vízkomplexekké (szolvátok) képződnek.
2. A disszociáció folyamata reverzibilis - vagyis ha az anyag ionokra bomlott, akkor bármilyen tényező hatására ismét az eredetivé alakulhat.
3. Ha elektródákat csatlakoztat az oldathoz, és áramot indít, akkor a kationok a negatív elektród - a katód - felé, az anionok pedig a pozitív töltésű - az anód felé mozognak. Éppen ezért a vízben jól oldódó anyagok jobban vezetik az elektromosságot, mint maga a víz. Ugyanezen okból elektrolitoknak is nevezik őket.
4. Az elektrolit disszociációs foka az oldódáson átesett anyag százalékos arányát jellemzi. Ezaz indikátor az oldószer és magának az oldott anyagnak a tulajdonságaitól, az utóbbi koncentrációjától és a külső hőmérséklettől függ.
Itt, valójában, és ennek az egyszerű elméletnek az összes alapvető posztulátuma. Ebben a cikkben ezeket használjuk annak leírására, hogy mi történik az elektrolitoldatban. Kicsit később elemezzük ezekre a vegyületekre a példákat, de most egy másik elmélettel foglalkozunk.
Lewis savak és bázisok elmélete
Az elektrolitikus disszociáció elmélete szerint a sav olyan anyag, amelyben hidrogénkation van, a bázis pedig olyan vegyület, amely oldatban hidroxid-anionra bomlik. Van egy másik elmélet, amelyet Gilbert Lewis híres vegyészről neveztek el. Lehetővé teszi a sav és bázis fogalmának valamelyest kiterjesztését. A Lewis-elmélet szerint a savak egy anyag ionjai vagy molekulái, amelyek szabad elektronpályával rendelkeznek, és képesek elektront fogadni egy másik molekulától. Könnyű kitalálni, hogy a bázisok olyan részecskék lesznek, amelyek képesek egy vagy több elektronjukat a sav "felhasználására" adni. Itt nagyon érdekes, hogy nem csak az elektrolit, hanem minden, még vízben oldhatatlan anyag is lehet sav vagy bázis.
Brandsted-Lowry protolitikus elmélet
1923-ban, egymástól függetlenül, két tudós – J. Bronsted és T. Lowry – olyan elméletet javasolt, amelyet a tudósok ma már aktívan használnak a kémiai folyamatok leírására. Ennek az elméletnek a lényege aza disszociáció a proton savból bázisba való átvitelére redukálódik. Ez utóbbin tehát itt proton akceptorként értünk. Ekkor a sav a donorjuk. Az elmélet jól megmagyarázza olyan anyagok létezését is, amelyek mind a savak, mind a bázisok tulajdonságait mutatják. Az ilyen vegyületeket amfoternek nevezik. A Bronsted-Lowry elméletben az amfolit kifejezést is használják rájuk, míg a savakat vagy bázisokat általában protolitoknak nevezik.
Elérkeztünk a cikk következő részéhez. Itt elmondjuk, hogy az erős és gyenge elektrolitok miben különböznek egymástól, és megvitatjuk a külső tényezők hatását tulajdonságaikra. És akkor elkezdjük leírni gyakorlati alkalmazásukat.
Erős és gyenge elektrolitok
Minden anyag külön-külön lép kölcsönhatásba a vízzel. Van, amelyik jól oldódik benne (például konyhasó), míg van, amelyik egyáltalán nem (például kréta). Így minden anyag erős és gyenge elektrolitokra oszlik. Ez utóbbiak olyan anyagok, amelyek rosszul kölcsönhatásba lépnek a vízzel, és az oldat alján ülepednek. Ez azt jelenti, hogy nagyon alacsony a disszociációs fokuk és nagy a kötési energiájuk, ami normál körülmények között nem teszi lehetővé, hogy a molekula az alkotó ionokra bomlik. A gyenge elektrolitok disszociációja vagy nagyon lassan megy végbe, vagy az anyag hőmérsékletének és koncentrációjának növekedésével az oldatban.
Beszéljünk az erős elektrolitokról. Ide tartoznak az összes oldható só, valamint az erős savak és lúgok. Könnyen bomlanak ionokká, és nagyon nehéz összegyűjteni őket csapadékban. Az elektrolitok áramát egyébként vezetiképpen az oldatban lévő ionok miatt. Ezért az erős elektrolitok vezetik a legjobban az áramot. Példák az utóbbira: erős savak, lúgok, oldható sók.
Az elektrolitok viselkedését befolyásoló tényezők
Most nézzük meg, hogyan befolyásolják a külső környezet változásai az anyagok tulajdonságait. A koncentráció közvetlenül befolyásolja az elektrolit disszociáció mértékét. Sőt, ez az arány matematikailag is kifejezhető. Az ezt az összefüggést leíró törvényt Ostwald-hígítási törvénynek nevezzük, és a következőképpen írjuk le: a=(K / c)1/2. Itt a a disszociáció mértéke (törtszámban), K a disszociációs állandó, amely anyagonként eltérő, c pedig az elektrolit koncentrációja az oldatban. Ezzel a képlettel sokat megtudhat az anyagról és annak oldatban való viselkedéséről.
