Elektrolit sebagai bahan kimia telah diketahui sejak zaman dahulu. Walau bagaimanapun, mereka telah menakluki kebanyakan kawasan aplikasi mereka agak baru-baru ini. Kami akan membincangkan bidang keutamaan tertinggi bagi industri untuk menggunakan bahan ini dan mengetahui apakah bahan tersebut dan bagaimana ia berbeza antara satu sama lain. Tetapi mari kita mulakan dengan menyimpang ke dalam sejarah.
Sejarah
Elektrolit tertua yang diketahui ialah garam dan asid yang ditemui di dunia purba. Walau bagaimanapun, idea tentang struktur dan sifat elektrolit telah berkembang dari semasa ke semasa. Teori-teori proses ini telah berkembang sejak tahun 1880-an, apabila beberapa penemuan dibuat berkaitan dengan teori sifat-sifat elektrolit. Terdapat beberapa lonjakan kualitatif dalam teori yang menerangkan mekanisme interaksi elektrolit dengan air (lagipun, hanya dalam larutan mereka memperoleh sifat yang digunakan dalam industri).
Sekarang kita akan menganalisis secara terperinci beberapa teori yang mempunyai pengaruh terbesar terhadap perkembangan idea tentang elektrolit dan sifatnya. Dan mari kita mulakan dengan teori yang paling biasa dan mudah yang setiap daripada kita ambil di sekolah.
Teori Pemisahan Elektrolitik Arrhenius
pada tahun 1887Ahli kimia Sweden Svante Arrhenius dan ahli kimia Rusia-Jerman Wilhelm Ostwald mencipta teori pemisahan elektrolitik. Walau bagaimanapun, semuanya tidak begitu mudah di sini sama ada. Arrhenius sendiri adalah penyokong apa yang dipanggil teori penyelesaian fizikal, yang tidak mengambil kira interaksi bahan konstituen dengan air dan berpendapat bahawa terdapat zarah bercas bebas (ion) dalam larutan. By the way, ia adalah dari kedudukan sedemikian bahawa pemisahan elektrolitik dianggap di sekolah hari ini.
Mari kita bercakap tentang apa yang teori ini berikan dan bagaimana ia menerangkan kepada kita mekanisme interaksi bahan dengan air. Seperti orang lain, dia mempunyai beberapa postulat yang dia gunakan:
1. Apabila berinteraksi dengan air, bahan terurai menjadi ion (positif - kation dan negatif - anion). Zarah-zarah ini mengalami penghidratan: ia menarik molekul air, yang, dengan cara itu, bercas positif pada satu sisi dan bercas negatif pada sebelah yang lain (membentuk dipol), akibatnya, ia membentuk kompleks akua (larutan).
2. Proses penceraian boleh diterbalikkan - iaitu, jika bahan telah terpecah menjadi ion, maka di bawah pengaruh mana-mana faktor ia boleh bertukar semula menjadi yang asal.
3. Jika anda menyambungkan elektrod ke larutan dan memulakan arus, maka kation akan mula bergerak ke arah elektrod negatif - katod, dan anion ke arah bercas positif - anod. Itulah sebabnya bahan yang sangat larut dalam air mengalirkan elektrik lebih baik daripada air itu sendiri. Ia juga dipanggil elektrolit atas sebab yang sama.
4. Tahap penceraian elektrolit mencirikan peratusan bahan yang telah mengalami pembubaran. inipenunjuk bergantung pada sifat pelarut dan zat terlarut itu sendiri, pada kepekatan pelarut dan pada suhu luaran.
Di sini, sebenarnya, dan semua postulat asas teori mudah ini. Kami akan menggunakannya dalam artikel ini untuk menerangkan perkara yang berlaku dalam larutan elektrolit. Kami akan menganalisis contoh sebatian ini sedikit kemudian, tetapi kini kami akan mempertimbangkan teori lain.
Teori Lewis asid dan bes
Menurut teori pemisahan elektrolitik, asid ialah bahan yang mengandungi kation hidrogen, dan bes ialah sebatian yang terurai menjadi anion hidroksida dalam larutan. Terdapat satu lagi teori yang dinamakan sempena ahli kimia terkenal Gilbert Lewis. Ia membolehkan anda sedikit mengembangkan konsep asid dan bes. Menurut teori Lewis, asid ialah ion atau molekul bahan yang mempunyai orbital elektron bebas dan boleh menerima elektron daripada molekul lain. Adalah mudah untuk meneka bahawa bes akan menjadi zarah sedemikian yang mampu menderma satu atau lebih elektron mereka kepada "penggunaan" asid. Sangat menarik di sini bahawa bukan sahaja elektrolit, tetapi juga sebarang bahan, walaupun tidak larut dalam air, boleh menjadi asid atau bes.
