Elektrolitet si kimikate njihen që nga kohërat e lashta. Megjithatë, ata kanë pushtuar shumicën e fushave të tyre të aplikimit relativisht kohët e fundit. Ne do të diskutojmë fushat me prioritet më të lartë për industrinë për të përdorur këto substanca dhe do të kuptojmë se cilat janë këto të fundit dhe si ndryshojnë nga njëra-tjetra. Por le të fillojmë me një digresion në histori.
Histori
Elektrolitet më të vjetra të njohura janë kripërat dhe acidet e zbuluara në botën e lashtë. Megjithatë, idetë për strukturën dhe vetitë e elektroliteve kanë evoluar me kalimin e kohës. Teoritë e këtyre proceseve kanë evoluar që nga vitet 1880, kur u bënë një numër zbulimesh në lidhje me teoritë e vetive të elektroliteve. Ka pasur disa hapa cilësorë në teoritë që përshkruajnë mekanizmat e ndërveprimit të elektroliteve me ujin (në fund të fundit, vetëm në tretësirë ato fitojnë vetitë për shkak të të cilave përdoren në industri).
Tani do të analizojmë në detaje disa teori që kanë pasur ndikimin më të madh në zhvillimin e ideve për elektrolitet dhe vetitë e tyre. Dhe le të fillojmë me teorinë më të zakonshme dhe më të thjeshtë që secili prej nesh ka marrë në shkollë.
Teoria Arrhenius e Shpërbërjes Elektrolitike
në 1887Kimisti suedez Svante Arrhenius dhe kimisti ruso-gjerman Wilhelm Ostwald krijuan teorinë e disociimit elektrolitik. Sidoqoftë, gjithçka nuk është aq e thjeshtë edhe këtu. Vetë Arrhenius ishte një mbështetës i të ashtuquajturës teori fizike të tretësirave, e cila nuk merrte parasysh ndërveprimin e substancave përbërëse me ujin dhe argumentoi se ka grimca (jone) të ngarkuara të lira në tretësirë. Meqë ra fjala, është nga pozicione të tilla që sot në shkollë konsiderohet disociimi elektrolitik.
Le të flasim akoma për atë që jep kjo teori dhe si na shpjegon mekanizmin e ndërveprimit të substancave me ujin. Si gjithë të tjerët, ajo ka disa postulate që përdor:
1. Kur ndërvepron me ujin, substanca dekompozohet në jone (pozitiv - kation dhe negativ - anion). Këto grimca i nënshtrohen hidratimit: ato tërheqin molekula uji, të cilat, meqë ra fjala, janë të ngarkuara pozitivisht nga njëra anë dhe të ngarkuara negativisht nga ana tjetër (formojnë një dipol), si rezultat, ato formohen në komplekse ujore (solvate).
2. Procesi i disociimit është i kthyeshëm - domethënë nëse substanca është ndarë në jone, atëherë nën ndikimin e ndonjë faktori mund të kthehet përsëri në atë origjinal.
3. Nëse lidhni elektroda me tretësirën dhe filloni një rrymë, atëherë kationet do të fillojnë të lëvizin drejt elektrodës negative - katodës, dhe anionet drejt asaj të ngarkuar pozitivisht - anodës. Kjo është arsyeja pse substancat që janë shumë të tretshme në ujë përçojnë energjinë elektrike më mirë se vetë uji. Ata quhen edhe elektrolite për të njëjtën arsye.
4. Shkalla e shpërbërjes së elektrolitit karakterizon përqindjen e substancës që ka pësuar tretje. Kjotreguesi varet nga vetitë e tretësit dhe të vetë substancës së tretur, nga përqendrimi i kësaj të fundit dhe nga temperatura e jashtme.
Këtu, në fakt, dhe të gjitha postulatet bazë të kësaj teorie të thjeshtë. Ne do t'i përdorim ato në këtë artikull për të përshkruar se çfarë ndodh në një zgjidhje elektrolite. Ne do të analizojmë shembuj të këtyre përbërjeve pak më vonë, por tani do të shqyrtojmë një teori tjetër.
Teoria Lewis e acideve dhe bazave
Sipas teorisë së disociimit elektrolitik, një acid është një substancë në të cilën është i pranishëm një kation hidrogjeni, dhe një bazë është një përbërje që zbërthehet në një anion hidroksid në tretësirë. Ekziston një teori tjetër me emrin kimisti i famshëm Gilbert Lewis. Kjo ju lejon të zgjeroni disi konceptin e acidit dhe bazës. Sipas teorisë së Lewis, acidet janë jone ose molekula të një lënde që kanë orbitale të lira të elektroneve dhe janë në gjendje të pranojnë një elektron nga një molekulë tjetër. Është e lehtë të merret me mend se bazat do të jenë grimca të tilla që janë në gjendje të dhurojnë një ose më shumë nga elektronet e tyre për "përdorimin" e acidit. Është shumë interesante këtu që jo vetëm një elektrolit, por edhe çdo substancë, qoftë edhe e patretshme në ujë, mund të jetë acid ose bazë.
