Elektroliti kao kemikalije poznati su od davnina. Međutim, oni su relativno nedavno osvojili većinu svojih područja primjene. Razgovarat ćemo o područjima najvećeg prioriteta za industriju za korištenje ovih tvari i otkriti što su potonje i po čemu se međusobno razlikuju. No, krenimo s digresijom u povijest.
Povijest
Najstariji poznati elektroliti su soli i kiseline otkrivene u antičkom svijetu. Međutim, ideje o strukturi i svojstvima elektrolita s vremenom su se razvijale. Teorije ovih procesa razvijale su se od 1880-ih, kada je došlo do brojnih otkrića vezanih za teorije svojstava elektrolita. Bilo je nekoliko kvalitativnih skokova u teorijama koje opisuju mehanizme interakcije elektrolita s vodom (uostalom, samo u otopini oni dobivaju svojstva zbog kojih se koriste u industriji).
Sada ćemo detaljno analizirati nekoliko teorija koje su imale najveći utjecaj na razvoj ideja o elektrolitima i njihovim svojstvima. I počnimo s najobičnijom i najjednostavnijom teorijom koju je svatko od nas učio u školi.
Arrheniusova teorija elektrolitičke disocijacije
1887Švedski kemičar Svante Arrhenius i rusko-njemački kemičar Wilhelm Ostwald stvorili su teoriju elektrolitičke disocijacije. Međutim, ni ovdje nije sve tako jednostavno. Sam Arrhenius bio je pobornik takozvane fizikalne teorije otopina, koja nije uzimala u obzir interakciju sastavnih tvari s vodom i tvrdila je da u otopini postoje slobodne nabijene čestice (ioni). Inače, upravo se s takvih pozicija danas u školi razmatra elektrolitička disocijacija.
Popričajmo još o tome što ova teorija daje i kako nam objašnjava mehanizam interakcije tvari s vodom. Kao i svi ostali, ona ima nekoliko postulata koje koristi:
1. Prilikom interakcije s vodom, tvar se raspada na ione (pozitivne - kation i negativne - anion). Te čestice podliježu hidrataciji: privlače molekule vode, koje su, usput rečeno, s jedne strane pozitivno nabijene, a s druge negativno nabijene (tvore dipol), kao rezultat toga, formiraju se u vodene komplekse (solvate).
2. Proces disocijacije je reverzibilan - to jest, ako se tvar raspala na ione, onda se pod utjecajem bilo kojeg čimbenika može ponovno pretvoriti u izvornu.
3. Spojite li elektrode na otopinu i pokrenete struju, tada će se kationi početi kretati prema negativnoj elektrodi - katodi, a anioni prema pozitivno nabijenoj - anodi. Zato tvari koje su vrlo topive u vodi bolje provode struju od same vode. Iz istog razloga se nazivaju i elektrolitima.
4. Stupanj disocijacije elektrolita karakterizira postotak tvari koja je podvrgnuta otapanju. Ovajpokazatelj ovisi o svojstvima otapala i same otopljene tvari, o koncentraciji potonje i o vanjskoj temperaturi.
Ovdje, zapravo, i svi osnovni postulati ove jednostavne teorije. Koristit ćemo ih u ovom članku da opišemo što se događa u otopini elektrolita. Analizirat ćemo primjere ovih spojeva malo kasnije, ali sada ćemo razmotriti drugu teoriju.
Lewisova teorija kiselina i baza
Prema teoriji elektrolitičke disocijacije, kiselina je tvar u kojoj je prisutan vodikov kation, a baza je spoj koji se u otopini raspada u anion hidroksida. Postoji još jedna teorija nazvana po slavnom kemičaru Gilbertu Lewisu. Omogućuje vam da donekle proširite koncept kiseline i baze. Prema Lewisovoj teoriji, kiseline su ioni ili molekule tvari koje imaju slobodne orbitale elektrona i sposobne su prihvatiti elektron iz druge molekule. Lako je pretpostaviti da će baze biti takve čestice koje su sposobne donirati jedan ili više svojih elektrona za "upotrebu" kiseline. Ovdje je vrlo zanimljivo da ne samo elektrolit, već i svaka tvar, čak i netopiva u vodi, može biti kiselina ili baza.
