Elektrolyty: příklady. Složení a vlastnosti elektrolytů. Silné a slabé elektrolyty

Elektrolyty jako chemikálie jsou známéstarověku. Většina oblastí jejich aplikace však získala poměrně nedávno. Budeme diskutovat o nejdůležitějších oblastech využívání těchto látek v průmyslu a pochopíme, jaké jsou tyto látky a jak se navzájem liší. Ale pojďme začít s prohlídkou historie.

Historie

Nejstaršími známými elektrolyty jsou soli akyseliny, objevené ve starověkém světě. Avšak představy o struktuře a vlastnostech elektrolytů se vyvinuly s časem. Teorie těchto procesů se vyvíjely od počátku 80. let 20. století, kdy se objevilo množství objevů souvisejících s teoriemi vlastností elektrolytů. Několik kvalitativních kroků bylo zaznamenáno v teoriích popisujících mechanismy interakce elektrolytů s vodou (ve skutečnosti pouze v řešení získají ty vlastnosti, které je používají v průmyslu).

Nyní budeme podrobně diskutovat několik teorií,která měla největší vliv na vývoj myšlenek o elektrolytech a jejich vlastnostech. A začněte s nejčastější a nejjednodušší teorií, kterou každý z nás absolvoval ve škole.

Teorie elektrolytické disociace Arrhenius

v roce 1887 švédský chemik Svante Arrhenius aRusko-německý chemik Wilhelm Ostwald vytvořil teorii elektrolytické disociace. Nicméně i zde není to tak jednoduché. Arrhenius sám zastával takzvanou fyzikální teorii řešení, která nezohlednila vzájemnou souvislost složek látek s vodou a tvrdila, že v roztoku jsou volně nabité částice (ionty). Mimochodem, je z takových pozic, že ​​je dnes zvažována elektrolytická disociace ve škole.

Hovoříme ještě o tom, co tato teorie dává a jak vysvětluje mechanismus interakce látek s vodou. Jako každá jiná má několik postulátů, které používá:

1. Při interakci s vodou se látka rozkládá na ionty (pozitivní - kation a negativní - anion). Tyto částice podléhají hydrataci: přitahují molekuly vody, které jsou mimochodem kladně nabité na jedné straně a na druhé straně negativně (vytváří dipól), čímž se vytvářejí akvokomplexy (solváty).

2. Proces disociace je reverzibilní - to jest, jestliže se látka rozpadla na ionty, pak pod vlivem některých faktorů se může opět obrátit na počáteční.

3. Pokud připojíte elektrody k roztoku a spustíte proud, kationty se začnou pohybovat na zápornou elektrodu - katodu a anionty na kladně nabité - anodu. Proto jsou látky, které jsou velmi rozpustné ve vodě, lepší elektrický proud než samotná voda. Ze stejného důvodu byly nazývány elektrolyty.

4. Stupeň disociace elektrolytu charakterizuje procento látky, která prošla rozpuštěním. Tento indikátor závisí na vlastnostech rozpouštědla a nejvíce rozpuštěné látky, na jejich koncentraci a vnější teplotě.

Tady, ve skutečnosti, a všechny základní postuláty tohotojednoduchá teorie. Budou použita v tomto článku k popisu toho, co se děje v roztoku elektrolytu. Příklady těchto sloučenin budou diskutovány později, ale nyní budeme zvažovat další teorii.

Teorie kyselin a základů Lewise

Podle teorie elektrolytické disociace je kyselinaje látka, u které je roztok kationtu vodíku a báze je sloučenina, která se v roztoku rozkládá na hydroxidový anion. Existuje další teorie, pojmenovaná po slavném chemikovi Gilbertovi Lewisovi. Umožňuje nám poněkud rozvinout koncept kyseliny a základny. Podle Lewisovy teorie jsou kyselinami ionty nebo molekuly hmoty, které mají volné elektronové orbitaly a jsou schopné odebírat elektron z jiné molekuly. Je snadné si uvědomit, že základnami budou ty částice, které dokáží dát jeden nebo více jejich elektronů "použití" kyseliny. Je velmi zajímavé, že kyselinou nebo bází může být nejen elektrolyt, ale jakákoli látka, dokonce nerozpustná ve vodě.

