Electrolytes bilang mga kemikal ay kilala mula pa noong unang panahon. Gayunpaman, nasakop nila ang karamihan sa kanilang mga lugar ng aplikasyon kamakailan. Tatalakayin natin ang pinakamataas na priyoridad na mga lugar para magamit ng industriya ang mga sangkap na ito at alamin kung ano ang huli at kung paano sila naiiba sa isa't isa. Ngunit magsimula tayo sa isang paglihis sa kasaysayan.
Kasaysayan
Ang pinakalumang kilalang electrolyte ay mga asin at acid na natuklasan sa sinaunang mundo. Gayunpaman, ang mga ideya tungkol sa istraktura at mga katangian ng mga electrolyte ay umunlad sa paglipas ng panahon. Ang mga teorya ng mga prosesong ito ay umunlad mula noong 1880s, nang ang isang bilang ng mga pagtuklas ay ginawa na may kaugnayan sa mga teorya ng mga katangian ng mga electrolyte. Mayroong ilang mga qualitative leaps sa mga teorya na naglalarawan sa mga mekanismo ng pakikipag-ugnayan ng mga electrolyte sa tubig (pagkatapos ng lahat, tanging sa solusyon lamang nila nakukuha ang mga katangian dahil sa kung saan sila ay ginagamit sa industriya).
Ngayon ay susuriin natin nang detalyado ang ilang mga teorya na may pinakamalaking impluwensya sa pagbuo ng mga ideya tungkol sa mga electrolyte at ang kanilang mga katangian. At magsimula tayo sa pinakakaraniwan at simpleng teorya na kinuha ng bawat isa sa atin sa paaralan.
Teoryang Arrhenius ng Electrolytic Dissociation
noong 1887Ang Swedish chemist na si Svante Arrhenius at Russian-German chemist na si Wilhelm Ostwald ay lumikha ng teorya ng electrolytic dissociation. Gayunpaman, ang lahat ay hindi masyadong simple dito. Si Arrhenius mismo ay isang tagasuporta ng tinatawag na pisikal na teorya ng mga solusyon, na hindi isinasaalang-alang ang pakikipag-ugnayan ng mga sangkap na bumubuo sa tubig at nagtalo na may mga libreng sisingilin na mga particle (ions) sa solusyon. Sa pamamagitan ng paraan, mula sa mga ganoong posisyon kung saan ang electrolytic dissociation ay isinasaalang-alang sa paaralan ngayon.
Pag-usapan pa rin natin kung ano ang ibinibigay ng teoryang ito at kung paano nito ipinaliliwanag sa atin ang mekanismo ng interaksyon ng mga substance sa tubig. Tulad ng iba, mayroon siyang ilang postulate na ginagamit niya:
1. Kapag nakikipag-ugnayan sa tubig, ang sangkap ay nabubulok sa mga ions (positibo - cation at negatibo - anion). Ang mga particle na ito ay sumasailalim sa hydration: nakakaakit sila ng mga molekula ng tubig, na, sa pamamagitan ng paraan, ay positibong na-charge sa isang panig at negatibong sisingilin sa kabilang panig (nabubuo ng isang dipole), bilang isang resulta, sila ay bumubuo sa mga aqua complex (solvates).
2. Ang proseso ng dissociation ay nababaligtad - iyon ay, kung ang sangkap ay nasira sa mga ion, sa ilalim ng impluwensya ng anumang mga kadahilanan maaari itong muling maging orihinal.
3. Kung ikinonekta mo ang mga electrodes sa solusyon at magsimula ng isang kasalukuyang, ang mga kation ay magsisimulang lumipat patungo sa negatibong elektrod - ang katod, at ang mga anion patungo sa positibong sisingilin - ang anode. Iyon ang dahilan kung bakit ang mga sangkap na lubos na natutunaw sa tubig ay nagsasagawa ng kuryente nang mas mahusay kaysa sa tubig mismo. Tinatawag din silang mga electrolyte para sa parehong dahilan.
4. Ang antas ng dissociation ng electrolyte ay nagpapakilala sa porsyento ng sangkap na sumailalim sa paglusaw. Itoang indicator ay nakasalalay sa mga katangian ng solvent at ang solute mismo, sa konsentrasyon ng huli at sa panlabas na temperatura.