Protolitska teorija Brandsted-Lowryja
Godine 1923., neovisno jedan o drugom, dva znanstvenika - J. Bronsted i T. Lowry - predložili su teoriju koju znanstvenici danas aktivno koriste za opisivanje kemijskih procesa. Suština ove teorije je dadisocijacija se svodi na prijenos protona s kiseline na bazu. Dakle, potonji se ovdje shvaća kao akceptor protona. Tada je kiselina njihov donator. Teorija također dobro objašnjava postojanje tvari koje pokazuju svojstva i kiselina i baza. Takvi spojevi nazivaju se amfoternim. U teoriji Bronsted-Lowryja za njih se također koristi izraz amfoliti, dok se kiseline ili baze obično nazivaju protoliti.
Došli smo do sljedećeg dijela članka. Ovdje ćemo vam reći kako se jaki i slabi elektroliti međusobno razlikuju i raspravljati o utjecaju vanjskih čimbenika na njihova svojstva. A onda ćemo početi opisivati njihovu praktičnu primjenu.
Jaki i slabi elektroliti
Svaka tvar interagira s vodom pojedinačno. Neki se u njemu dobro otapaju (primjerice kuhinjska sol), dok se neki uopće ne otapaju (na primjer kreda). Dakle, sve tvari se dijele na jake i slabe elektrolite. Potonje su tvari koje slabo komuniciraju s vodom i talože se na dnu otopine. To znači da imaju vrlo nizak stupanj disocijacije i visoku energiju veze, što u normalnim uvjetima ne dopušta molekuli da se razgradi na sastavne ione. Disocijacija slabih elektrolita događa se ili vrlo sporo, ili s povećanjem temperature i koncentracije ove tvari u otopini.
Razgovarajmo o jakim elektrolitima. To uključuje sve topljive soli, kao i jake kiseline i lužine. Lako se raspadaju na ione i vrlo ih je teško skupiti u oborinama. Usput, struja u elektrolitima se provodiupravo zbog iona sadržanih u otopini. Stoga jaki elektroliti najbolje provode struju. Primjeri potonjeg: jake kiseline, lužine, topljive soli.
Čimbenici koji utječu na ponašanje elektrolita
Sada shvatimo kako promjene u vanjskom okruženju utječu na svojstva tvari. Koncentracija izravno utječe na stupanj disocijacije elektrolita. Štoviše, ovaj se omjer može matematički izraziti. Zakon koji opisuje ovaj odnos naziva se Ostwaldov zakon razrjeđenja i piše se na sljedeći način: a=(K / c)1/2. Ovdje je a stupanj disocijacije (uzet u frakcijama), K je konstanta disocijacije, koja je različita za svaku tvar, a c je koncentracija elektrolita u otopini. Pomoću ove formule možete naučiti puno o tvari i njenom ponašanju u otopini.
Ali skrećemo pažnju. Osim koncentracije, na stupanj disocijacije utječe i temperatura elektrolita. Za većinu tvari njegovo povećanje povećava topljivost i reaktivnost. To može objasniti pojavu nekih reakcija samo na povišenim temperaturama. U normalnim uvjetima, oni idu ili vrlo sporo, ili u oba smjera (takav se proces naziva reverzibilnim).
Analizirali smo čimbenike koji određuju ponašanje sustava kao što je otopina elektrolita. Sada prijeđimo na praktičnu primjenu ovih, bez sumnje, vrlo važnih kemikalija.
Industrijska upotreba
Naravno, svi su čuli riječ "elektrolit"u odnosu na baterije. Automobil koristi olovne akumulatore, elektrolit u kojima je 40% sumporne kiseline. Da biste razumjeli zašto je ova tvar uopće potrebna, vrijedi razumjeti značajke baterija.
