Електролитите като химикали са познати от древни времена. Въпреки това, те са завладяли повечето от областите си на приложение сравнително наскоро. Ще обсъдим областите с най-висок приоритет за индустрията да използва тези вещества и ще разберем какви са последните и как се различават един от друг. Но нека започнем с отклонение в историята.
История
Най-старите известни електролити са соли и киселини, открити в древния свят. Въпреки това, идеите за структурата и свойствата на електролитите са се развили с течение на времето. Теориите за тези процеси се развиват от 1880-те години, когато са направени редица открития, свързани с теориите за свойствата на електролитите. Има няколко качествени скока в теориите, описващи механизмите на взаимодействието на електролитите с водата (все пак само в разтвор те придобиват свойствата, поради които се използват в индустрията).
Сега ще анализираме подробно няколко теории, които са оказали най-голямо влияние върху развитието на представите за електролитите и техните свойства. И нека започнем с най-разпространената и проста теория, която всеки от нас приема в училище.
Арениусова теория на електролитната дисоциация
през 1887 гШведският химик Сванте Арениус и руско-германският химик Вилхелм Оствалд създават теорията за електролитната дисоциация. И тук обаче не всичко е толкова просто. Самият Арениус е привърженик на така наречената физическа теория на разтворите, която не отчита взаимодействието на съставните вещества с вода и твърди, че в разтвора има свободни заредени частици (йони). Между другото, именно от такива позиции днес в училище се разглежда електролитната дисоциация.
Нека все пак да поговорим какво дава тази теория и как ни обяснява механизма на взаимодействие на веществата с водата. Както всички останали, тя има няколко постулата, които използва:
1. При взаимодействие с вода веществото се разлага на йони (положителен - катион и отрицателен - анион). Тези частици претърпяват хидратация: те привличат водни молекули, които между другото са положително заредени от едната страна и отрицателно заредени от другата (образуват дипол), в резултат на което те се образуват във водни комплекси (солвати).
2. Процесът на дисоциация е обратим - т.е., ако веществото се е разпаднало на йони, то под въздействието на каквито и да е фактори може отново да се превърне в първоначалното.
3. Ако свържете електродите към разтвора и пуснете ток, тогава катионите ще започнат да се движат към отрицателния електрод - катода, а анионите - към положително заредения - анода. Ето защо веществата, които са силно разтворими във вода, провеждат електричество по-добре от самата вода. Те също се наричат електролити по същата причина.
4. Степента на дисоциация на електролита характеризира процента на веществото, което е претърпяло разтваряне. Товаиндикаторът зависи от свойствата на разтворителя и самото разтворено вещество, от концентрацията на последния и от външната температура.
Тук всъщност и всички основни постулати на тази проста теория. Ще ги използваме в тази статия, за да опишем какво се случва в електролитен разтвор. Ще анализираме примери за тези съединения малко по-късно, но сега ще разгледаме друга теория.
Теория на Луис за киселини и основи
Съгласно теорията на електролитната дисоциация, киселината е вещество, в което присъства водороден катион, а основата е съединение, което се разлага до хидроксиден анион в разтвор. Има и друга теория, кръстена на известния химик Гилбърт Луис. Това ви позволява да разширите донякъде концепцията за киселина и основа. Според теорията на Люис киселините са йони или молекули на вещество, които имат свободни електронни орбитали и са в състояние да приемат електрон от друга молекула. Лесно е да се предположи, че основите ще бъдат такива частици, които са в състояние да дарят един или повече от своите електрони за „използването“на киселината. Тук е много интересно, че не само електролит, но и всяко вещество, дори неразтворимо във вода, може да бъде киселина или основа.
Протолитна теория на Брандстед-Лоури
През 1923 г., независимо един от друг, двама учени - Дж. Бронстед и Т. Лоури - предложиха теория, която сега се използва активно от учените за описване на химични процеси. Същността на тази теория е, чедисоциацията се свежда до прехвърляне на протон от киселина към основа. По този начин последният тук се разбира като акцептор на протони. Тогава киселината е техен донор. Теорията също така обяснява добре съществуването на вещества, които проявяват свойства както на киселини, така и на основи. Такива съединения се наричат амфотерни. В теорията на Бронстед-Лоури терминът амфолити също се използва за тях, докато киселините или основите обикновено се наричат протолити.
Стигнахме до следващата част от статията. Тук ще ви разкажем как силните и слабите електролити се различават един от друг и ще обсъдим влиянието на външни фактори върху техните свойства. И тогава ще започнем да описваме тяхното практическо приложение.