Teori protolitik Brandsted-Lowry
Pada tahun 1923, secara bebas antara satu sama lain, dua saintis - J. Bronsted dan T. Lowry - mencadangkan teori yang kini digunakan secara aktif oleh saintis untuk menerangkan proses kimia. Intipati teori ini ialahpenceraian dikurangkan kepada pemindahan proton daripada asid ke bes. Oleh itu, yang terakhir ini difahami di sini sebagai penerima proton. Kemudian asid adalah penderma mereka. Teori ini juga menerangkan dengan baik kewujudan bahan yang mempamerkan sifat kedua-dua asid dan bes. Sebatian sedemikian dipanggil amfoterik. Dalam teori Bronsted-Lowry, istilah ampholytes juga digunakan untuknya, manakala asid atau bes biasanya dipanggil protolith.
Kami telah sampai ke bahagian seterusnya artikel. Di sini kami akan memberitahu anda bagaimana elektrolit kuat dan lemah berbeza antara satu sama lain dan membincangkan pengaruh faktor luaran pada sifatnya. Dan kemudian kita akan mula menerangkan aplikasi praktikal mereka.
Elektrolit kuat dan lemah
Setiap bahan berinteraksi dengan air secara individu. Ada yang larut dengan baik di dalamnya (contohnya, garam meja), sementara ada yang tidak larut sama sekali (contohnya, kapur). Oleh itu, semua bahan dibahagikan kepada elektrolit kuat dan lemah. Yang terakhir adalah bahan yang berinteraksi dengan air dengan baik dan mengendap di bahagian bawah larutan. Ini bermakna mereka mempunyai tahap pemisahan yang sangat rendah dan tenaga ikatan yang tinggi, yang dalam keadaan normal tidak membenarkan molekul terurai menjadi ion konstituennya. Pemisahan elektrolit lemah berlaku sama ada sangat perlahan, atau dengan peningkatan suhu dan kepekatan bahan ini dalam larutan.
Mari kita bercakap tentang elektrolit yang kuat. Ini termasuk semua garam larut, serta asid kuat dan alkali. Mereka mudah terpecah menjadi ion dan sangat sukar untuk mengumpulnya dalam pemendakan. Arus dalam elektrolit, dengan cara itu, dijalankantepat kerana ion yang terkandung dalam larutan. Oleh itu, elektrolit kuat menghantar arus yang terbaik. Contoh yang terakhir: asid kuat, alkali, garam larut.
Faktor yang mempengaruhi tingkah laku elektrolit
Sekarang mari kita fikirkan bagaimana perubahan dalam persekitaran luaran mempengaruhi sifat bahan. Kepekatan secara langsung mempengaruhi tahap penceraian elektrolit. Selain itu, nisbah ini boleh dinyatakan secara matematik. Undang-undang yang menerangkan hubungan ini dipanggil hukum pencairan Ostwald dan ditulis seperti berikut: a=(K / c)1/2. Di sini a ialah darjah penceraian (diambil dalam pecahan), K ialah pemalar penceraian, yang berbeza bagi setiap bahan, dan c ialah kepekatan elektrolit dalam larutan. Dengan formula ini, anda boleh belajar banyak tentang bahan dan tingkah lakunya dalam larutan.
Tetapi kami menyimpang. Selain kepekatan, tahap penceraian juga dipengaruhi oleh suhu elektrolit. Bagi kebanyakan bahan, meningkatkannya meningkatkan keterlarutan dan kereaktifan. Ini boleh menerangkan berlakunya beberapa tindak balas hanya pada suhu tinggi. Dalam keadaan biasa, mereka pergi sama ada sangat perlahan, atau dalam kedua-dua arah (proses sedemikian dipanggil boleh balik).
Kami telah menganalisis faktor yang menentukan kelakuan sistem seperti larutan elektrolit. Sekarang mari kita beralih kepada penggunaan praktikal bahan kimia yang sangat penting ini.
Penggunaan industri
Sudah tentu, semua orang pernah mendengar perkataan "elektrolit"berhubung dengan bateri. Kereta itu menggunakan bateri asid plumbum, elektrolit yang mengandungi 40% asid sulfurik. Untuk memahami sebab bahan ini diperlukan di sana sama sekali, adalah wajar memahami ciri bateri.
