Elektrolüüte kui kemikaale on tuntud juba iidsetest aegadest. Suurema osa oma kasutusaladest on nad aga vallutanud suhteliselt hiljuti. Arutame, millised on tööstuse jaoks nende ainete kasutamise prioriteetsed valdkonnad ja selgitame välja, millised need ained on ja mille poolest need üksteisest erinevad. Kuid alustame kõrvalepõikega ajalukku.
Ajalugu
Vanimad teadaolevad elektrolüüdid on muistses maailmas avastatud soolad ja happed. Ideed elektrolüütide struktuuri ja omaduste kohta on aga aja jooksul arenenud. Nende protsesside teooriad on arenenud alates 1880. aastatest, mil tehti mitmeid elektrolüütide omaduste teooriatega seotud avastusi. Elektrolüütide ja veega interaktsiooni mehhanisme kirjeldavates teooriates on tehtud mitmeid kvalitatiivseid hüppeid (ainult lahuses omandavad need omadused, mille tõttu neid tööstuses kasutatakse).
Nüüd analüüsime üksikasjalikult mitmeid teooriaid, millel on olnud suurim mõju elektrolüütide ja nende omaduste ideede kujunemisele. Ja alustame kõige tavalisema ja lihtsaima teooriaga, mida igaüks meist koolis kasutas.
Arrheniuse elektrolüütilise dissotsiatsiooni teooria
1887. aastalRootsi keemik Svante Arrhenius ja vene-saksa keemik Wilhelm Ostwald lõid elektrolüütilise dissotsiatsiooni teooria. Kuid ka siin pole kõik nii lihtne. Arrhenius ise oli nn füüsikalise lahendusteooria pooldaja, mis ei võtnud arvesse koostisainete vastasmõju veega ja väitis, et lahuses on vaba laenguga osakesi (ioone). Muide, just sellistelt positsioonidelt peetakse tänapäeval koolis elektrolüütilist dissotsiatsiooni.
Räägime ikka sellest, mida see teooria annab ja kuidas see meile ainete ja veega interaktsiooni mehhanismi selgitab. Nagu kõigil teistel, on ka temal mitu postulaati, mida ta kasutab:
1. Veega suhtlemisel laguneb aine ioonideks (positiivne - katioon ja negatiivne - anioon). Need osakesed läbivad hüdratatsiooni: nad tõmbavad ligi veemolekule, mis, muide, on ühelt poolt positiivselt ja teiselt poolt negatiivselt laetud (moodustavad dipooli), mille tulemusena moodustuvad nad veekompleksideks (solvaatideks).
2. Dissotsiatsiooniprotsess on pöörduv - see tähendab, et kui aine on lagunenud ioonideks, võib see mis tahes tegurite mõjul uuesti muutuda algseks.
3. Kui ühendate elektroodid lahusega ja käivitate voolu, hakkavad katioonid liikuma negatiivse elektroodi - katoodi - suunas ja anioonid positiivselt laetud anoodi suunas. Seetõttu juhivad vees hästi lahustuvad ained elektrit paremini kui vesi ise. Samal põhjusel nimetatakse neid ka elektrolüütideks.
4. Elektrolüüdi dissotsiatsiooniaste iseloomustab lahustunud aine protsenti. Seeindikaator sõltub lahusti ja lahustunud aine enda omadustest, viimase kontsentratsioonist ja välistemperatuurist.
Siin, tegelikult ja kõik selle lihtsa teooria põhipostulaadid. Kasutame neid selles artiklis elektrolüüdilahuses toimuva kirjeldamiseks. Analüüsime nende ühendite näiteid veidi hiljem, kuid nüüd käsitleme teist teooriat.
Lewise hapete ja aluste teooria
Vastav alt elektrolüütilise dissotsiatsiooni teooriale on hape aine, milles esineb vesinikkatioon, alus aga ühend, mis lahuses laguneb hüdroksiidianiooniks. On veel üks teooria, mis on nime saanud kuulsa keemiku Gilbert Lewise järgi. See võimaldab teil happe ja aluse mõistet mõnevõrra laiendada. Lewise teooria kohaselt on happed aine ioonid või molekulid, millel on vabad elektronorbitaalid ja mis on võimelised vastu võtma elektroni teisest molekulist. On lihtne arvata, et alusteks on sellised osakesed, mis on võimelised loovutama ühe või mitu oma elektroni happe "kasutamiseks". Siin on väga huvitav, et mitte ainult elektrolüüt, vaid ka iga aine, isegi vees lahustumatu, võib olla hape või alus.