Pa koji je princip svake baterije? U njima se događa reverzibilna reakcija pretvorbe jedne tvari u drugu, uslijed čega se oslobađaju elektroni. Kada se baterija napuni, dolazi do interakcije tvari, koja se ne postiže u normalnim uvjetima. To se može predstaviti kao nakupljanje električne energije u tvari kao rezultat kemijske reakcije. Kada počinje pražnjenje, počinje obrnuta transformacija, koja dovodi sustav u početno stanje. Ova dva procesa zajedno čine jedan ciklus punjenja-pražnjenja.
Razmotrimo gornji proces na konkretnom primjeru - olovno-kiselinsku bateriju. Kao što možete pretpostaviti, ovaj izvor struje sastoji se od elementa koji sadrži olovo (kao i olovni dioksid PbO2) i kiselinu. Svaka baterija se sastoji od elektroda i prostora između njih, ispunjenog samo elektrolitom. Kao posljednja, kako smo već doznali, u našem primjeru koristi se sumporna kiselina u koncentraciji od 40 posto. Katoda takve baterije je od olovnog dioksida, a anoda od čistog olova. Sve je to zato što se na ove dvije elektrode javljaju različite reverzibilne reakcije uz sudjelovanje iona na koje se kiselina disocira:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(reakcija se događa na negativnoj elektrodi - katodi).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (reakcija na pozitivnoj elektrodi - anodi).
Ako reakcije čitamo s lijeva na desno - dobivamo procese koji se događaju kada se baterija isprazni, a ako s desna na lijevo - pri punjenju. U svakom kemijskom izvoru struje te su reakcije različite, ali mehanizam njihovog nastanka općenito je opisan na isti način: odvijaju se dva procesa, u jednom od kojih se elektroni "apsorbiraju", au drugom, naprotiv, " napustiti". Najvažnije je da je broj apsorbiranih elektrona jednak broju emitiranih.
Zapravo, osim baterija, postoje mnoge primjene ovih tvari. Općenito, elektroliti, čije smo primjere naveli, samo su zrno raznih tvari koje se kombiniraju pod ovim pojmom. Okružuju nas posvuda, posvuda. Uzmimo, na primjer, ljudsko tijelo. Mislite li da tih tvari nema? Jako ste u zabludi. Ima ih posvuda u nama, a najveća količina su elektroliti u krvi. To uključuje, na primjer, ione željeza, koji su dio hemoglobina i pomažu u transportu kisika u tkiva našeg tijela. Elektroliti u krvi također imaju ključnu ulogu u regulaciji ravnoteže vode i soli i rada srca. Ovu funkciju obavljaju ioni kalija i natrija (postoji čak i proces koji se događa u stanicama, koji se naziva kalij-natrijeva pumpa).
Svaka tvar koju možete čak i malo otopiti su elektroliti. A nema te industrije i našeg života s vama, gdješto god da se primjenjuju. To nisu samo baterije u automobilima i akumulatori. Ovo je svaka kemijska i prehrambena proizvodnja, vojni pogoni, tvornice odjeće i tako dalje.
Sastav elektrolita je, inače, drugačiji. Dakle, moguće je razlikovati kiseli i alkalni elektrolit. Oni se bitno razlikuju po svojim svojstvima: kao što smo već rekli, kiseline su donori protona, a lužine akceptori. Ali s vremenom se sastav elektrolita mijenja zbog gubitka dijela tvari, koncentracija se ili smanjuje ili povećava (sve ovisi o tome što je izgubljeno, voda ili elektrolit).
S njima se susrećemo svaki dan, ali malo ljudi zna točno definiciju takvog pojma kao što su elektroliti. Pokrili smo primjere određenih tvari, pa prijeđimo na malo složenije koncepte.