Jadi apakah prinsip mana-mana bateri? Di dalamnya, tindak balas boleh balik perubahan satu bahan menjadi bahan lain berlaku, akibatnya elektron dilepaskan. Apabila bateri dicas, interaksi bahan berlaku, yang tidak diperoleh dalam keadaan biasa. Ini boleh diwakili sebagai pengumpulan elektrik dalam bahan hasil daripada tindak balas kimia. Apabila nyahcas bermula, transformasi terbalik bermula, membawa sistem ke keadaan awal. Kedua-dua proses ini bersama-sama membentuk satu kitaran cas-nyahcas.
Mari kita pertimbangkan proses di atas pada contoh khusus - bateri asid plumbum. Seperti yang anda fikirkan, sumber semasa ini terdiri daripada unsur yang mengandungi plumbum (serta plumbum dioksida PbO2) dan asid. Mana-mana bateri terdiri daripada elektrod dan ruang di antaranya, diisi hanya dengan elektrolit. Sebagai yang terakhir, seperti yang telah kita ketahui, dalam contoh kita, asid sulfurik digunakan pada kepekatan 40 peratus. Katod bateri sedemikian diperbuat daripada plumbum dioksida, dan anod diperbuat daripada plumbum tulen. Semua ini adalah kerana tindak balas boleh balik yang berbeza berlaku pada kedua-dua elektrod ini dengan penyertaan ion di mana asid telah terurai:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2J2O(tindak balas berlaku pada elektrod negatif - katod).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Tindak balas pada elektrod positif - anod).
Jika kita membaca tindak balas dari kiri ke kanan - kita mendapat proses yang berlaku apabila bateri dinyahcas, dan jika dari kanan ke kiri - semasa mengecas. Dalam setiap sumber arus kimia, tindak balas ini berbeza, tetapi mekanisme kejadiannya secara amnya diterangkan dengan cara yang sama: dua proses berlaku, di mana satu elektron "diserap", dan yang lain, sebaliknya, mereka " pergi". Perkara yang paling penting ialah bilangan elektron yang diserap adalah sama dengan bilangan elektron yang dipancarkan.
Sebenarnya, selain bateri, terdapat banyak kegunaan bahan ini. Secara umum, elektrolit, contoh yang telah kami berikan, hanyalah sebutir daripada pelbagai bahan yang digabungkan di bawah istilah ini. Mereka mengelilingi kita di mana-mana, di mana-mana. Ambil, sebagai contoh, tubuh manusia. Adakah anda fikir bahan-bahan ini tidak ada? Anda sangat tersilap. Mereka ada di mana-mana dalam kita, dan jumlah terbesar adalah elektrolit darah. Ini termasuk, sebagai contoh, ion besi, yang merupakan sebahagian daripada hemoglobin dan membantu mengangkut oksigen ke tisu badan kita. Elektrolit darah juga memainkan peranan penting dalam pengawalan keseimbangan air-garam dan fungsi jantung. Fungsi ini dilakukan oleh ion kalium dan natrium (malah terdapat proses yang berlaku dalam sel, yang dipanggil pam kalium-natrium).
Sebarang bahan yang anda boleh larutkan walaupun sedikit adalah elektrolit. Dan tidak ada industri sedemikian dan kehidupan kami dengan anda, di manaapa sahaja yang diaplikasikan. Ini bukan sahaja bateri dalam kereta dan bateri. Ini ialah sebarang pengeluaran kimia dan makanan, kilang tentera, kilang pakaian dan sebagainya.
Komposisi elektrolit, sebenarnya, berbeza. Jadi, adalah mungkin untuk membezakan elektrolit berasid dan alkali. Mereka pada asasnya berbeza dalam sifat mereka: seperti yang telah kita katakan, asid adalah penderma proton, dan alkali adalah penerima. Tetapi dari masa ke masa, komposisi elektrolit berubah kerana kehilangan sebahagian daripada bahan, kepekatan sama ada berkurangan atau meningkat (semuanya bergantung pada apa yang hilang, air atau elektrolit).
Kami menemuinya setiap hari, tetapi hanya sedikit orang yang mengetahui dengan tepat definisi istilah seperti elektrolit. Kami telah merangkumi contoh bahan tertentu, jadi mari kita beralih kepada konsep yang lebih kompleks sedikit.
Sifat fizikal elektrolit
Sekarang mengenai fizik. Perkara yang paling penting untuk difahami semasa mempelajari topik ini ialah bagaimana arus dihantar dalam elektrolit. Ion memainkan peranan yang menentukan dalam hal ini. Zarah bercas ini boleh memindahkan cas dari satu bahagian larutan ke bahagian yang lain. Jadi, anion sentiasa cenderung kepada elektrod positif, dan kation - kepada negatif. Oleh itu, bertindak ke atas penyelesaian dengan arus elektrik, kami mengasingkan cas pada sisi sistem yang berbeza.