Narito, sa katunayan, at lahat ng mga pangunahing postulate ng simpleng teoryang ito. Gagamitin namin ang mga ito sa artikulong ito upang ilarawan kung ano ang nangyayari sa isang electrolyte solution. Susuriin natin ang mga halimbawa ng mga compound na ito sa ibang pagkakataon, ngunit ngayon ay isasaalang-alang natin ang isa pang teorya.
Teoryang Lewis ng mga acid at base
Ayon sa teorya ng electrolytic dissociation, ang acid ay isang substance kung saan mayroong hydrogen cation, at ang base ay isang compound na nabubulok sa isang hydroxide anion sa solusyon. May isa pang teorya na ipinangalan sa sikat na chemist na si Gilbert Lewis. Pinapayagan ka nitong medyo palawakin ang konsepto ng acid at base. Ayon sa teorya ng Lewis, ang mga asido ay mga ion o molekula ng isang sangkap na may mga libreng orbital ng elektron at kayang tumanggap ng isang elektron mula sa ibang molekula. Madaling hulaan na ang mga base ay magiging mga particle na maaaring mag-abuloy ng isa o higit pa sa kanilang mga electron sa "paggamit" ng acid. Napaka-interesante dito na hindi lamang isang electrolyte, kundi maging anumang substance, kahit na hindi matutunaw sa tubig, ay maaaring maging acid o base.
Brandsted-Lowry protolithic theory
Noong 1923, nang hiwalay sa isa't isa, dalawang siyentipiko - sina J. Bronsted at T. Lowry - ang nagmungkahi ng teorya na ngayon ay aktibong ginagamit ng mga siyentipiko upang ilarawan ang mga proseso ng kemikal. Ang kakanyahan ng teoryang ito ay iyonAng dissociation ay nabawasan sa paglipat ng isang proton mula sa isang acid patungo sa isang base. Kaya, ang huli ay nauunawaan dito bilang isang proton acceptor. Tapos yung acid yung donor nila. Ipinaliwanag din ng teorya ang pagkakaroon ng mga sangkap na nagpapakita ng mga katangian ng parehong mga acid at base. Ang ganitong mga compound ay tinatawag na amphoteric. Sa teoryang Bronsted-Lowry, ginagamit din ang terminong ampholytes para sa kanila, habang ang mga acid o base ay karaniwang tinatawag na protolith.
Nakarating na tayo sa susunod na bahagi ng artikulo. Dito ay sasabihin namin sa iyo kung paano naiiba ang malakas at mahina na mga electrolyte sa bawat isa at talakayin ang impluwensya ng panlabas na mga kadahilanan sa kanilang mga katangian. At pagkatapos ay sisimulan nating ilarawan ang kanilang praktikal na aplikasyon.
Malakas at mahinang electrolyte
Ang bawat substance ay nakikipag-ugnayan sa tubig nang paisa-isa. Ang ilan ay natutunaw nang mabuti sa loob nito (halimbawa, table s alt), habang ang ilan ay hindi natutunaw sa lahat (halimbawa, chalk). Kaya, ang lahat ng mga sangkap ay nahahati sa malakas at mahina electrolytes. Ang huli ay mga sangkap na hindi mahusay na nakikipag-ugnayan sa tubig at tumira sa ilalim ng solusyon. Nangangahulugan ito na mayroon silang napakababang antas ng dissociation at isang mataas na enerhiya ng bono, na sa ilalim ng normal na mga kondisyon ay hindi pinapayagan ang molekula na mabulok sa mga constituent ions nito. Ang paghihiwalay ng mga mahinang electrolyte ay nangyayari nang napakabagal, o sa pagtaas ng temperatura at konsentrasyon ng sangkap na ito sa solusyon.
Pag-usapan natin ang mga malalakas na electrolyte. Kabilang dito ang lahat ng natutunaw na asing-gamot, pati na rin ang mga malakas na acid at alkalis. Madali silang masira sa mga ion at napakahirap kolektahin ang mga ito sa pag-ulan. Ang kasalukuyang sa electrolytes, sa pamamagitan ng paraan, ay isinasagawatiyak dahil sa mga ions na nakapaloob sa solusyon. Samakatuwid, ang mga malakas na electrolyte ay nagsasagawa ng kasalukuyang pinakamahusay sa lahat. Mga halimbawa ng huli: mga malakas na acid, alkali, natutunaw na asin.