Prototypová teorie Brandsted-Lowry

V roce 1923, nezávisle na sobě, dvavědci - J. Brønsted a T. Lowry - navrhli teorii, kterou vědci nyní aktivně používají k popisu chemických procesů. Podstata této teorie spočívá v tom, že význam disociace je redukován na přenos protonu z kyseliny na bázi. Tudíž se zde rozumí jako akceptor protonů. Potom je kyselina jejich dárcem. Tato teorie také dobře vysvětluje existenci látek vykazujících vlastnosti a kyseliny a zásady. Takové sloučeniny se nazývají amfoterní. V teorii Bronsted-Lowryho se pro ně také používá termín amfolyty, zatímco kyseliny nebo báze se běžně nazývají protolity.

Přijeli jsme k další části článku. Zde popisujeme, jak se různé silné a slabé elektrolyty liší od sebe a diskutují o vlivu vnějších faktorů na jejich vlastnosti. A pak začneme popisovat jejich praktickou aplikaci.

Silné a slabé elektrolyty

Každá látka interaguje s vodoujednotlivě. Některé se v ní dobře rozpouštějí (například stolní sůl) a některé se vůbec nerozpustí (například křída). Proto jsou všechny látky rozděleny na silné a slabé elektrolyty. Druhou látkou jsou látky, které slabě reagují s vodou a usazují se na dně roztoku. To znamená, že mají velmi nízký stupeň disociace a vysokou vazebnou energii, která neumožňuje, aby se molekula za normálních podmínek rozkládala na své ionty tvořící. Disociace slabých elektrolytů nastává buď velmi pomalu, nebo se zvyšuje teplota a koncentrace této látky v roztoku.

Promluvme si o silných elektrolytech. Patří sem všechny rozpustné soli, stejně jako silné kyseliny a zásady. Snadno se rozkládají na ionty a je velmi obtížné je shromáždit v sraženině. Mimochodem, proud v elektrolytech se provádí přesně ionty obsaženými v roztoku. Proto nejlepší elektrolyt vede proud. Příklady těchto látek: silné kyseliny, zásady, rozpustné soli.

Faktory ovlivňující chování elektrolytů

Nyní se podíváme, jak změna v externísituaci na vlastnostech látek. Koncentrace přímo ovlivňuje stupeň disociace elektrolytu. Navíc tento vztah lze vyjádřit matematicky. Zákon popisující toto spojení se nazývá Ostwaldův zřetelný zákon a je napsán následovně: a = (K / c)^1/2. Tady je a stupeň disociace (je přijatfrakce), K je disociační konstanta odlišná pro každou látku a c je koncentrace elektrolytu v roztoku. Podle tohoto vzorce se člověk může dozvědět hodně o látce a jejích chováních v řešení.

Ale vytratili jsme se z tohoto tématu. Kromě koncentrace je stupeň disociace také ovlivněn teplotou elektrolytu. U většiny látek zvyšuje jeho zvýšení rozpustnost a chemickou aktivitu. To je to, co vysvětluje průběh určitých reakcí pouze při zvýšené teplotě. Za normálních podmínek jde buď velmi pomalu, nebo v obou směrech (tento proces se nazývá reverzibilní).

Analyzovali jsme faktory, které určují chování takového systému, jako je roztok elektrolytu. Nyní se zaměřujeme na praktickou aplikaci těchto látek bezpochyby na velmi důležité chemikálie.

Průmyslové použití

Samozřejmě každý slyšel slovo "elektrolyt"na baterie. V autě jsou použity olověné akumulátory, které hrají roli elektrolytu, ve kterém působí 40% kyseliny sírové. Abychom pochopili, proč je tato látka potřeba, je třeba porozumět vlastnostem baterie.