Силни и слаби електролити
Всяко вещество взаимодейства с водата поотделно. Някои се разтварят добре в него (например готварска сол), докато някои не се разтварят изобщо (например тебешир). По този начин всички вещества се разделят на силни и слаби електролити. Последните са вещества, които взаимодействат лошо с вода и се утаяват на дъното на разтвора. Това означава, че те имат много ниска степен на дисоциация и висока енергия на връзката, което при нормални условия не позволява на молекулата да се разложи на съставните йони. Дисоциацията на слабите електролити става или много бавно, или с повишаване на температурата и концентрацията на това вещество в разтвор.
Нека поговорим за силните електролити. Те включват всички разтворими соли, както и силни киселини и основи. Те лесно се разпадат на йони и е много трудно да се съберат при валежи. Между другото, токът в електролитите се провеждаименно заради съдържащите се в разтвора йони. Следователно силните електролити провеждат тока най-добре от всички. Примери за последното: силни киселини, основи, разтворими соли.
Фактори, влияещи върху поведението на електролитите
Сега нека да разберем как промените във външната среда влияят върху свойствата на веществата. Концентрацията пряко влияе върху степента на електролитна дисоциация. Освен това това съотношение може да бъде изразено математически. Законът, описващ тази връзка, се нарича закон за разреждане на Оствалд и се записва, както следва: a=(K / c)1/2. Тук a е степента на дисоциация (взета на фракции), K е константата на дисоциация, която е различна за всяко вещество, а c е концентрацията на електролита в разтвора. Чрез тази формула можете да научите много за веществото и неговото поведение в разтвор.
Но ние се отклоняваме. Освен концентрацията, степента на дисоциация се влияе и от температурата на електролита. За повечето вещества увеличаването му повишава разтворимостта и реактивността. Това може да обясни възникването на някои реакции само при повишени температури. При нормални условия те вървят или много бавно, или в двете посоки (такъв процес се нарича обратим).
Ние анализирахме факторите, които определят поведението на система като електролитен разтвор. Сега нека преминем към практическото приложение на тези, без съмнение, много важни химикали.
Индустриална употреба
Разбира се, всеки е чувал думата "електролит"по отношение на батериите. Автомобилът използва оловно-киселинни акумулатори, електролитът в които е 40% сярна киселина. За да разберете защо това вещество е необходимо там изобщо, си струва да разберете характеристиките на батериите.
И какъв е принципът на всяка батерия? При тях протича обратима реакция на преобразуване на едно вещество в друго, в резултат на което се освобождават електрони. При зареждане на батерията се осъществява взаимодействие на вещества, което не се получава при нормални условия. Това може да се представи като натрупване на електричество в дадено вещество в резултат на химическа реакция. Когато разрядът започне, започва обратната трансформация, която води системата в първоначалното състояние. Тези два процеса заедно съставляват един цикъл зареждане-разреждане.
Нека разгледаме горния процес на конкретен пример - оловно-киселинна батерия. Както може да се досетите, този източник на ток се състои от елемент, съдържащ олово (както и оловен диоксид PbO2) и киселина. Всяка батерия се състои от електроди и пространството между тях, запълнено само с електролит. Като последно, както вече разбрахме, в нашия пример се използва сярна киселина в концентрация от 40 процента. Катодът на такава батерия е направен от оловен диоксид, а анодът е от чисто олово. Всичко това е защото на тези два електрода протичат различни обратими реакции с участието на йони, в които киселината се е дисоциирала:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(реакция, протичаща на отрицателния електрод - катод).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Реакция при положителния електрод - анод).
Ако четем реакциите отляво надясно - получаваме процесите, които се случват при разреждане на батерията, а ако отдясно наляво - при зареждане. Във всеки източник на химичен ток тези реакции са различни, но механизмът на тяхното протичане обикновено се описва по един и същ начин: протичат два процеса, в единия от които електроните се "абсорбират", а в другия, напротив, те " напуснете". Най-важното е броят на абсорбираните електрони да е равен на броя на излъчените.
Всъщност, в допълнение към батериите, има много приложения на тези вещества. Като цяло електролитите, примери за които дадохме, са само зрънце от разнообразието от вещества, които се комбинират под този термин. Те ни заобикалят навсякъде, навсякъде. Вземете например човешкото тяло. Мислите ли, че тези вещества ги няма? Много си се объркал. Те са навсякъде в нас, а най-голямо количество са кръвните електролити. Те включват например железните йони, които са част от хемоглобина и спомагат за транспортирането на кислород до тъканите на нашето тяло. Кръвните електролити също играят ключова роля в регулирането на водно-солевия баланс и сърдечната функция. Тази функция се изпълнява от калиеви и натриеви йони (има дори процес, който протича в клетките, който се нарича калиево-натриева помпа).