Brandsted-Lowry protoliitteooria
Aastal 1923, teineteisest sõltumatult, pakkusid kaks teadlast – J. Bronsted ja T. Lowry – välja teooria, mida teadlased praegu keemiliste protsesside kirjeldamiseks aktiivselt kasutavad. Selle teooria olemus seisneb sellesdissotsiatsioon taandub prootoni üleminekuks happest alusele. Seega mõistetakse viimast siin kui prootoni aktseptorit. Siis on hape nende doonor. Teooria selgitab hästi ka ainete olemasolu, millel on nii hapete kui ka aluste omadused. Selliseid ühendeid nimetatakse amfoteerseteks. Bronsted-Lowry teoorias kasutatakse nende kohta ka terminit amfolüüdid, happeid või aluseid nimetatakse tavaliselt protoliitideks.
Jõudsime artikli järgmise osa juurde. Siin räägime teile, kuidas tugevad ja nõrgad elektrolüüdid üksteisest erinevad, ja arutame välistegurite mõju nende omadustele. Ja siis hakkame kirjeldama nende praktilist rakendust.
Tugevad ja nõrgad elektrolüüdid
Iga aine interakteerub veega individuaalselt. Mõni lahustub selles hästi (näiteks lauasool), mõni aga ei lahustu üldse (näiteks kriit). Seega jagunevad kõik ained tugevateks ja nõrkadeks elektrolüütideks. Viimased on ained, mis suhtlevad halvasti veega ja settivad lahuse põhja. See tähendab, et neil on väga madal dissotsiatsiooniaste ja suur sideme energia, mis normaalsetes tingimustes ei lase molekulil laguneda selle koostisse kuuluvateks ioonideks. Nõrkade elektrolüütide dissotsiatsioon toimub kas väga aeglaselt või koos selle aine temperatuuri ja kontsentratsiooni tõusuga lahuses.
Räägime tugevatest elektrolüütidest. Nende hulka kuuluvad kõik lahustuvad soolad, samuti tugevad happed ja leelised. Need lagunevad kergesti ioonideks ja neid on väga raske sademetesse koguda. Muide, elektrolüütide vool juhitaksejust lahuses sisalduvate ioonide tõttu. Seetõttu juhivad tugevad elektrolüüdid voolu kõige paremini. Viimaste näited: tugevad happed, leelised, lahustuvad soolad.
Elektrolüütide käitumist mõjutavad tegurid
Nüüd mõtleme välja, kuidas väliskeskkonna muutused ainete omadusi mõjutavad. Kontsentratsioon mõjutab otseselt elektrolüütide dissotsiatsiooni astet. Pealegi saab seda suhet väljendada matemaatiliselt. Seda suhet kirjeldavat seadust nimetatakse Ostwaldi lahjendusseaduseks ja see on kirjutatud järgmiselt: a=(K / c)1/2. Siin on a dissotsiatsiooniaste (võetuna murdosades), K on dissotsiatsioonikonstant, mis on iga aine puhul erinev, ja c on elektrolüüdi kontsentratsioon lahuses. Selle valemi abil saate palju õppida aine ja selle käitumise kohta lahuses.
Aga me kaldume kõrvale. Lisaks kontsentratsioonile mõjutab dissotsiatsiooni astet ka elektrolüüdi temperatuur. Enamiku ainete puhul suurendab selle suurendamine lahustuvust ja reaktsioonivõimet. See võib seletada mõnede reaktsioonide esinemist ainult kõrgendatud temperatuuridel. Tavatingimustes kulgevad need kas väga aeglaselt või mõlemas suunas (sellist protsessi nimetatakse pöörduvaks).
Oleme analüüsinud tegureid, mis määravad sellise süsteemi, nagu elektrolüüdilahuse, käitumise. Liigume nüüd edasi nende kahtlemata väga oluliste kemikaalide praktilise rakendamise juurde.
