Electroliți: exemple. Compoziția și proprietățile electroliților. Electroliți puternici și slabi

Electroliții ca substanțe chimice au fost cunoscuți din cele mai vechi timpuri. Cu toate acestea, majoritatea domeniilor de aplicare au câștigat relativ recent. Vom discuta domeniile cele mai prioritare ale industriei pentru utilizarea acestor substanțe și vom înțelege ce reprezintă acestea din urmă și cum diferă unele de altele. Dar să începem cu un tur al istoriei.

poveste

Cele mai vechi electroliți cunoscuți sunt sărurile și acizii, descoperiți în lumea antică. Cu toate acestea, ideile despre structura și proprietățile electroliților s-au dezvoltat cu timpul. Teoriile acestor procese au evoluat, începând cu anii 1880, când au fost făcute mai multe descoperiri, legate de teoriile proprietăților electrolitice. Au fost observate mai multe salturi calitative în teoriile care descriu mecanismele de interacțiune a electroliților cu apa (de fapt, numai în soluție obțin acele proprietăți care le fac utilizate în industrie).

Acum vom discuta în detaliu câteva teorii care au avut cel mai mare impact asupra dezvoltării ideilor despre electroliți și proprietățile lor. Și începeți cu cea mai comună și mai simplă teorie că fiecare dintre noi a trecut la școală.

Teoria disocierii electrolitice Arrhenius

În 1887 chimistul suedez Svante Arrhenius și chimistul ruso-german Wilhelm Ostwald au creat teoria disocierii electrolitice. Cu toate acestea, și aici nu este așa de simplu. Arrhenius însuși a susținut așa-numita teorie fizică a soluțiilor, care nu ia în considerare interacțiunea substanțelor constituente cu apă și a susținut că în soluție există particule încărcate libere (ioni). Apropo, este de la astfel de poziții că disociația electrolitică în școală este luată în considerare astăzi.

Să vorbim la fel despre ce oferă această teorie și cum explică mecanismul interacțiunii substanțelor cu apa. Ca orice altcineva, are mai multe postulate pe care le folosește:

1. Când interacționează cu apa, substanța se descompune în ioni (cationi pozitivi și negativi - anioni). Aceste particule suferă hidratare: atrag molecule de apă, care, întâmplător, sunt încărcate pozitiv pe o parte, iar pe de altă parte - negative (formează un dipol), prin urmare se formează în acvacomplexe (solvați).

2. Procesul de disociere este reversibil - adică dacă substanța sa destrămat în ioni, atunci sub influența unor factori poate deveni din nou cea inițială.

3. Dacă conectați electrozi la soluție și porniți curentul, cationii vor începe să se deplaseze la electrodul negativ - catodul și anionii la încărcarea pozitivă - anodul. De aceea, substanțele care sunt foarte solubile în apă conduc un curent electric mai bun decât apa în sine. Din același motiv au fost numiți electroliți.

4. Gradul de disociere a electrolitului caracterizează procentul substanței care a suferit dizolvarea. Acest indicator depinde de proprietățile solventului și de substanța cea mai dizolvată, de concentrația acestuia din urmă și de temperatura exterioară.

Aici, de fapt, și toate postulatele fundamentale ale acestei teorii simple. Le vom folosi în acest articol pentru a descrie ce se întâmplă în soluția de electroliți. Exemple de astfel de compuși vor fi discutate mai târziu, dar acum vom lua în considerare o altă teorie.

Teoria acizilor și bazelor lui Lewis

Conform teoriei disocierii electrolitice, acidul este o substanță în soluția căreia există un cation hidrogen și baza este un compus descompus într-un anion de hidroxid în soluție. Există o altă teorie, numită după faimosul chimist Gilbert Lewis. Ne permite să extindem oarecum conceptul de acid și bază. Conform teoriei lui Lewis, acizii sunt ioni sau molecule de materie care au orbitale electronice libere și sunt capabile să ia un electron dintr-o altă moleculă. Este ușor de ghicit că bazele vor fi acele particule care sunt capabile să ofere unuia sau mai multor electroni să "folosească" acidul. Este foarte interesant aici că acidul sau baza nu pot fi numai electrolit, ci orice substanță, chiar insolubilă în apă.