Sangat menarik adalah ciri fizikal seperti ketumpatan. Banyak sifat sebatian yang kita bincangkan bergantung padanya. Dan soalan sering muncul: "Bagaimana untuk meningkatkan ketumpatan elektrolit?" Sebenarnya, jawapannya mudah: anda perlu menurunkan taraf kandungannyaair dalam larutan. Oleh kerana ketumpatan elektrolit sebahagian besarnya ditentukan oleh ketumpatan asid sulfurik, ia sebahagian besarnya bergantung kepada kepekatan asid sulfurik. Terdapat dua cara untuk melaksanakan rancangan tersebut. Yang pertama agak mudah: rebus elektrolit yang terkandung dalam bateri. Untuk melakukan ini, anda perlu mengecasnya supaya suhu di dalamnya meningkat sedikit di atas seratus darjah Celsius. Jika kaedah ini tidak membantu, jangan risau, ada satu lagi: hanya gantikan elektrolit lama dengan yang baru. Untuk melakukan ini, longkang larutan lama, bersihkan bahagian dalam sisa asid sulfurik dengan air suling, dan kemudian tuangkan bahagian baru. Sebagai peraturan, larutan elektrolit berkualiti tinggi serta-merta mempunyai kepekatan yang dikehendaki. Selepas penggantian, anda boleh melupakan untuk masa yang lama tentang cara meningkatkan ketumpatan elektrolit.
Komposisi elektrolit sebahagian besarnya menentukan sifatnya. Ciri-ciri seperti kekonduksian dan ketumpatan elektrik, sebagai contoh, sangat bergantung kepada sifat bahan larut dan kepekatannya. Terdapat soalan berasingan tentang berapa banyak elektrolit boleh berada dalam bateri. Malah, jumlahnya secara langsung berkaitan dengan kuasa produk yang diisytiharkan. Lebih banyak asid sulfurik di dalam bateri, lebih berkuasa ia, iaitu lebih banyak voltan yang boleh dihasilkannya.
Di manakah ia berguna?
Jika anda seorang peminat kereta atau hanya suka kereta, maka anda sendiri memahami segala-galanya. Pasti anda juga tahu bagaimana untuk menentukan jumlah elektrolit dalam bateri sekarang. Dan jika anda jauh dari kereta, maka pengetahuansifat bahan ini, aplikasinya dan cara ia berinteraksi antara satu sama lain tidak akan berlebihan sama sekali. Mengetahui perkara ini, anda tidak akan rugi jika anda diminta untuk menyatakan elektrolit mana yang ada dalam bateri. Walaupun walaupun anda bukan peminat kereta, tetapi anda mempunyai kereta, maka mengetahui peranti bateri tidak akan berlebihan sama sekali dan akan membantu anda dengan pembaikan. Lebih mudah dan lebih murah untuk melakukan semuanya sendiri daripada pergi ke pusat auto.
Dan untuk mempelajari topik ini dengan lebih baik, kami mengesyorkan membaca buku teks kimia untuk sekolah dan universiti. Jika anda mengetahui sains ini dengan baik dan telah membaca buku teks yang mencukupi, "Sumber Arus Kimia" Varypaev akan menjadi pilihan terbaik. Ia menggariskan secara terperinci keseluruhan teori pengendalian bateri, pelbagai bateri dan sel hidrogen.
Kesimpulan
Kita telah sampai ke penghujungnya. Mari kita ringkaskan. Di atas, kami telah menganalisis semua yang berkaitan dengan konsep seperti elektrolit: contoh, teori struktur dan sifat, fungsi dan aplikasi. Sekali lagi patut dikatakan bahawa sebatian ini adalah sebahagian daripada kehidupan kita, tanpanya badan kita dan semua bidang industri tidak mungkin wujud. Adakah anda ingat elektrolit darah? Terima kasih kepada mereka kita hidup. Bagaimana dengan kereta kita? Dengan pengetahuan ini, kami akan dapat menyelesaikan sebarang masalah yang berkaitan dengan bateri, kerana kini kami memahami cara meningkatkan ketumpatan elektrolit di dalamnya.
Mustahil untuk memberitahu segala-galanya dan kami tidak menetapkan matlamat sedemikian. Lagipun, bukan ini sahaja yang boleh dikatakan tentang bahan yang menakjubkan ini.