Mga salik na nakakaapekto sa pag-uugali ng mga electrolyte
Ngayon, alamin natin kung paano nakakaapekto ang mga pagbabago sa panlabas na kapaligiran sa mga katangian ng mga sangkap. Ang konsentrasyon ay direktang nakakaapekto sa antas ng electrolyte dissociation. Bukod dito, ang ratio na ito ay maaaring ipahayag sa matematika. Ang batas na naglalarawan sa relasyong ito ay tinatawag na Ostwald dilution law at isinulat tulad ng sumusunod: a=(K / c)1/2. Narito ang a ay ang antas ng dissociation (kinuha sa mga fraction), ang K ay ang dissociation constant, na iba para sa bawat substance, at c ay ang konsentrasyon ng electrolyte sa solusyon. Sa pamamagitan ng formula na ito, marami kang matututuhan tungkol sa substance at ang gawi nito sa solusyon.
Ngunit lumilihis tayo. Bilang karagdagan sa konsentrasyon, ang antas ng dissociation ay apektado din ng temperatura ng electrolyte. Para sa karamihan ng mga sangkap, ang pagtaas nito ay nagpapataas ng solubility at reaktibidad. Ito ay maaaring ipaliwanag ang paglitaw ng ilang mga reaksyon lamang sa mataas na temperatura. Sa ilalim ng normal na mga kundisyon, ang mga ito ay napakabagal, o sa magkabilang direksyon (ang ganitong proseso ay tinatawag na reversible).
Nasuri namin ang mga salik na tumutukoy sa gawi ng isang system gaya ng electrolyte solution. Ngayon ay lumipat tayo sa praktikal na aplikasyon ng mga ito, walang duda, napakahalagang mga kemikal.
Paggamit sa industriya
Siyempre, narinig na ng lahat ang salitang "electrolyte"kaugnay ng mga baterya. Gumagamit ang kotse ng mga lead-acid na baterya, ang electrolyte kung saan mayroong 40% sulfuric acid. Upang maunawaan kung bakit kailangan ang substance na ito doon, sulit na maunawaan ang mga feature ng mga baterya.
Kaya ano ang prinsipyo ng anumang baterya? Sa kanila, ang isang nababaligtad na reaksyon ng pagbabagong-anyo ng isang sangkap sa isa pa ay nangyayari, bilang isang resulta kung saan ang mga electron ay pinakawalan. Kapag na-charge ang baterya, nagaganap ang interaksyon ng mga substance, na hindi nakukuha sa ilalim ng normal na mga kondisyon. Ito ay maaaring kinakatawan bilang ang akumulasyon ng kuryente sa isang sangkap bilang resulta ng isang kemikal na reaksyon. Kapag nagsimula ang discharge, magsisimula ang reverse transformation, na humahantong sa system sa paunang estado. Ang dalawang prosesong ito na magkasama ay bumubuo ng isang cycle ng charge-discharge.
Isaalang-alang natin ang proseso sa itaas sa isang partikular na halimbawa - isang lead-acid na baterya. Gaya ng maaari mong hulaan, ang kasalukuyang source na ito ay binubuo ng isang elementong naglalaman ng lead (pati na rin ang lead dioxide PbO2) at acid. Ang anumang baterya ay binubuo ng mga electrodes at ang espasyo sa pagitan ng mga ito, na puno lamang ng electrolyte. Bilang ang huli, tulad ng nalaman na natin, sa ating halimbawa, ang sulfuric acid ay ginagamit sa isang konsentrasyon na 40 porsiyento. Ang cathode ng naturang baterya ay gawa sa lead dioxide, at ang anode ay gawa sa purong lead. Ang lahat ng ito ay dahil ang iba't ibang nababaligtad na reaksyon ay nangyayari sa dalawang electrodes na ito na may partisipasyon ng mga ions kung saan ang acid ay naghiwalay:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(reaksyon na nagaganap sa negatibong electrode - cathode).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Reaksyon sa positibong electrode - anode).