De elkalandozunk. A disszociáció mértékét a koncentráció mellett az elektrolit hőmérséklete is befolyásolja. A legtöbb anyag esetében ennek növelése növeli az oldhatóságot és a reakciókészséget. Ez megmagyarázhatja bizonyos reakciók előfordulását csak magasabb hőmérsékleten. Normál körülmények között vagy nagyon lassan haladnak, vagy mindkét irányban (az ilyen folyamatot reverzibilisnek nevezik).
Elemeztük azokat a tényezőket, amelyek meghatározzák egy rendszer, például az elektrolitoldat viselkedését. Most térjünk át ezeknek a kétségtelenül nagyon fontos vegyszereknek a gyakorlati alkalmazására.
Ipari felhasználás
Természetesen mindenki hallotta már az "elektrolit" szótakkumulátorokkal kapcsolatban. Az autó ólom-savas akkumulátorokat használ, amelyek elektrolitja 40%-os kénsav. Ahhoz, hogy megértsük, miért van egyáltalán szükség erre az anyagra, érdemes megérteni az akkumulátorok jellemzőit.
Tehát mi az akkumulátor elve? Bennük az egyik anyag másikká való átalakulásának reverzibilis reakciója következik be, amelynek eredményeként elektronok szabadulnak fel. Az akkumulátor feltöltésekor anyagok kölcsönhatása megy végbe, ami normál körülmények között nem jön létre. Ezt úgy ábrázolhatjuk, mint az elektromosság felhalmozódását egy anyagban kémiai reakció eredményeként. Amikor a kisülés megkezdődik, megkezdődik a fordított átalakítás, amely a rendszert a kezdeti állapotba viszi. Ez a két folyamat együtt egy töltési-kisütési ciklust alkot.
Nézzük meg a fenti folyamatot egy konkrét példán – egy ólom-savas akkumulátoron. Ahogy sejtheti, ez az áramforrás egy ólmot (valamint ólom-dioxidot PbO2) és savat tartalmazó elemből áll. Bármely akkumulátor elektródákból és a köztük lévő térből áll, csak elektrolittal töltve. Utolsóként, amint azt már megtudtuk, példánkban a kénsavat 40 százalékos koncentrációban használjuk. Az ilyen akkumulátor katódja ólom-dioxidból, az anód pedig tiszta ólomból készül. Mindez azért van így, mert ezen a két elektródán különböző reverzibilis reakciók mennek végbe olyan ionok részvételével, amelyekbe a sav disszociált:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(reakció a negatív elektródon - katódon megy végbe).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Reakció a pozitív elektródán – anód).
Ha balról jobbra olvassuk a reakciókat - megkapjuk azokat a folyamatokat, amelyek az akkumulátor lemerülésekor, ha pedig jobbról balra - töltéskor mennek végbe. Mindegyik kémiai áramforrásban ezek a reakciók eltérőek, de előfordulásuk mechanizmusát általában azonos módon írják le: két folyamat megy végbe, amelyek közül az egyikben az elektronok „elnyelődnek”, a másikban pedig éppen ellenkezőleg, „ elhagy . A legfontosabb dolog az, hogy az elnyelt elektronok száma egyenlő a kibocsátottak számával.
Valójában az akkumulátorokon kívül ezeknek az anyagoknak számos felhasználási területe van. Általánosságban elmondható, hogy az elektrolitok, amelyekre példákat adtunk, csak egy szemcse azoknak az anyagoknak, amelyeket e kifejezés alatt kombinálnak. Mindenhol körülvesznek minket, mindenhol. Vegyük például az emberi testet. Ön szerint ezek az anyagok nincsenek ott? Nagyon tévedsz. Mindenhol megtalálhatóak bennünk, és a legnagyobb mennyiséget a vér elektrolitjai teszik ki. Ide tartoznak például a vasionok, amelyek a hemoglobin részét képezik, és segítik az oxigén szállítását szervezetünk szöveteibe. A vér elektrolitjai a víz-só egyensúly és a szívműködés szabályozásában is kulcsszerepet játszanak. Ezt a funkciót a kálium- és nátriumionok látják el (még a sejtekben is előfordul egy folyamat, amelyet kálium-nátrium pumpának neveznek).
Minden olyan anyag, amelyet csak egy kicsit is fel tud oldani, az elektrolit. És nincs ilyen iparág és az életünk veled, holbármit is alkalmaznak. Ez nem csak az autók akkumulátoraira és az akkumulátorokra vonatkozik. Ez bármilyen vegyi és élelmiszergyártás, katonai üzemek, ruhagyárak és így tovább.
Az elektrolit összetétele egyébként más. Tehát meg lehet különböztetni a savas és a lúgos elektrolitokat. Tulajdonságaikban alapvetően különböznek egymástól: mint már említettük, a savak protondonorok, a lúgok pedig akceptorok. De idővel az elektrolit összetétele megváltozik az anyag egy részének elvesztése miatt, a koncentráció vagy csökken, vagy nő (minden attól függ, hogy mi veszett el, víz vagy elektrolit).
