Elektrolyytit kemikaaleina on tunnettu muinaisista ajoista lähtien. Ne ovat kuitenkin valloittaneet suurimman osan käyttöalueistaan suhteellisen hiljattain. Keskustelemme teollisuuden tärkeimmistä prioriteeteista näiden aineiden käytössä ja selvitämme, mitä jälkimmäiset ovat ja miten ne eroavat toisistaan. Mutta aloitetaan poikkeamalla historiaan.
Historia
Vanhimmat tunnetut elektrolyytit ovat suoloja ja happoja, jotka löydettiin muinaisesta maailmasta. Ajatukset elektrolyyttien rakenteesta ja ominaisuuksista ovat kuitenkin kehittyneet ajan myötä. Teoriat näistä prosesseista ovat kehittyneet 1880-luvulta lähtien, jolloin tehtiin useita elektrolyyttien ominaisuuksien teorioihin liittyviä löytöjä. Elektrolyyttien ja veden vuorovaikutuksen mekanismeja kuvaavissa teorioissa on tapahtunut useita laadullisia harppauksia (nehän saavat vasta liuoksessa ne ominaisuudet, joiden ansiosta niitä käytetään teollisuudessa).
Nyt analysoimme yksityiskohtaisesti useita teorioita, joilla on ollut suurin vaikutus elektrolyyttejä ja niiden ominaisuuksia koskevien ideoiden kehitykseen. Ja aloitetaan yleisimmällä ja yksinkertaisimmalla teorialla, jonka jokainen meistä omaksui koulussa.
Arrheniuksen elektrolyyttisen dissosiaation teoria
vuonna 1887Ruotsalainen kemisti Svante Arrhenius ja venäläis-saksalainen kemisti Wilhelm Ostwald loivat teorian elektrolyyttisesta dissosiaatiosta. Kaikki ei kuitenkaan ole niin yksinkertaista täälläkään. Arrhenius itse kannatti niin sanottua fysikaalista liuosteoriaa, joka ei ottanut huomioon ainesosien vuorovaikutusta veden kanssa ja väitti, että liuoksessa on vapaita varautuneita hiukkasia (ioneja). Muuten, juuri sellaisista asennoista elektrolyyttistä dissosiaatiota ajatellaan nykyään koulussa.
Puhutaan vielä siitä, mitä tämä teoria antaa ja kuinka se selittää meille aineiden vuorovaikutusmekanismin veden kanssa. Kuten kaikilla muillakin, hänellä on useita oletuksia, joita hän käyttää:
1. Vuorovaikutuksessa veden kanssa aine hajoaa ioneiksi (positiivinen - kationi ja negatiivinen - anioni). Nämä hiukkaset hydratoituvat: ne houkuttelevat puoleensa vesimolekyylejä, jotka muuten ovat positiivisesti varautuneita toiselta puolelta ja negatiivisesti varautuneita toiselta puolelta (muodostavat dipolin), minkä seurauksena niistä muodostuu vesikomplekseja (solvaatteja).
2. Dissosiaatioprosessi on palautuva - eli jos aine on hajonnut ioneiksi, se voi minkä tahansa tekijän vaikutuksesta muuttua jälleen alkuperäiseksi.
3. Jos kytket elektrodit liuokseen ja käynnistät virran, kationit alkavat liikkua kohti negatiivista elektrodia - katodia ja anionit kohti positiivisesti varattua - anodia. Siksi veteen hyvin liukenevat aineet johtavat sähköä paremmin kuin vesi itse. Niitä kutsutaan myös elektrolyyteiksi samasta syystä.
4. Elektrolyytin dissosiaatioaste kuvaa liukeneneen aineen prosenttiosuutta. Tämäindikaattori riippuu liuottimen ja itse liuenneen aineen ominaisuuksista, viimeksi mainitun pitoisuudesta ja ulkolämpötilasta.
Tässä itse asiassa ja kaikki tämän yksinkertaisen teorian perusoletukset. Käytämme niitä tässä artikkelissa kuvaamaan, mitä elektrolyyttiliuoksessa tapahtuu. Analysoimme esimerkkejä näistä yhdisteistä hieman myöhemmin, mutta nyt tarkastelemme toista teoriaa.
Lewisin happojen ja emästen teoria
Elektrolyyttisen dissosiaation teorian mukaan happo on aine, jossa on vetykationi, ja emäs on yhdiste, joka hajoaa liuoksessa hydroksidianioniksi. On olemassa toinen teoria, joka on nimetty kuuluisan kemistin Gilbert Lewisin mukaan. Sen avulla voit laajentaa jonkin verran hapon ja emäksen käsitettä. Lewisin teorian mukaan hapot ovat aineen ioneja tai molekyylejä, joilla on vapaita elektroneja ja jotka pystyvät vastaanottamaan elektronin toisesta molekyylistä. On helppo arvata, että emäkset ovat sellaisia hiukkasia, jotka pystyvät luovuttamaan yhden tai useamman elektroninsa hapon "käyttöön". Tässä on erittäin mielenkiintoista, että ei vain elektrolyytti, vaan myös mikä tahansa aine, jopa veteen liukenematon, voi olla happoa tai emästä.