Kung babasahin natin ang mga reaksyon mula kaliwa hanggang kanan - nakukuha natin ang mga prosesong nagaganap kapag na-discharge ang baterya, at kung mula kanan pakaliwa - kapag nagcha-charge. Sa bawat kasalukuyang mapagkukunan ng kemikal, ang mga reaksyong ito ay magkakaiba, ngunit ang mekanismo ng kanilang paglitaw ay karaniwang inilarawan sa parehong paraan: dalawang proseso ang nangyayari, sa isa kung saan ang mga electron ay "nasisipsip", at sa isa pa, sa kabaligtaran, sila " umalis". Ang pinakamahalagang bagay ay ang bilang ng mga na-absorb na electron ay katumbas ng bilang ng mga ibinubuga.
Sa totoo lang, bilang karagdagan sa mga baterya, maraming mga aplikasyon ng mga sangkap na ito. Sa pangkalahatan, ang mga electrolyte, mga halimbawa na ibinigay namin, ay isang butil lamang ng iba't ibang mga sangkap na pinagsama sa ilalim ng terminong ito. Pinapalibutan nila kami saanman, saanman. Kunin, halimbawa, ang katawan ng tao. Sa palagay mo, wala ba ang mga sangkap na ito? Masyado kang nagkakamali. Ang mga ito ay nasa lahat ng dako sa amin, at ang pinakamalaking halaga ay mga electrolyte ng dugo. Kabilang dito, halimbawa, ang mga iron ions, na bahagi ng hemoglobin at tumutulong sa pagdadala ng oxygen sa mga tisyu ng ating katawan. Ang mga electrolyte ng dugo ay gumaganap din ng isang mahalagang papel sa regulasyon ng balanse ng tubig-asin at paggana ng puso. Ang function na ito ay ginagawa ng potassium at sodium ions (mayroong kahit isang proseso na nangyayari sa mga cell, na tinatawag na potassium-sodium pump).
Anumang substance na maaari mong matunaw kahit kaunti ay electrolytes. At walang ganoong industriya at ang aming buhay sa iyo, kung saananuman ang kanilang inilapat. Ito ay hindi lamang mga baterya sa mga kotse at baterya. Ito ay anumang kemikal at produksyon ng pagkain, mga plantang militar, mga pabrika ng damit at iba pa.
Ang komposisyon ng electrolyte, nga pala, ay iba. Kaya, posible na makilala ang acidic at alkaline electrolyte. Ang mga ito sa panimula ay naiiba sa kanilang mga katangian: tulad ng nasabi na natin, ang mga acid ay mga donor ng proton, at ang mga alkali ay mga acceptor. Ngunit sa paglipas ng panahon, nagbabago ang komposisyon ng electrolyte dahil sa pagkawala ng bahagi ng substance, bumababa o tumataas ang konsentrasyon (depende ito sa kung ano ang nawala, tubig o electrolyte).
Nakakaharap natin sila araw-araw, ngunit kakaunti ang mga tao ang eksaktong nakakaalam ng kahulugan ng naturang termino bilang electrolytes. Sinakop namin ang mga halimbawa ng mga partikular na substance, kaya lumipat tayo sa mas kumplikadong mga konsepto.
Mga pisikal na katangian ng electrolytes
Ngayon tungkol sa physics. Ang pinakamahalagang bagay na dapat maunawaan kapag pinag-aaralan ang paksang ito ay kung paano ipinapadala ang kasalukuyang sa mga electrolyte. Ang mga ion ay may mahalagang papel dito. Ang mga naka-charge na particle na ito ay maaaring maglipat ng singil mula sa isang bahagi ng solusyon patungo sa isa pa. Kaya, ang mga anion ay palaging may posibilidad na positibong elektrod, at mga kasyon - sa negatibo. Kaya, sa pagkilos sa solusyon gamit ang isang electric current, pinaghihiwalay namin ang mga singil sa iba't ibang panig ng system.