Teoria protolitike Brandsted-Lowry
Në vitin 1923, të pavarur nga njëri-tjetri, dy shkencëtarë - J. Bronsted dhe T. Lowry - propozuan një teori që tani përdoret në mënyrë aktive nga shkencëtarët për të përshkruar proceset kimike. Thelbi i kësaj teorie është seDisociimi reduktohet në transferimin e një protoni nga një acid në një bazë. Kështu, ky i fundit këtu kuptohet si pranues i protoneve. Pastaj acidi është dhuruesi i tyre. Teoria gjithashtu shpjegon mirë ekzistencën e substancave që shfaqin vetitë e acideve dhe bazave. Komponime të tilla quhen amfoterike. Në teorinë Bronsted-Lowry, për to përdoret edhe termi amfolite, ndërsa acidet ose bazat zakonisht quhen protolite.
Kemi ardhur në pjesën tjetër të artikullit. Këtu do t'ju tregojmë se si elektrolitet e fortë dhe të dobët ndryshojnë nga njëri-tjetri dhe do të diskutojmë ndikimin e faktorëve të jashtëm në vetitë e tyre. Dhe më pas do të fillojmë të përshkruajmë zbatimin e tyre praktik.
Elektrolite të forta dhe të dobëta
Çdo substancë ndërvepron me ujin individualisht. Disa treten mirë në të (për shembull, kripa e tryezës), ndërsa disa nuk treten fare (për shembull, shkumësa). Kështu, të gjitha substancat ndahen në elektrolite të fortë dhe të dobët. Këto të fundit janë substanca që ndërveprojnë keq me ujin dhe vendosen në fund të tretësirës. Kjo do të thotë se ato kanë një shkallë shumë të ulët disociimi dhe një energji të lartë lidhjeje, e cila në kushte normale nuk lejon që molekula të zbërthehet në jonet e saj përbërëse. Disociimi i elektroliteve të dobët ndodh ose shumë ngadalë, ose me një rritje të temperaturës dhe përqendrimit të kësaj substance në tretësirë.
Le të flasim për elektrolitet e fortë. Këto përfshijnë të gjitha kripërat e tretshme, si dhe acidet dhe alkalet e forta. Ato ndahen lehtësisht në jone dhe është shumë e vështirë t'i grumbullosh në reshje. Rryma në elektrolite, meqë ra fjala, përçohetpikërisht për shkak të joneve që përmban tretësira. Prandaj, elektrolitet e forta përçojnë rrymën më së miri nga të gjitha. Shembuj të këtyre të fundit: acide të forta, alkale, kripëra të tretshme.
Faktorët që ndikojnë në sjelljen e elektroliteve
Tani le të kuptojmë se si ndryshimet në mjedisin e jashtëm ndikojnë në vetitë e substancave. Përqendrimi ndikon drejtpërdrejt në shkallën e disociimit të elektrolitit. Për më tepër, ky raport mund të shprehet matematikisht. Ligji që përshkruan këtë marrëdhënie quhet ligji i hollimit të Ostwald dhe shkruhet si më poshtë: a=(K / c)1/2. Këtu a është shkalla e disociimit (e marrë në fraksione), K është konstanta e disociimit, e cila është e ndryshme për secilën substancë dhe c është përqendrimi i elektrolitit në tretësirë. Me këtë formulë, ju mund të mësoni shumë për substancën dhe sjelljen e saj në tretësirë.
Por ne dalim. Përveç përqendrimit, në shkallën e disociimit ndikon edhe temperatura e elektrolitit. Për shumicën e substancave, rritja e tij rrit tretshmërinë dhe reaktivitetin. Kjo mund të shpjegojë shfaqjen e disa reaksioneve vetëm në temperatura të ngritura. Në kushte normale, ato shkojnë ose shumë ngadalë, ose në të dy drejtimet (një proces i tillë quhet i kthyeshëm).
Ne kemi analizuar faktorët që përcaktojnë sjelljen e një sistemi të tillë si një tretësirë elektrolite. Tani le të kalojmë në aplikimin praktik të këtyre kimikateve, pa dyshim, shumë të rëndësishme.
Përdorim industrial
Sigurisht, të gjithë e kanë dëgjuar fjalën "elektrolit"në lidhje me bateritë. Makina përdor bateri me acid plumbi, elektroliti në të cilin është 40% acid sulfurik. Për të kuptuar pse kjo substancë është e nevojshme atje, ia vlen të kuptoni veçoritë e baterive.