Brandsted-Lowryn protoliittinen teoria
Vuonna 1923, toisistaan riippumatta, kaksi tiedemiestä - J. Bronsted ja T. Lowry - ehdottivat teoriaa, jota tiedemiehet käyttävät nykyään aktiivisesti kuvaamaan kemiallisia prosesseja. Tämän teorian ydin on sedissosiaatio pelkistyy protonin siirtymiseen haposta emäkseen. Siten jälkimmäinen ymmärretään tässä protonin vastaanottajana. Sitten happo on niiden luovuttaja. Teoria selittää hyvin myös aineiden olemassaolon, joilla on sekä happojen että emästen ominaisuuksia. Tällaisia yhdisteitä kutsutaan amfoteerisiksi. Bronsted-Lowryn teoriassa niille käytetään myös termiä amfolyytit, kun taas happoja tai emäksiä kutsutaan yleensä protoliitteiksi.
Olemme tulleet artikkelin seuraavaan osaan. Täällä kerromme kuinka vahvat ja heikot elektrolyytit eroavat toisistaan ja keskustelemme ulkoisten tekijöiden vaikutuksesta niiden ominaisuuksiin. Ja sitten alamme kuvailla niiden käytännön sovellusta.
Vahvat ja heikot elektrolyytit
Jokainen aine on vuorovaikutuksessa veden kanssa erikseen. Jotkut liukenevat siihen hyvin (esimerkiksi ruokasuola), kun taas jotkut eivät liukene ollenkaan (esimerkiksi liitu). Siten kaikki aineet on jaettu vahvoihin ja heikkoihin elektrolyytteihin. Jälkimmäiset ovat aineita, jotka ovat huonosti vuorovaikutuksessa veden kanssa ja asettuvat liuoksen pohjalle. Tämä tarkoittaa, että niillä on erittäin alhainen dissosiaatioaste ja korkea sidosenergia, mikä normaaliolosuhteissa ei salli molekyylin hajota sen muodostaviksi ioneiksi. Heikkojen elektrolyyttien hajoaminen tapahtuu joko hyvin hitaasti tai tämän aineen lämpötilan ja pitoisuuden noustessa liuoksessa.
Puhutaanpa vahvoista elektrolyyteistä. Näitä ovat kaikki liukoiset suolat sekä vahvat hapot ja emäkset. Ne hajoavat helposti ioneiksi ja niitä on erittäin vaikea kerätä sateen mukana. Muuten, elektrolyyttien virta johdetaanjuuri liuoksen sisältämien ionien takia. Siksi vahvat elektrolyytit johtavat virtaa parhaiten. Esimerkkejä jälkimmäisistä: vahvat hapot, emäkset, liukoiset suolat.
Elektrolyyttien käyttäytymiseen vaikuttavat tekijät
Otetaan nyt selvää, miten ulkoisen ympäristön muutokset vaikuttavat aineiden ominaisuuksiin. Konsentraatio vaikuttaa suoraan elektrolyytin dissosiaatioasteeseen. Lisäksi tämä suhde voidaan ilmaista matemaattisesti. Tätä suhdetta kuvaavaa lakia kutsutaan Ostwaldin laimennuslaiksi ja se kirjoitetaan seuraavasti: a=(K / c)1/2. Tässä a on dissosiaatioaste (fraktioina), K on dissosiaatiovakio, joka on erilainen jokaiselle aineelle, ja c on elektrolyytin pitoisuus liuoksessa. Tämän kaavan avulla voit oppia paljon aineesta ja sen käyttäytymisestä liuoksessa.
Mutta poikkeamme. Konsentraation lisäksi dissosiaatioasteeseen vaikuttaa myös elektrolyytin lämpötila. Useimmille aineille sen lisääminen lisää liukoisuutta ja reaktiivisuutta. Tämä voi selittää joidenkin reaktioiden esiintymisen vain korotetuissa lämpötiloissa. Normaaleissa olosuhteissa ne kulkevat joko hyvin hitaasti tai molempiin suuntiin (tällaista prosessia kutsutaan palautuvaksi).
Olemme analysoineet tekijöitä, jotka määräävät järjestelmän, kuten elektrolyyttiliuoksen, käyttäytymisen. Siirrytään nyt näiden epäilemättä erittäin tärkeiden kemikaalien käytännön soveltamiseen.