Teoria prototipică a lui Brandsted-Lowry

În 1923, în mod independent unul de celălalt, doi cercetători - J. Bronsted și T. Lowry - au propus o teorie, care este acum folosită în mod activ de către oamenii de știință pentru a descrie procesele chimice. Esența acestei teorii este că sensul disocierii este redus la transferul protonului de la acid la bază. Astfel, acesta din urmă este înțeles aici ca un acceptor de protoni. Atunci acidul este donatorul lor. De asemenea, teoria explică bine existența substanțelor care prezintă proprietăți și acizi și baze. Astfel de compuși se numesc amfoterici. În teoria lui Bronsted-Lowry, termenul amfoliți este de asemenea folosit pentru ei, în timp ce acidul sau bazele sunt denumite în mod obișnuit protolite.

Am ajuns la următoarea parte a articolului. Aici descriem modul în care diferite electroliți puternici și slabi diferă unul de celălalt și discută influența factorilor externi asupra proprietăților lor. Și apoi vom începe să descriem aplicarea lor practică.

Electroliți puternici și slabi

Fiecare substanță interacționează cu apa individual. Unii se dizolvă bine (de exemplu, sare de masă), iar unele nu se dizolvă deloc (de exemplu, creta). Astfel, toate substanțele sunt împărțite în electroliți puternici și slabi. Acestea din urmă sunt substanțe care interacționează prost cu apă și se găsesc pe fundul soluției. Aceasta înseamnă că acestea au un grad foarte scăzut de disociere și o energie mare de legare, care nu permite moleculei să se descompună în ionii ei constituenți în condiții normale. Disocierea electroliților slabi are loc fie foarte încet, fie cu o creștere a temperaturii și concentrației acestei substanțe în soluție.

Să vorbim despre electroliți puternici. Acestea includ toate sărurile solubile, precum și acizii și alcalinele puternice. Se scade ușor în ioni și este foarte dificil să se colecteze în precipitat. Apropo, curentul în electroliți se realizează tocmai prin ionii conținute în soluție. Prin urmare, cel mai bun electrolit conduce curentul. Exemple de acestea din urmă: acizi puternici, alcalii, săruri solubile.

Factorii care afectează comportamentul electroliților

Acum, să vedem cum modificarea mediului extern afectează proprietățile substanțelor. Concentrația afectează în mod direct gradul de disociere a electrolitului. Mai mult, această relație poate fi exprimată matematic. Legea care descrie această legătură este numită legea de diluare a lui Ostwald și este scrisă ca: a = (K / c) ^1/2 . Aici a este gradul de disociere (luat în fracții), K este constanta de disociere, diferită pentru fiecare substanță și c este concentrația de electroliți în soluție. Prin această formulă, se poate învăța multe despre substanță și comportamentul său în soluție.

Dar am deviat de la subiect. În plus față de concentrație, gradul de disociere este de asemenea afectat de temperatura electrolitului. Pentru cele mai multe substanțe, creșterea acesteia crește solubilitatea și activitatea chimică. Acest lucru poate explica cursul anumitor reacții numai la temperaturi ridicate. În condiții normale, acestea merg fie foarte încet, fie în ambele direcții (acest proces se numește reversibil).

Am analizat factorii care determină comportamentul unui astfel de sistem ca soluția de electroliți. Acum, să abordăm aplicarea practică a acestor chimicale, fără îndoială, foarte importante.

Utilizare industrială

Desigur, toată lumea a auzit cuvântul "electrolit" aplicat bateriilor. În mașină se utilizează baterii plumb-acid, rolul de electrolit în care se efectuează 40% acid sulfuric. Pentru a înțelege de ce este nevoie de această substanță, este necesar să înțelegeți caracteristicile bateriei.