Takže jaký je princip nějaké baterie? V nich dochází k reverzibilní reakci transformace jedné látky na druhou, což vede k uvolnění elektronů. Při nabití baterie dochází k interakci látek, které nejsou za normálních podmínek dosaženy. To může být reprezentováno jako akumulace elektřiny v látce v důsledku chemické reakce. Když začne vypouštění, začíná reverzní transformace, což vede systém k jeho počátečnímu stavu. Tyto dva procesy společně tvoří jeden cyklus nabíjení a vybití.

Vezměme si výše uvedený proces na konkrétnípříklad - baterie s olověnou kyselinou. Jak můžete odhadnout, tento proudový zdroj se skládá z prvku obsahujícího olovo (stejně jako oxid olovnatý PbO₂) a kyseliny. Každá baterie je tvořena elektrodami a prostorem mezi nimi, naplněným elektrolytem. Jako poslední, jak jsme již vysvětlili, v našem příkladu se používá kyselina sírová s koncentrací 40%. Katoda takové baterie je vyrobena z oxidu olovnatého a anoda se skládá z čistého olova. To vše proto, že na těchto dvou elektrodách existují různé reverzibilní reakce zahrnující ionty, ke kterým je kyselina oddělena:

1. PbO₂ + SO₄^2-+ 4H⁺ + 2e^- = PbSO₄ + 2H₂O (reakce probíhá na záporné katodě elektrod).
2. Pb + SO₄^2- - 2e^- = PbSO₄ (Reakce proudící na anodě pozitivní elektrody).

Pokud čteme reakce zleva doprava, dostaneme toprocesy probíhající při vybití baterie, a je-li pravdu - za poplatek. Každý chemický zdroj proudu z těchto reakcí se liší, ale mechanismus jejich výskytu obecně popisuje stejný: existují dva způsoby, z nichž jeden jsou elektrony „absorbovány“ a druhý naopak „go“. Nejdůležitější věcí je, že počet absorbovaných elektronů se rovná počtu zveřejněn.

Ve skutečnosti jsou kromě baterií i hmotypoužití těchto látek. Obecně platí, že elektrolyty, jejichž příklady jsme citovali, jsou pouze zrn různorodých látek, které jsou spojeny pod tímto pojmem. Obklopují nás všude, všude. Zde je například lidské tělo. Myslíte si, že tyto látky tam nejsou? Velmi špatně. Jsou všude v nás a největší počet je tvořen elektrolyty krve. Patří sem například ionty železa, které jsou součástí hemoglobinu, a pomáhají přenášet kyslík do tkání našeho těla. Elektrolyty krve také hrají klíčovou roli při regulaci rovnováhy vody a soli a činnosti srdce. Tato funkce je prováděna ionty draslíku a sodíku (dokonce existuje proces, který probíhá v buňkách, což se nazývá pumpa sodno-draselné).

Všechny látky, které můžete rozpustitalespoň trochu - elektrolyty. A neexistuje taková odvětví průmyslu a náš život s vámi, bez ohledu na to, kde jsou aplikovány. Nejsou to jen baterie v autobusech a bateriích. Jedná se o jakoukoli chemickou a potravinářskou výrobu, vojenské továrny, továrny na oděvy a tak dále.

Složení elektrolytu, mimochodem, je jiné.Je tedy možné izolovat kyselý a alkalický elektrolyt. V podstatě se liší ve svých vlastnostech: jak jsme již řekli, kyseliny jsou dárci protonů a alkálie - akceptory. Ale v době, kdy se změní složení elektrolytu kvůli ztrátě části látky, koncentrace buď klesá, nebo se zvyšuje (vše závisí na tom, co je ztraceno, voda nebo elektrolyt).

Každým dnem čelíme jim, ale jen velmi málo lidí přesně ví o definici pojmu jako jsou elektrolyty. Příklady konkrétních látek, které jsme demontovali, a tak jdeme k mírně složitějším koncepcím.