Teollinen käyttö
Tietenkin kaikki ovat kuulleet sanan "elektrolyytti"akkujen suhteen. Autossa käytetään lyijyakkuja, joiden elektrolyytti on 40 % rikkihappoa. Ymmärtääksesi miksi tätä ainetta sinne ylipäänsä tarvitaan, kannattaa ymmärtää akkujen ominaisuudet.
Mikä on minkä tahansa akun periaate? Niissä tapahtuu palautuva reaktio aineen muuttumisesta toiseksi, minkä seurauksena elektroneja vapautuu. Akkua ladattaessa tapahtuu aineiden vuorovaikutusta, jota ei saavuteta normaaleissa olosuhteissa. Tämä voidaan esittää sähkön kertymisenä aineeseen kemiallisen reaktion seurauksena. Kun purkautuminen alkaa, käänteinen muunnos alkaa, mikä johtaa järjestelmän alkutilaan. Nämä kaksi prosessia yhdessä muodostavat yhden lataus-purkausjakson.
Katsotaanpa yllä olevaa prosessia tietyssä esimerkissä - lyijyakussa. Kuten arvata saattaa, tämä virtalähde koostuu elementistä, joka sisältää lyijyä (sekä lyijydioksidia PbO2) ja happoa. Mikä tahansa akku koostuu elektrodeista ja niiden välisestä tilasta, täytettynä vain elektrolyytillä. Viimeisenä, kuten olemme jo havainneet, esimerkissämme käytetään rikkihappoa 40 prosentin pitoisuudella. Tällaisen akun katodi on valmistettu lyijydioksidista ja anodi puhtaasta lyijystä. Kaikki tämä johtuu siitä, että näillä kahdella elektrodilla tapahtuu erilaisia palautuvia reaktioita, joihin osallistuu ioneja, joihin happo on dissosioitunut:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(reaktio tapahtuu negatiivisella elektrodilla - katodilla).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Reaktio positiivisella elektrodilla - anodi).
Jos luemme reaktiot vasemm alta oikealle - saamme prosessit, jotka tapahtuvat, kun akku tyhjenee, ja jos oike alta vasemmalle - latauksen aikana. Jokaisessa kemiallisessa virtalähteessä nämä reaktiot ovat erilaisia, mutta niiden esiintymismekanismi kuvataan yleensä samalla tavalla: tapahtuu kaksi prosessia, joista toisessa "absorboituvat" elektronit ja toisessa päinvastoin " lähteä". Tärkeintä on, että absorboituneiden elektronien lukumäärä on yhtä suuri kuin emittoituneiden elektronien lukumäärä.
Itse asiassa, paristojen lisäksi näille aineille on monia käyttökohteita. Yleensä elektrolyytit, joista olemme antaneet esimerkkejä, ovat vain jyvä monista aineista, jotka yhdistetään tähän termiin. Ne ympäröivät meitä kaikkialla, kaikkialla. Otetaan esimerkiksi ihmiskeho. Luuletko, että näitä aineita ei ole siellä? Olet hyvin väärässä. Niitä on kaikkialla meissä, ja suurin määrä on veren elektrolyyttejä. Näitä ovat esimerkiksi rauta-ionit, jotka ovat osa hemoglobiinia ja auttavat kuljettamaan happea kehomme kudoksiin. Veren elektrolyyteillä on myös keskeinen rooli vesi-suolatasapainon ja sydämen toiminnan säätelyssä. Tämän toiminnon suorittavat kalium- ja natriumionit (soluissa tapahtuu jopa prosessi, jota kutsutaan kalium-natriumpumpuksi).
Kaikki aineet, joita voit liuottaa edes vähän, ovat elektrolyyttejä. Ja ei ole sellaista teollisuutta ja elämäämme sinun kanssasi, missämitä tahansa niitä sovelletaan. Tämä ei koske vain autojen akkuja ja akkuja. Tämä on mikä tahansa kemian- ja elintarviketuotanto, sotilaalliset tehtaat, vaatetehtaat ja niin edelleen.
Elektrolyytin koostumus on muuten erilainen. Joten on mahdollista erottaa hapan ja emäksinen elektrolyytti. Ne eroavat olennaisesti ominaisuuksiltaan: kuten olemme jo todenneet, hapot ovat protonin luovuttajia ja emäkset vastaanottajia. Mutta ajan myötä elektrolyytin koostumus muuttuu osan aineen häviämisen vuoksi, pitoisuus joko laskee tai kasvaa (kaikki riippuu siitä, mitä häviää, vettä vai elektrolyyttiä).
Kopaamme niitä joka päivä, mutta harvat ihmiset tietävät tarkalleen sellaisen termin määritelmän kuin elektrolyytit. Olemme käsitelleet esimerkkejä tietyistä aineista, joten siirrytään hieman monimutkaisempiin käsitteisiin.