Deci, care este principiul oricărei baterii? În ele are loc o reacție reversibilă a transformării unei substanțe în alta, ca urmare a eliberării electronilor. Când bateria este încărcată, există o interacțiune a substanțelor, care nu se obține în condiții normale. Acest lucru poate fi considerat drept acumularea de energie electrică într-o substanță ca urmare a unei reacții chimice. Când debitul începe, transformarea inversă începe, conducând sistemul la starea sa inițială. Aceste două procese împreună constituie un ciclu de încărcare-descărcare.

Luați în considerare procesul de mai sus pe un exemplu specific - o baterie plumb-acid. Nu este greu de ghicit că această sursă de curent constă dintr-un element care conține plumb (precum și dioxid de plumb PbO2) și acid. Orice baterie este alcătuită din electrozi și spațiul dintre ele, umplut doar cu electrolit. Ca ultimul, după cum am explicat deja, în exemplul nostru se utilizează acid sulfuric cu o concentrație de 40%. Catodul unei astfel de baterii este realizat din dioxid de plumb, iar anodul este compus din plumb. Toate acestea, deoarece pe acești doi electrozi există diferite reacții reversibile care implică ioni, la care acidul este disociat:

1. PbO ₂ + SO ₄ ² + 4H ⁺ + 2e ^- = PbSO ₄ + 2H ₂ O (reacția apare la catodul electrod negativ).
2. Pb + SO4 ^2- - 2e ^- = PbSO ₄ (Reacție care curge pe electrodul pozitiv - anod).

Dacă citim reacțiile de la stânga la dreapta, obținem procesele care au loc atunci când bateria este descărcată și dacă de la dreapta la stânga - în timpul încărcării. În fiecare sursă chimică de curent, aceste reacții sunt diferite, dar mecanismul curgerii lor este în general descris în același mod: apar două procese, la unul dintre care electronii sunt "absorbiți", iar în celălalt, "ieși". Cel mai important lucru este că numărul de electroni absorbiți este egal cu numărul de electroni eliberați.

De fapt, în plus față de baterii, există o mulțime de aplicații ale acestor substanțe. În general, electroliții, exemplele pe care le-am dat, sunt doar un amestec de substanțe care sunt unite sub acest termen. Ne înconjoară oriunde, peste tot. Aici, de exemplu, este corpul uman. Credeți că aceste substanțe nu sunt acolo? Foarte greșit. Ele sunt peste tot în noi, iar cel mai mare număr este format din electroliți de sânge. Acestea includ, de exemplu, ionii de fier care fac parte din hemoglobina si ajuta la transportul oxigenului catre tesuturile corpului nostru. Electroliții din sânge joacă, de asemenea, un rol-cheie în reglarea echilibrului apă-sare și a activității inimii. Această funcție este efectuată de ioni de potasiu și de sodiu (există chiar și un proces care are loc în celule, numit o pompă de potasiu-sodiu).

Orice substanțe pe care le puteți dizolva cel puțin puțin - electroliți. Și nu există nici o ramură a industriei și viața noastră cu voi, oriunde s-ar aplica. Nu sunt doar baterii în mașini și baterii. Aceasta este orice producție chimică și alimentară, fabrici militare, fabrici de îmbrăcăminte și așa mai departe.

Compoziția electrolitului, apropo, este diferită. Astfel, este posibil să se izoleze electrolitul acid și alcalin. În principiu, ele diferă în proprietățile lor: așa cum am spus deja, acizii sunt donatori de protoni și alcalini acceptori. Dar odată cu modificarea compoziției electrolitului datorită pierderii unei părți a substanței, concentrația fie scade, fie crește (totul depinde de ceea ce se pierde, de apă sau de electrolit).

Ne confruntăm cu ei în fiecare zi, dar foarte puțini oameni cunosc exact definiția unui astfel de termen ca electroliții. Exemple de substanțe specifice, am dezmembrat, deci trecem la un concept ușor mai complex.

