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 despre cele mai importante domenii de utilizare a acestor substanțe în industrie și vom înțelege ce reprezintă acestea și cum diferă ele 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. Totuși, 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. Mai multe salturi calitative au fost observate în teoriile care descriu mecanismele de interacțiune a electroliților cu apa (de fapt, numai în soluție obțin acele proprietăți care le fac să fie utilizate în industrie).

Acum vom discuta în detaliu mai multe 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 Chimist ruso-german Wilhelm Ostwald a creat o teorie a disocierii electrolitice. Cu toate acestea, și aici nu este așa de simplu. Arrhenius însuși a fost un susținător al așa-numitei teorii fizice 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 considerată astăzi.

Să vorbim încă despre ce dă 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: ele atrag molecule de apă, care, întâmplător, sunt încărcate pozitiv pe o parte, iar pe de altă parte - negativ (formează un dipol), ca rezultat fiind formate în acvacomplexe (solvați).

2. Procesul de disociere este reversibil - adică dacă substanța sa destrămat în ioni, atunci sub influența unor factori se poate transforma din nou în 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, ei erau numiți electroliți.

4. Grad de disociere Electrolitele 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. Acestea vor fi folosite 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 de hidrogen, iar baza este un compus descompus într-o soluție de hidroxid-anion. 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 - acestea 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 dea unul sau mai mulți dintre electronii lor pentru "utilizarea" acidului. Este foarte interesant aici faptul 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 altul, doi cercetători - J. Brønsted și T. Lowry - au propus o teorie care este acum folosită în mod activ de 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 sunt numiți amfoterici. În teoria lui Bronsted-Lowry, termenul de 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. Apoi vom începe să descriem aplicarea lor practică.

Electroliți puternici și slabi

Fiecare substanță interacționează cu apa individual. Unele se dizolvă bine în ea (de exemplu, sare de masă), iar altele 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 mare energie de legare, care nu permite moleculei să se descompună în ionii ei constituenți în condiții normale. Disocierea electroliților slabi are loc fie foarte lent, 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 alcalii puternici. Se scade cu ușurință în ioni și este foarte dificil să se colecteze în precipitat. Apropo, curentul în electroliți este realizat tocmai de 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 afectează schimbarea situației externe 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 se numește legea de diluare a lui Ostwald și este scrisă după cum urmează: 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. Conform acestei formule, se poate învăța multe despre substanță și comportamentul său în soluție.

Dar ne-am îndepărtat de subiect. În plus față de concentrație, gradul de disociere este de asemenea afectat de temperatura electrolitului. Pentru cele mai multe substanțe, creșterea 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 electrolit. Acum ne îndreptăm spre aplicarea practică a acestor, fără îndoială, substanțe chimice foarte importante.

Utilizare industrială

Desigur, toată lumea a auzit cuvântul "electrolit" aplicat bateriilor. Masina foloseste baterii plumb-acid, rolul de electrolit in care se efectueaza 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. Aceasta poate fi reprezentată ca acumularea de energie electrică într-o substanță ca urmare a unei reacții chimice. Când începe descărcarea, începe transformarea inversă, 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. Așa cum ați putea ghici, această sursă de curent constă dintr-un element care conține plumb (precum și dioxid de plumb PbO₂) și acizi. Orice baterie este alcătuită din electrozi și spațiul dintre ele, umplut doar cu electrolit. Ca ultimul, așa 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 constă din plumb pur. Toate acestea se datorează faptului că pe acești doi electrozi există reacții reversibile diferite care implică ioni, la care acidul este disociat:

1. PbO₂ + SO₄^2-+ 4H⁺ + 2e^- = PbSO₄ + 2H₂O (reacția apărută la catodul electrod-negativ).
2. Pb + SO₄^2- - 2e^- = PbSO₄ (Reacție care curge pe anodul electrod pozitiv).

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 sursa chimică de curent aceste reacții sunt diferite, dar mecanismul fluxului lor este în general descris în același mod: apar două procese, la unul dintre care electronii sunt "absorbiți", iar în celălalt, "ieșesc". 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, exemple despre care am citat, sunt doar un amestec de substanțe care sunt unite sub acest termen. Ne înconjoară peste tot, 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 alcătuit din electroliți de sânge. Acestea includ, de exemplu, ionii de fier care fac parte din hemoglobină și ajută la transportul oxigenului către țesuturile corpului nostru. Electroliții din sânge joacă, de asemenea, un rol-cheie în reglarea echilibrului apă-sare și a muncii inimii. Această funcție este efectuată de ioni de potasiu și sodiu (există chiar și un proces care are loc în celule, numit pompa de potasiu-sodiu).

Orice substanțe pe care le poți dizolva cel puțin puțin - electroliți. Și nu există o ramură a industriei și viața noastră cu tine, 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 alcalii - acceptori. Dar odată cu schimbarea 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 în fiecare zi, dar foarte puțini oameni cunosc exact definiția unui termen precum electroliții. Exemple de substanțe specifice, am dezmembrat, așa că trecem la niște concepte ușor mai complexe.

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 încărcătura de la o parte a soluției la alta. Astfel, anionii au tendința mereu la electrodul pozitiv, iar cationii la electrodul negativ. Astfel, acționând asupra soluției cu un curent electric, împărțim încărcăturile pe diferite părți ale sistemului.

Foarte interesant este o caracteristică fizică, cum ar fi densitatea. Multe proprietăți ale compușilor pe care îi discutăm depind de aceasta. Și de multe ori apare o întrebare: "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 densitatea acidului sulfuric, atunci depinde în cea mai mare parte de concentrația acestuia din urmă. Există două modalități de a realiza acest lucru. Primul este foarte 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 resturilor de acid sulfuric cu apă distilată și apoi turnați o nouă porție. Ca o regulă, calitativă soluții electrolitice au imediat valoarea dorită de concentrare. După înlocuire, puteți uita cum să măriți densitatea electrolitului pentru o perioadă lungă de 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 este mai puternic, cu atât mai mare este tensiunea de emisie.

Unde este util?

Dacă sunteți un pasionat de mașină sau vă place doar mașinile, atunci înțelegeți totul singur. Sigur că chiar știți cum să determinați cât de mult este acum bateria acumulatorului. Și dacă sunteți departe de mașini, atunci cunoașterea proprietăților acestor substanțe, a aplicațiilor lor și a modului în care interacționează între ele nu va fi superfluă. Știind acest lucru, nu veți pierde dacă vi se cere să spuneți 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 această știință bine și să citească destule cărți, cea mai bună opțiune va fi „surse de curent chimice“ Varypaeva. Întreaga teorie a funcționării acumulatorilor, a diferitelor baterii și a elementelor de hidrogen este prezentată detaliat acolo.

concluzie

Suntem la un capăt. Să rezumăm. Deasupra am dezasamblat tot ce are legătură cu 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 și toate sferele industriei nu ar putea exista. Vă amintiți despre electroliții din sânge? Mulțumesc lor trăim. Cum rămâne cu mașinile noastre? Cu ajutorul acestor cunoștințe putem rezolva orice problemă legată de baterie, 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.