Elektrolyyttien fysikaaliset ominaisuudet
Nyt fysiikasta. Tärkein asia, joka on ymmärrettävä tätä aihetta tutkittaessa, on se, kuinka virta siirtyy elektrolyyteissä. Ioneilla on tässä ratkaiseva rooli. Nämä varautuneet hiukkaset voivat siirtää varausta liuoksen yhdestä osasta toiseen. Joten anionit pyrkivät aina positiiviseen elektrodiin ja kationit - negatiiviseen. Siten, vaikuttamalla ratkaisuun sähkövirralla, erottelemme varaukset järjestelmän eri puolilta.
Erittäin mielenkiintoinen on sellainen fysikaalinen ominaisuus kuin tiheys. Monet käsittelemiemme yhdisteiden ominaisuudet riippuvat siitä. Ja usein herää kysymys: "Kuinka nostaa elektrolyytin tiheyttä?" Itse asiassa vastaus on yksinkertainen: sinun on alennettava sisältöävettä liuoksessa. Koska elektrolyytin tiheys määräytyy suurelta osin rikkihapon tiheyden mukaan, se riippuu suuresti rikkihapon pitoisuudesta. Suunnitelman toteuttamiseen on kaksi tapaa. Ensimmäinen on melko yksinkertainen: keitä akun sisältämä elektrolyytti. Tätä varten sinun on ladattava se niin, että sisälämpötila nousee hieman yli sadan celsiusasteen. Jos tämä menetelmä ei auta, älä huoli, on toinenkin: vaihda vain vanha elektrolyytti uudella. Tyhjennä tätä varten vanha liuos, puhdista rikkihappojäämien sisäosat tislatulla vedellä ja kaada sitten uusi annos. Yleensä korkealaatuisilla elektrolyyttiliuoksilla on heti haluttu pitoisuus. Vaihdon jälkeen voit unohtaa pitkään elektrolyytin tiheyden lisäämisen.
Elektrolyytin koostumus määrää suurelta osin sen ominaisuudet. Ominaisuudet, kuten esimerkiksi sähkönjohtavuus ja tiheys, riippuvat suuresti liuenneen aineen luonteesta ja sen pitoisuudesta. Erillinen kysymys on siitä, kuinka paljon elektrolyyttiä voi olla akussa. Itse asiassa sen tilavuus liittyy suoraan tuotteen ilmoitettuun tehoon. Mitä enemmän rikkihappoa akussa on, sitä tehokkaampi se on, eli sitä enemmän jännitettä se pystyy tuottamaan.
Missä se on hyödyllinen?
Jos olet autoharrastaja tai vain autoista kiinnostunut, ymmärrät itse kaiken. Tiedät varmasti jopa kuinka määrittää, kuinka paljon elektrolyyttiä on nyt akussa. Ja jos olet kaukana autoista, niin tietoNäiden aineiden ominaisuudet, sovellukset ja niiden välinen vuorovaikutus eivät ole lainkaan tarpeettomia. Kun tiedät tämän, et ole tappiolla, jos sinua pyydetään kertomaan, mikä elektrolyytti akussa on. Vaikka et olisikaan autoharrastaja, mutta sinulla on auto, akkulaitteen tunteminen ei ole ollenkaan tarpeetonta ja auttaa sinua korjauksissa. On paljon helpompaa ja halvempaa tehdä kaikki itse kuin mennä autokeskukseen.
Ja tämän aiheen paremmin tutkimiseksi suosittelemme lukemaan kemian oppikirjan kouluille ja yliopistoille. Jos tunnet tämän tieteen hyvin ja olet lukenut tarpeeksi oppikirjoja, Varypaevin "Chemical Current Sources" olisi paras vaihtoehto. Siinä hahmotellaan yksityiskohtaisesti koko akkujen, erilaisten akkujen ja vetykennojen toiminnan teoria.
Johtopäätös
Olemme tulleet loppuun. Tehdään yhteenveto. Yllä olemme analysoineet kaikkea, mikä liittyy sellaiseen käsitteeseen kuin elektrolyytit: esimerkkejä, rakenteen ja ominaisuuksien teoriaa, toimintoja ja sovelluksia. Jälleen kerran on syytä todeta, että nämä yhdisteet ovat osa elämäämme, joita ilman kehomme ja kaikki teollisuuden alat eivät voisi olla olemassa. Muistatko veren elektrolyytit? Niiden ansiosta elämme. Entä meidän autot? Tämän tiedon avulla pystymme korjaamaan kaikki akkuun liittyvät ongelmat, sillä nyt ymmärrämme kuinka lisätä elektrolyytin tiheyttä siinä.
Kaikkea on mahdotonta kertoa, emmekä asettaneet sellaista tavoitetta. Loppujen lopuksi tämä ei ole kaikki, mitä voidaan sanoa näistä hämmästyttävistä aineista.