Minden nap találkozunk velük, de kevesen ismerik pontosan az elektrolit fogalmát. Példákat tárgy altunk konkrét anyagokra, ezért térjünk át egy kicsit összetettebb fogalmakra.
Az elektrolitok fizikai tulajdonságai
Most a fizikáról. A legfontosabb dolog, amit meg kell érteni a téma tanulmányozása során, az az, hogy hogyan továbbítják az áramot az elektrolitokban. Ebben az ionok döntő szerepet játszanak. Ezek a töltött részecskék töltést tudnak átvinni az oldat egyik részéből a másikba. Tehát az anionok mindig a pozitív elektródhoz, a kationok pedig a negatívhoz hajlanak. Így az oldatra elektromos árammal hatva szétválasztjuk a rendszer különböző oldalain lévő töltéseket.
Nagyon érdekes egy olyan fizikai jellemző, mint a sűrűség. Az általunk tárgy alt vegyületek számos tulajdonsága attól függ. És gyakran felbukkan a kérdés: "Hogyan lehet növelni az elektrolit sűrűségét?" Valójában a válasz egyszerű: le kell építeni a tartalmatvíz oldatban. Mivel az elektrolit sűrűségét nagymértékben a kénsav sűrűsége határozza meg, ez nagyban függ az utóbbi koncentrációjától. A terv végrehajtásának két módja van. Az első nagyon egyszerű: forraljuk fel az akkumulátorban lévő elektrolitot. Ehhez fel kell töltenie, hogy a belső hőmérséklet valamivel száz Celsius fok fölé emelkedjen. Ha ez a módszer nem segít, ne aggódjon, van egy másik: egyszerűen cserélje ki a régi elektrolitot egy újra. Ehhez ürítse ki a régi oldatot, tisztítsa meg a belsejét a kénsavmaradékoktól desztillált vízzel, majd öntse bele az új adagot. A jó minőségű elektrolit oldatok általában azonnal elérik a kívánt koncentrációt. Csere után sokáig elfelejtheti, hogyan lehet növelni az elektrolit sűrűségét.
Az elektrolit összetétele nagymértékben meghatározza tulajdonságait. Az olyan jellemzők, mint az elektromos vezetőképesség és a sűrűség, például nagymértékben függenek az oldott anyag természetétől és koncentrációjától. Külön kérdés, hogy mennyi elektrolit lehet az akkumulátorban. Valójában a térfogata közvetlenül kapcsolódik a termék deklarált teljesítményéhez. Minél több kénsav van az akkumulátorban, annál erősebb, azaz annál nagyobb feszültséget tud termelni.
Hol jön jól?
Ha autórajongó vagy, vagy csak az autókat szereti, akkor mindent értesz. Biztosan még azt is tudja, hogyan állapíthatja meg, hogy mennyi elektrolit van most az akkumulátorban. És ha messze vagy az autóktól, akkor tudásEzeknek az anyagoknak a tulajdonságai, alkalmazásaik és egymással való kölcsönhatásuk egyáltalán nem lesz felesleges. Ennek ismeretében nem fog csalódni, ha megkérik, hogy mondja meg, melyik elektrolit van az akkumulátorban. Bár még ha nem is autórajongó, de van autója, akkor az akkumulátor készülék ismerete egyáltalán nem lesz felesleges, és segít a javításban. Sokkal egyszerűbb és olcsóbb lesz mindent saját kezűleg elvégezni, mint elmenni az autóközpontba.
A téma jobb tanulmányozása érdekében javasoljuk, hogy olvassa el az iskolai és egyetemi kémia tankönyvet. Ha jól ismeri ezt a tudományt, és elég tankönyvet olvasott, Varypaev „Kémiai áramforrások” című könyve lenne a legjobb megoldás. Részletesen felvázolja az akkumulátorok, különféle akkumulátorok és hidrogéncellák működésének teljes elméletét.
Következtetés
A végéhez értünk. Foglaljuk össze. Fentebb mindent elemeztünk, ami egy olyan fogalommal kapcsolatos, mint az elektrolitok: példák, szerkezet- és tulajdonságelmélet, funkciók és alkalmazások. Még egyszer érdemes elmondani, hogy ezek a vegyületek életünk részei, amelyek nélkül nem létezhetne szervezetünk és az ipar minden területe. Emlékszel a vér elektrolitokra? Nekik köszönhetjük, hogy élünk. Mi lesz az autóinkkal? Ezzel a tudással minden, az akkumulátorral kapcsolatos problémát meg tudunk majd oldani, hiszen most már tudjuk, hogyan lehet növelni a benne lévő elektrolit sűrűségét.
Lehetetlen mindent elmondani, és nem is tűztünk ki ilyen célt. Végül is ez nem minden, amit elmondhatunk ezekről a csodálatos anyagokról.