Pra, cili është parimi i çdo baterie? Në to, ndodh një reagim i kthyeshëm i shndërrimit të një substance në një tjetër, si rezultat i të cilit lëshohen elektrone. Kur bateria ngarkohet, ndodh një ndërveprim i substancave, i cili nuk arrihet në kushte normale. Kjo mund të përfaqësohet si akumulim i energjisë elektrike në një substancë si rezultat i një reaksioni kimik. Kur fillon shkarkimi, fillon transformimi i kundërt, duke e çuar sistemin në gjendjen fillestare. Këto dy procese së bashku përbëjnë një cikël ngarkimi-shkarkimi.
Le të shqyrtojmë procesin e mësipërm në një shembull specifik - një bateri plumb-acid. Siç mund ta merrni me mend, ky burim aktual përbëhet nga një element që përmban plumb (si dhe dioksid plumbi PbO2) dhe acid. Çdo bateri përbëhet nga elektroda dhe hapësira ndërmjet tyre, e mbushur vetëm me elektrolit. Si e fundit, siç kemi zbuluar tashmë, në shembullin tonë, acidi sulfurik përdoret në një përqendrim prej 40 përqind. Katoda e një baterie të tillë është bërë nga dioksidi i plumbit, dhe anoda është prej plumbi të pastër. E gjithë kjo ndodh sepse në këto dy elektroda ndodhin reaksione të ndryshme të kthyeshme me pjesëmarrjen e joneve në të cilat acidi është ndarë:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(reagimi që ndodh në elektrodën negative - katodë).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Reagimi në elektrodën pozitive - anoda).
Nëse lexojmë reagimet nga e majta në të djathtë - marrim proceset që ndodhin kur bateria shkarkohet, dhe nëse nga e djathta në të majtë - gjatë karikimit. Në secilin burim të rrymës kimike, këto reaksione janë të ndryshme, por mekanizmi i shfaqjes së tyre në përgjithësi përshkruhet në të njëjtën mënyrë: ndodhin dy procese, në njërën prej të cilave elektronet "thithen", dhe në tjetrën, përkundrazi, ato " largohu". Gjëja më e rëndësishme është që numri i elektroneve të përthithur të jetë i barabartë me numrin e atyre të emetuar.
Në fakt, përveç baterive, ka shumë aplikime të këtyre substancave. Në përgjithësi, elektrolitet, shembujt e të cilëve kemi dhënë, janë vetëm një kokërr e shumëllojshmërisë së substancave që kombinohen nën këtë term. Na rrethojnë kudo, kudo. Merrni, për shembull, trupin e njeriut. A mendoni se këto substanca nuk janë aty? E keni shume gabim. Ato janë kudo tek ne dhe sasia më e madhe është elektrolitet e gjakut. Këto përfshijnë, për shembull, jonet e hekurit, të cilët janë pjesë e hemoglobinës dhe ndihmojnë në transportin e oksigjenit në indet e trupit tonë. Elektrolitet e gjakut gjithashtu luajnë një rol kyç në rregullimin e ekuilibrit ujë-kripë dhe funksionin e zemrës. Ky funksion kryhet nga jonet e kaliumit dhe natriumit (madje ekziston një proces që ndodh në qeliza, i cili quhet pompë kalium-natriumi).
Çdo substancë që mund ta shpërndani qoftë edhe pak është elektrolite. Dhe nuk ka industri të tillë dhe jetën tonë me ju, kuçfarëdo që ato të aplikohen. Kjo nuk është vetëm bateri në makina dhe bateri. Ky është çdo prodhim kimik dhe ushqimor, fabrika ushtarake, fabrika veshjesh e kështu me radhë.
Përbërja e elektrolitit, meqë ra fjala, është e ndryshme. Pra, është e mundur të dallojmë elektrolitin acid dhe alkalin. Ato ndryshojnë rrënjësisht në vetitë e tyre: siç kemi thënë tashmë, acidet janë dhurues të protoneve, dhe alkalet janë pranues. Por me kalimin e kohës, përbërja e elektrolitit ndryshon për shkak të humbjes së një pjese të substancës, përqendrimi ose zvogëlohet ose rritet (gjithçka varet nga ajo që humbet, uji ose elektroliti).
Ne i hasim ato çdo ditë, por pak njerëz e dinë saktësisht përkufizimin e një termi të tillë si elektrolitë. Ne kemi mbuluar shembuj të substancave specifike, kështu që le të kalojmë në koncepte pak më komplekse.