Tööstuslik kasutamine
Muidugi on kõik kuulnud sõna "elektrolüüt"seoses patareidega. Autos kasutatakse pliiakusid, mille elektrolüüdiks on 40% väävelhape. Et mõista, miks seda ainet sinna üldse vaja on, tasub mõista akude omadusi.
Mis on siis mis tahes aku põhimõte? Neis toimub ühe aine teisenemise pöörduv reaktsioon teiseks, mille tulemusena vabanevad elektronid. Aku laadimisel toimub ainete interaktsioon, mida tavatingimustes ei saavutata. Seda võib kujutada elektrienergia akumuleerumisena aines keemilise reaktsiooni tulemusena. Kui tühjenemine algab, algab pöördtransformatsioon, mis viib süsteemi algolekusse. Need kaks protsessi moodustavad koos ühe laadimis-tühjenemise tsükli.
Vaatleme ül altoodud protsessi konkreetse näite puhul – pliiaku. Nagu võite arvata, koosneb see vooluallikas elemendist, mis sisaldab pliid (nagu ka pliidoksiidi PbO2) ja hapet. Iga aku koosneb elektroodidest ja nendevahelisest ruumist, mis on täidetud ainult elektrolüüdiga. Viimasena, nagu oleme juba teada saanud, kasutatakse meie näites väävelhapet kontsentratsioonis 40 protsenti. Sellise aku katood on valmistatud pliidoksiidist ja anood on valmistatud puhtast pliist. Kõik see tuleneb sellest, et neil kahel elektroodil toimuvad erinevad pöörduvad reaktsioonid ioonide osalusel, milleks hape on dissotsieerunud:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(reaktsioon toimub negatiivsel elektroodil – katood).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Reaktsioon positiivsel elektroodil – anoodil).
Kui loeme reaktsioone vasakult paremale - saame protsessid, mis toimuvad aku tühjenemisel ja kui parem alt vasakule - laadimisel. Igas keemilises vooluallikas on need reaktsioonid erinevad, kuid nende toimumise mehhanismi kirjeldatakse üldiselt samal viisil: toimub kaks protsessi, millest ühes "neelduvad" elektronid ja teises, vastupidi, nad " lahkuda". Kõige tähtsam on see, et neeldunud elektronide arv oleks võrdne emiteeritud elektronide arvuga.
Tegelikult on lisaks akudele nende ainete kasutusalasid palju. Üldiselt on elektrolüüdid, mille näiteid oleme toonud, vaid osa mitmesugustest ainetest, mida selle mõiste alla kombineeritakse. Nad ümbritsevad meid kõikjal ja kõikjal. Võtame näiteks inimkeha. Kas arvate, et neid aineid seal pole? Sa eksid väga. Neid on meis kõikjal ja suurima koguse moodustavad vere elektrolüüdid. Nende hulka kuuluvad näiteks raua ioonid, mis on osa hemoglobiinist ja aitavad transportida hapnikku meie keha kudedesse. Vere elektrolüüdid mängivad võtmerolli ka vee-soola tasakaalu ja südametegevuse reguleerimisel. Seda funktsiooni täidavad kaaliumi- ja naatriumioonid (rakkudes toimub isegi protsess, mida nimetatakse kaalium-naatriumpumbaks).
Iga ained, mida suudate isegi veidi lahustada, on elektrolüüdid. Ja pole sellist tööstust ja meie elu teiega, kusmida iganes neid rakendatakse. See ei puuduta ainult autode ja akude akusid. See on igasugune keemia- ja toidutootmine, sõjatehased, rõivatehased ja nii edasi.
Elektrolüüdi koostis, muide, on erinev. Seega on võimalik eristada happelist ja aluselist elektrolüüti. Need erinevad oma omaduste poolest põhimõtteliselt: nagu me juba ütlesime, on happed prootonidoonorid ja leelised aktseptorid. Kuid aja jooksul muutub elektrolüüdi koostis aine osa kadumise tõttu, kontsentratsioon kas väheneb või suureneb (kõik sõltub sellest, mis kaob, kas veest või elektrolüüdist).
Kohtume nendega iga päev, kuid vähesed inimesed teavad täpselt sellise mõiste nagu elektrolüüdid määratlust. Oleme käsitlenud näiteid konkreetsete ainete kohta, seega liigume edasi veidi keerukamate mõistete juurde.