Fizička svojstva elektrolita
Sada o fizici. Najvažnija stvar koju treba razumjeti pri proučavanju ove teme je kako se struja prenosi u elektrolitima. Ioni imaju odlučujuću ulogu u tome. Te nabijene čestice mogu prenijeti naboj s jednog dijela otopine na drugi. Dakle, anioni uvijek teže pozitivnoj elektrodi, a kationi - negativnoj. Tako, djelujući na otopinu električnom strujom, odvajamo naboje na različitim stranama sustava.
Vrlo zanimljiva je takva fizička karakteristika kao što je gustoća. O tome ovise mnoga svojstva spojeva o kojima govorimo. I često se postavlja pitanje: "Kako povećati gustoću elektrolita?" Zapravo, odgovor je jednostavan: morate smanjiti sadržajvode u otopini. Budući da je gustoća elektrolita u velikoj mjeri određena gustoćom sumporne kiseline, ona uvelike ovisi o koncentraciji potonje. Postoje dva načina za provedbu plana. Prvi je prilično jednostavan: prokuhajte elektrolit koji se nalazi u bateriji. Da biste to učinili, morate ga napuniti tako da temperatura unutar njega poraste nešto iznad sto stupnjeva Celzija. Ako ova metoda ne pomogne, ne brinite, postoji još jedna: jednostavno zamijenite stari elektrolit novim. Da biste to učinili, ocijedite staru otopinu, očistite iznutra od ostataka sumporne kiseline destiliranom vodom, a zatim ulijte novi dio. U pravilu, visokokvalitetne otopine elektrolita odmah imaju željenu koncentraciju. Nakon zamjene možete dugo zaboraviti kako povećati gustoću elektrolita.
Sastav elektrolita uvelike određuje njegova svojstva. Karakteristike kao što su električna vodljivost i gustoća, na primjer, jako ovise o prirodi otopljene tvari i njezinoj koncentraciji. Postoji zasebno pitanje koliko elektrolita može biti u bateriji. Zapravo, njegov je volumen izravno povezan s deklariranom snagom proizvoda. Što je više sumporne kiseline unutar baterije, to je ona snažnija, tj. više napona može proizvesti.
Gdje to dobro dođe?
Ako ste auto-entuzijast ili samo volite automobile, onda i sami sve razumijete. Sigurno čak i znate kako odrediti koliko je sada elektrolita u bateriji. A ako ste daleko od automobila, onda znanjesvojstva ovih tvari, njihova primjena i način na koji međusobno djeluju neće biti nimalo suvišni. Znajući to, nećete biti na gubitku ako vas zamole da kažete koji se elektrolit nalazi u bateriji. Iako čak i ako niste auto-entuzijast, ali imate automobil, tada poznavanje akumulatorskog uređaja uopće neće biti suvišno i pomoći će vam u popravcima. Bit će puno lakše i jeftinije sve učiniti sami nego otići u auto centar.
A kako biste bolje proučili ovu temu, preporučujemo čitanje udžbenika kemije za škole i sveučilišta. Ako dobro poznajete ovu znanost i pročitali ste dovoljno udžbenika, Varypaevovi "Kemijski izvori struje" bili bi najbolja opcija. Detaljno opisuje cijelu teoriju rada baterija, raznih baterija i vodikovih ćelija.
Zaključak
Došli smo do kraja. Hajde da rezimiramo. Iznad smo analizirali sve što se odnosi na takav koncept kao što su elektroliti: primjeri, teorija strukture i svojstava, funkcije i primjene. Još jednom valja reći da su ti spojevi dio našeg života, bez kojih ne bi mogla postojati naša tijela i sva područja industrije. Sjećate li se elektrolita u krvi? Zahvaljujući njima živimo. Što je s našim automobilima? S ovim znanjem moći ćemo riješiti svaki problem vezan uz bateriju, jer sada razumijemo kako povećati gustoću elektrolita u njoj.
Nemoguće je sve ispričati, a mi nismo postavili takav cilj. Uostalom, ovo nije sve što se može reći o ovim nevjerojatnim tvarima.