Vetitë fizike të elektroliteve
Tani rreth fizikës. Gjëja më e rëndësishme për të kuptuar gjatë studimit të kësaj teme është se si rryma transmetohet në elektrolite. Jonet luajnë një rol vendimtar në këtë. Këto grimca të ngarkuara mund të transferojnë ngarkesë nga një pjesë e tretësirës në tjetrën. Pra, anionet gjithmonë priren në elektrodën pozitive, dhe kationet - në negative. Kështu, duke vepruar në tretësirë me një rrymë elektrike, ne ndajmë ngarkesat në anë të ndryshme të sistemit.
Shumë interesante është një karakteristikë fizike e tillë si dendësia. Shumë veti të përbërjeve që po diskutojmë varen prej saj. Dhe shpesh lind pyetja: "Si të rritet densiteti i elektrolitit?" Në fakt, përgjigjja është e thjeshtë: ju duhet të ulni përmbajtjenujë në tretësirë. Meqenëse dendësia e elektrolitit përcaktohet kryesisht nga dendësia e acidit sulfurik, kjo varet kryesisht nga përqendrimi i këtij të fundit. Ka dy mënyra për të realizuar planin. E para është mjaft e thjeshtë: zieni elektrolitin që gjendet në bateri. Për ta bërë këtë, duhet ta ngarkoni në mënyrë që temperatura brenda të rritet pak mbi njëqind gradë Celsius. Nëse kjo metodë nuk ju ndihmon, mos u shqetësoni, ekziston një tjetër: thjesht zëvendësoni elektrolitin e vjetër me një të ri. Për ta bërë këtë, kullojeni tretësirën e vjetër, pastroni pjesën e brendshme të mbetjeve të acidit sulfurik me ujë të distiluar dhe më pas derdhni një pjesë të re. Si rregull, zgjidhjet e elektroliteve me cilësi të lartë kanë menjëherë përqendrimin e dëshiruar. Pas zëvendësimit, mund të harroni për një kohë të gjatë se si të rrisni densitetin e elektrolitit.
Përbërja e elektrolitit përcakton kryesisht vetitë e tij. Karakteristikat si përçueshmëria elektrike dhe dendësia, për shembull, varen shumë nga natyra e substancës së tretur dhe përqendrimi i saj. Ekziston një pyetje e veçantë se sa elektrolit mund të jetë në bateri. Në fakt, vëllimi i tij lidhet drejtpërdrejt me fuqinë e deklaruar të produktit. Sa më shumë acid sulfurik brenda baterisë, aq më i fuqishëm është, d.m.th. aq më shumë tension mund të prodhojë.
Ku ju vjen në ndihmë?
Nëse jeni një entuziast i makinave ose thjesht pas makinave, atëherë ju vetë kuptoni gjithçka. Me siguri ju madje e dini se si të përcaktoni se sa elektrolit ka në bateri tani. Dhe nëse jeni larg makinave, atëherë njohurivetitë e këtyre substancave, aplikimet e tyre dhe mënyra se si ato ndërveprojnë me njëra-tjetrën nuk do të jenë aspak të tepërta. Duke e ditur këtë, nuk do të jeni në humbje nëse ju kërkohet të thoni se cili elektrolit është në bateri. Edhe pse edhe nëse nuk jeni entuziast i makinave, por keni një makinë, atëherë njohja e pajisjes së baterisë nuk do të jetë aspak e tepërt dhe do t'ju ndihmojë me riparime. Do të jetë shumë më e lehtë dhe më e lirë të bëni gjithçka vetë sesa të shkoni në qendrën e automobilave.
Dhe për të studiuar më mirë këtë temë, ju rekomandojmë të lexoni një libër shkollor të kimisë për shkolla dhe universitete. Nëse e njihni mirë këtë shkencë dhe keni lexuar mjaft tekste shkollore, "Burimet e Rrymës Kimike" të Varypaev do të ishte alternativa më e mirë. Ai përshkruan në detaje të gjithë teorinë e funksionimit të baterive, baterive të ndryshme dhe qelizave të hidrogjenit.
Përfundim
Kemi ardhur në fund. Le të përmbledhim. Më sipër, ne kemi analizuar gjithçka që lidhet me një koncept të tillë si elektrolitet: shembuj, teoria e strukturës dhe vetive, funksionet dhe aplikimet. Edhe një herë vlen të thuhet se këto komponime janë pjesë e jetës sonë, pa të cilat trupat tanë dhe të gjitha fushat e industrisë nuk do të mund të ekzistonin. I mbani mend elektrolitet e gjakut? Falë tyre ne jetojmë. Po makinat tona? Me këtë njohuri, ne do të jemi në gjendje të rregullojmë çdo problem që lidhet me baterinë, pasi tani kuptojmë se si të rrisim densitetin e elektrolitit në të.
Është e pamundur të tregosh gjithçka, dhe ne nuk e kemi vendosur një objektiv të tillë. Në fund të fundit, kjo nuk është gjithçka që mund të thuhet për këto substanca të mahnitshme.