Proprietățile fizice ale electroliților

Acum despre fizică. Cel mai important lucru pe care trebuie să-l înțelegeți atunci când studiați acest subiect este modul în care curentul este transferat în electroliți. Rolul decisiv în acest mod este jucat de ioni. Aceste particule încărcate pot purta o încărcătură de la o parte a soluției la alta. Astfel, anionii tind mereu la electrodul pozitiv, iar cationii la electrodul negativ. Astfel, acționând asupra soluției cu un curent electric, împărțim sarcinile pe diferite părți ale sistemului.

Foarte interesant este o caracteristică fizică, cum ar fi densitatea. Multe proprietăți ale compușilor aflați în discuție depind de aceasta. Și o întrebare apare adesea: "Cum de a crește densitatea electrolitului?" De fapt, răspunsul este simplu: trebuie să reduceți conținutul de apă al soluției. Deoarece densitatea electrolitului este determinată în principal de densitatea acidului sulfuric, depinde în mare măsură de concentrația acestuia din urmă. Există două modalități de a realiza acest lucru. Primul este suficient de simplu: se fierbe electrolitul conținut în baterie. Pentru a face acest lucru, trebuie să-l încărcați astfel încât temperatura din interior să crească puțin peste o sută de grade Celsius. Dacă această metodă nu vă ajută, nu vă faceți griji, mai există unul: pur și simplu înlocuiți vechiul electrolit cu unul nou. Pentru aceasta, scurgeți soluția veche, curățați interiorul rămășițelor de acid sulfuric cu apă distilată și apoi turnați o nouă porție. De regulă, soluțiile calitative ale electroliților au imediat valoarea necesară de concentrare. După înlocuire, puteți uita cum să ridicați densitatea electrolitului mult timp.

Compoziția electrolitului determină în mare măsură proprietățile sale. Astfel de caracteristici precum conductivitatea electrică și densitatea, de exemplu, depind puternic de natura substanței dizolvate și de concentrația acesteia. Există o întrebare separată despre cantitatea de electroliți din baterie. De fapt, volumul său este direct legat de capacitatea declarată a produsului. Cu cât acidul sulfuric este mai mult în interiorul bateriei, cu atât mai puternic este, adică, cu cât tensiunea este mai mare pentru a produce.

Unde este util?

Dacă sunteți un entuziast de mașină sau doar vă place de mașini, atunci înțelegeți totul singur. Cu siguranță știți chiar și cum să determinați cât de mult este acum bateria acumulatorului. Și dacă sunteți departe de mașini, atunci cunoașterea proprietăților acestor substanțe, aplicațiile lor și modul în care acestea interacționează unul cu celălalt nu vor fi inutile. Știind asta, nu vei pierde dacă ți se cere să spui ce electrolit este în baterie. Deși chiar dacă nu sunteți un pasionat de mașină, dar aveți o mașină, cunoașterea dispozitivului de acumulator nu va fi superfluă și vă va ajuta în reparații. Va fi mult mai ușor și mai ieftin să faceți totul pe cont propriu, decât să mergeți la centrul de mașini.

Și pentru a studia mai bine acest subiect, vă recomandăm să citiți manualul de chimie pentru școli și universități. Dacă știți bine această știință și ați citit suficiente manuale, cea mai bună opțiune va fi "Sursele chimice ale curentului" Varypaev. Acolo, întreaga teorie a funcționării acumulatorilor, a diferitelor elemente de baterii și hidrogen este descrisă în detaliu.

concluzie

Am ajuns la capăt. Să rezumăm. Mai sus, am analizat tot ceea ce privește un astfel de concept ca electroliții: exemple, teoria structurii și proprietăților, funcții și aplicații. Încă o dată merită să spunem că acești compuși fac parte din viața noastră, fără de care trupurile noastre și toate sferele industriei nu ar putea exista. Vă amintiți despre electroliții din sânge? Mulțumim lor trăim. Cum rămâne cu mașinile noastre? Cu ajutorul acestor cunoștințe putem rezolva orice problemă legată de acumulator, deoarece acum înțelegem cum să creștem densitatea electrolitului în el.

Totul nu poate fi spus, și nu am stabilit un astfel de scop. La urma urmei, acest lucru nu este tot ce se poate spune despre aceste substanțe uimitoare.