Elektrolüütide füüsikalised omadused
Nüüd füüsikast. Selle teema uurimisel on kõige olulisem mõista, kuidas vool elektrolüütides edasi kandub. Ioonid mängivad selles otsustavat rolli. Need laetud osakesed võivad kanda laengu ühest lahuse osast teise. Niisiis kalduvad anioonid alati positiivsele elektroodile ja katioonid negatiivsele. Seega, toimides lahendusele elektrivooluga, eraldame laengud süsteemi eri külgedel.
Väga huvitav on selline füüsikaline omadus nagu tihedus. Sellest sõltuvad paljud meie poolt käsitletavate ühendite omadused. Ja sageli tekib küsimus: "Kuidas tõsta elektrolüüdi tihedust?" Tegelikult on vastus lihtne: peate sisu madalamaks muutmavesi lahuses. Kuna elektrolüüdi tiheduse määrab suuresti väävelhappe tihedus, siis sõltub see suuresti ka viimase kontsentratsioonist. Plaani elluviimiseks on kaks võimalust. Esimene on üsna lihtne: keetke akus sisalduv elektrolüüt. Selleks tuleb seda laadida nii, et temperatuur sees tõuseks veidi üle saja kraadi Celsiuse järgi. Kui see meetod ei aita, ärge muretsege, on veel üks: lihts alt asendage vana elektrolüüt uuega. Selleks tühjendage vana lahus, puhastage väävelhappe jääkidest seestpoolt destilleeritud veega ja valage seejärel uus portsjon. Reeglina on kvaliteetsetel elektrolüütide lahustel kohe soovitud kontsentratsioon. Pärast asendamist võite pikaks ajaks unustada, kuidas elektrolüüdi tihedust suurendada.
Elektrolüüdi koostis määrab suuresti selle omadused. Näiteks sellised omadused nagu elektrijuhtivus ja tihedus sõltuvad suuresti lahustunud aine olemusest ja selle kontsentratsioonist. Eraldi küsimus on selle kohta, kui palju elektrolüüti võib akus olla. Tegelikult on selle maht otseselt seotud toote deklareeritud võimsusega. Mida rohkem väävelhapet akus on, seda võimsam see on, st seda rohkem pinget suudab see toota.
Kus see kasulik on?
Kui olete autohuviline või lihts alt autode huviline, siis saate ise kõigest aru. Kindlasti teate isegi, kuidas praegu määrata, kui palju elektrolüüti akus on. Ja kui sa oled autodest kaugel, siis teadmisedNende ainete omadused, kasutusalad ja nende omavaheline koostoime ei ole üldse üleliigsed. Seda teades ei jää te kahjumisse, kui teilt palutakse öelda, milline elektrolüüt akus on. Kuigi isegi kui te pole autohuviline, kuid teil on auto, ei lähe akuseadme tundmine sugugi üleliigseks ja aitab teid remondis. Palju lihtsam ja odavam on kõike ise teha kui autokeskusesse sõita.
Ja selle teema paremaks uurimiseks soovitame lugeda koolidele ja ülikoolidele mõeldud keemiaõpikut. Kui tunnete seda teadust hästi ja olete lugenud piisav alt õpikuid, oleks Varõpajevi "Keemilised vooluallikad" parim valik. See kirjeldab üksikasjalikult kogu akude, erinevate patareide ja vesinikuelementide tööteooriat.
Järeldus
Oleme jõudnud lõppu. Teeme kokkuvõtte. Eespool oleme analüüsinud kõike, mis on seotud sellise kontseptsiooniga nagu elektrolüüdid: näiteid, struktuuri ja omaduste teooriat, funktsioone ja rakendusi. Veel kord tasub öelda, et need ühendid on osa meie elust, ilma milleta ei saaks meie kehad ega kõik tööstusharud eksisteerida. Kas mäletate vere elektrolüüte? Tänu neile me elame. Aga meie autod? Nende teadmistega suudame lahendada kõik akuga seotud probleemid, kuna nüüd mõistame, kuidas selles elektrolüüdi tihedust suurendada.
Kõike on võimatu ära rääkida ja me ei seadnud sellist eesmärki. Lõppude lõpuks pole see veel kõik, mida saab nende hämmastavate ainete kohta öelda.