Fyzikální vlastnosti elektrolytů

Nyní o fyzice.Nejdůležitější věcí, které je třeba pochopit při studiu tohoto tématu, je to, jak je proud přenášen v elektrolytech. Rozhodující roli hrají ionty. Tyto nabité částice mohou obsahovat náboj z jedné části roztoku do jiné. Proto anionty mají vždy kladnou elektrodu a kationty k záporné elektrodě. Tím, že působíme na řešení s elektrickým proudem, rozdělíme náboje na různé strany systému.

Velmi zajímavá fyzická vlastnost,jako hustota. Mnoho vlastností sloučenin, o kterých diskutujeme, závisí na tom. A často se objevuje otázka: "Jak zvýšit hustotu elektrolytu?" Ve skutečnosti je odpověď jednoduchá: musíte snížit obsah vody v roztoku. Jelikož hustota elektrolytu je určena především hustotou kyseliny sírové, závisí hlavně na koncentraci elektrolytu. Existují dva způsoby, jak to dosáhnout. První je celkem jednoduché: varte elektrolyt obsažený v baterii. Chcete-li to provést, musíte ji nabít tak, aby vnitřní teplota vzrostla mírně nad sto stupňů Celsia. Pokud tato metoda nepomůže, nemusíte se bát, existuje ještě jedna: jednoduše vyměňte starý elektrolyt za nový. Chcete-li to provést, vypusťte starý roztok, očistěte vnitřek zbytků kyseliny sírové destilovanou vodou a nalijte novou část. Kalibrační roztoky elektrolytu mají zpravidla okamžitou hodnotu koncentrace. Po výměně můžete zapomenout, jak zvýšit hustotu elektrolytu po dlouhou dobu.

Složení elektrolytu velmi určuje jeho složenívlastnosti. Takové vlastnosti, jako je elektrická vodivost a hustota, například silně závisí na povaze rozpuštěné látky a její koncentraci. Existuje samostatná otázka, kolik elektrolytu v baterii může být. Ve skutečnosti je jeho objem přímo vázán na deklarovanou kapacitu výrobku. Čím více kyseliny sírové uvnitř baterie, tím silnější je, tím větší je napětí, které je schopno vypnout.

Kde je to užitečné?

Pokud jste nadšenec automobilu nebo jste jen zájemauta, pak pochopíte všechno sami. Určitě víte, jak zjistit, kolik elektrolytu v baterii je nyní. A pokud jste daleko od aut, znalost vlastností těchto látek, jejich aplikace a vzájemného působení mezi nimi nebude nadbytečná. Zjistíte-li to, nebudete mít ztrátu, pokud budete vyzváni, abyste řekl, který elektrolyt je v baterii. Ačkoli i když nejste nadšenec automobilu, ale máte auto, znalost baterie nebude nadbytečná a pomůže vám při opravách. Bude mnohem jednodušší a levnější dělat všechno sami, spíše než jít do centra auta.

A abychom lépe prozkoumali toto téma, doporučujemepřečtěte si učebnici chemie pro školy a univerzity. Pokud znáte tuto vědu dobře a jste si přečetli dostatek učebnic, nejlepší možností bude "Chemické zdroje proudu" Varypaev. Celá teorie o provozu akumulátorů, různých baterií a vodíkových prvků je podrobně popsána zde.

Závěr

Jsme na konci. Zkusme to shrnout.Nad tím jsme rozložili vše, co souviselo s takovou koncepcí jako elektrolyty: příklady, teorie struktury a vlastností, funkce a aplikace. Ještě jednou stojí za to říci, že tyto sloučeniny jsou součástí našeho života, bez něhož by naše těla a všechny sféry průmyslu nemohly existovat. Vzpomínáš si na krevní elektrolyty? Díky nim žijeme. A co naše stroje? S pomocí těchto znalostí můžeme vyřešit jakýkoli problém související s baterií, protože nyní rozumíme, jak zvýšit hustotu elektrolytu v něm.

Všechno nemůže být řečeno a takový cíl jsme nestanovili. Koneckonců, toto není všechno, co lze o těchto úžasných látkách říct.

</ p>>