Всяко вещество, което можете да разтворите дори малко, е електролити. И няма такава индустрия и нашия живот с вас, къдекаквото и да се прилагат. Това не са само батериите в автомобилите и акумулаторите. Това е всяко химическо и хранително производство, военни заводи, фабрики за облекло и така нататък.
Съставът на електролита, между другото, е различен. Така че е възможно да се разграничат киселинен и алкален електролит. Те се различават фундаментално по своите свойства: както вече казахме, киселините са донори на протони, а алкалите са акцептори. Но с течение на времето съставът на електролита се променя поради загубата на част от веществото, концентрацията или намалява, или се увеличава (всичко зависи от това какво се губи, вода или електролит).
Срещаме ги всеки ден, но малко хора знаят точно определението на такъв термин като електролити. Ние разгледахме примери за конкретни вещества, така че нека преминем към малко по-сложни понятия.
Физични свойства на електролитите
Сега за физиката. Най-важното нещо, което трябва да разберете, когато изучавате тази тема, е как токът се предава в електролити. Решаваща роля в това играят йоните. Тези заредени частици могат да прехвърлят заряд от една част на разтвора в друга. Така че анионите винаги са склонни към положителния електрод, а катионите - към отрицателния. По този начин, въздействайки върху разтвора с електрически ток, ние разделяме зарядите от различните страни на системата.
Много интересна е такава физическа характеристика като плътността. Много свойства на съединенията, които обсъждаме, зависят от него. И често се появява въпросът: "Как да повишим плътността на електролита?" Всъщност отговорът е прост: трябва да понижите съдържаниетовода в разтвор. Тъй като плътността на електролита до голяма степен се определя от плътността на сярната киселина, тя до голяма степен зависи от концентрацията на последната. Има два начина за изпълнение на плана. Първият е съвсем прост: сварете електролита, съдържащ се в батерията. За да направите това, трябва да го заредите така, че температурата вътре да се повиши малко над сто градуса по Целзий. Ако този метод не помогне, не се притеснявайте, има още един: просто сменете стария електролит с нов. За да направите това, източете стария разтвор, почистете вътрешностите от остатъци от сярна киселина с дестилирана вода и след това изсипете нова порция. По правило висококачествените електролитни разтвори веднага имат желаната концентрация. След подмяната можете да забравите за дълго време как да увеличите плътността на електролита.
Съставът на електролита до голяма степен определя неговите свойства. Характеристики като електрическа проводимост и плътност, например, са силно зависими от природата на разтвореното вещество и неговата концентрация. Има отделен въпрос за това колко електролит може да има в батерията. Всъщност неговият обем е пряко свързан с декларираната мощност на продукта. Колкото повече сярна киселина е в батерията, толкова по-мощна е тя, т.е. толкова повече напрежение може да произведе.
Къде е полезно?
Ако сте автомобилен ентусиаст или просто обичате колите, тогава вие сами разбирате всичко. Със сигурност дори знаете как да определите колко електролит има в батерията сега. И ако сте далеч от колите, тогава знаниетосвойствата на тези вещества, тяхното приложение и как те взаимодействат помежду си изобщо няма да са излишни. Като знаете това, няма да сте в загуба, ако бъдете помолени да кажете кой електролит е в батерията. Въпреки че дори и да не сте автомобилен ентусиаст, но имате кола, тогава познаването на устройството на акумулатора изобщо няма да е излишно и ще ви помогне при ремонт. Ще бъде много по-лесно и по-евтино да направите всичко сами, отколкото да отидете в автоцентъра.
И за да изучавате по-добре тази тема, ви препоръчваме да прочетете учебник по химия за училища и университети. Ако познавате добре тази наука и сте чели достатъчно учебници, „Химически източници на ток“на Варипаев би бил най-добрият вариант. Тя очертава подробно цялата теория на работата на батериите, различните батерии и водородни клетки.
Заключение
Стигнахме до края. Нека обобщим. По-горе анализирахме всичко, свързано с такава концепция като електролити: примери, теория на структурата и свойствата, функции и приложения. Още веднъж си струва да кажем, че тези съединения са част от нашия живот, без които нашите тела и всички области на индустрията не биха могли да съществуват. Помните ли кръвните електролити? Благодарение на тях живеем. Ами нашите коли? С това знание ще можем да решим всеки проблем, свързан с батерията, тъй като сега разбираме как да увеличим плътността на електролита в нея.
Невъзможно е да се каже всичко, а ние не сме си поставили такава цел. В крайна сметка това не е всичко, което може да се каже за тези невероятни вещества.