Napakainteresante ang isang pisikal na katangian gaya ng density. Maraming mga katangian ng mga compound na tinatalakay natin ang nakasalalay dito. At madalas na lumilitaw ang tanong: "Paano itaas ang density ng electrolyte?" Sa katunayan, ang sagot ay simple: kailangan mong i-downgrade ang nilalamantubig sa solusyon. Dahil ang density ng electrolyte ay higit na tinutukoy ng density ng sulfuric acid, higit sa lahat ay nakasalalay sa konsentrasyon ng huli. Mayroong dalawang paraan upang maisakatuparan ang plano. Ang una ay medyo simple: pakuluan ang electrolyte na nakapaloob sa baterya. Upang gawin ito, kailangan mong singilin ito upang ang temperatura sa loob ay tumaas nang bahagya sa itaas ng isang daang degrees Celsius. Kung ang pamamaraang ito ay hindi makakatulong, huwag mag-alala, may isa pa: palitan lamang ang lumang electrolyte ng bago. Upang gawin ito, alisan ng tubig ang lumang solusyon, linisin ang mga insides ng sulfuric acid residues na may distilled water, at pagkatapos ay ibuhos sa isang bagong bahagi. Bilang isang patakaran, ang mga de-kalidad na solusyon sa electrolyte ay agad na may nais na konsentrasyon. Pagkatapos ng pagpapalit, maaari mong kalimutan nang mahabang panahon ang tungkol sa kung paano pataasin ang density ng electrolyte.
Ang komposisyon ng electrolyte ay higit na tumutukoy sa mga katangian nito. Ang mga katangian tulad ng electrical conductivity at density, halimbawa, ay lubos na nakadepende sa likas na katangian ng solute at konsentrasyon nito. Mayroong isang hiwalay na tanong tungkol sa kung gaano karaming electrolyte ang maaaring nasa baterya. Sa katunayan, ang dami nito ay direktang nauugnay sa ipinahayag na kapangyarihan ng produkto. Kung mas maraming sulfuric acid sa loob ng baterya, mas malakas ito, ibig sabihin, mas maraming boltahe ang magagawa nito.
Saan ito madaling gamitin?
Kung ikaw ay mahilig sa kotse o mahilig lang sa mga kotse, ikaw mismo ang nakakaintindi ng lahat. Tiyak na alam mo na kung paano matukoy kung gaano karaming electrolyte ang nasa baterya ngayon. At kung malayo ka sa mga kotse, kung gayon ang kaalamanAng mga katangian ng mga sangkap na ito, ang kanilang mga aplikasyon at kung paano sila nakikipag-ugnayan sa isa't isa ay hindi magiging kalabisan. Sa pag-alam nito, hindi ka malulugi kung hihilingin sa iyo na sabihin kung aling electrolyte ang nasa baterya. Kahit na kahit na hindi ka mahilig sa kotse, ngunit mayroon kang kotse, kung gayon ang pag-alam sa aparato ng baterya ay hindi magiging labis at makakatulong sa iyo sa pag-aayos. Mas magiging madali at mas mura na gawin ang lahat nang mag-isa kaysa pumunta sa auto center.
At para mas mapag-aralan ang paksang ito, inirerekomenda naming magbasa ng chemistry textbook para sa mga paaralan at unibersidad. Kung alam mo nang mabuti ang agham na ito at nakapagbasa ng sapat na mga aklat-aralin, ang "Mga Kasalukuyang Pinagmumulan ng Kemikal" ni Varypaev ang magiging pinakamagandang opsyon. Detalyadong binabalangkas nito ang buong teorya ng pagpapatakbo ng mga baterya, iba't ibang baterya at hydrogen cell.
Konklusyon
Dumating na tayo sa dulo. I-summarize natin. Sa itaas, sinuri namin ang lahat ng nauugnay sa isang konsepto tulad ng mga electrolyte: mga halimbawa, teorya ng istraktura at mga katangian, pag-andar at aplikasyon. Muli, nararapat na sabihin na ang mga compound na ito ay bahagi ng ating buhay, kung wala ang ating mga katawan at lahat ng mga lugar ng industriya ay hindi maaaring umiral. Naaalala mo ba ang mga electrolyte ng dugo? Salamat sa kanila nabubuhay tayo. Paano ang mga sasakyan natin? Sa kaalamang ito, magagawa naming ayusin ang anumang problema na nauugnay sa baterya, dahil naiintindihan na namin ngayon kung paano pataasin ang density ng electrolyte sa loob nito.
Imposibleng sabihin ang lahat, at hindi kami nagtakda ng ganoong layunin. Pagkatapos ng lahat, hindi lang ito ang masasabi tungkol sa mga kamangha-manghang sangkap na ito.
