Електролити: примери. Състав и свойства на електролитите. Силни и слаби електролити

Електролитите като химикали са известни от древни времена. Повечето от областите на тяхното приложение обаче са придобили сравнително наскоро. Ще обсъдим най-приоритетните области за употребата на тези вещества в индустрията и ще разберем какво представляват последните и как те се различават една от друга. Но нека започнем с обиколка на историята.

история

Най-старите известни електролити са соли и киселини, открити в древния свят. Все пак идеите за структурата и свойствата на електролитите се развиват с времето. Теориите на тези процеси се развиват, започвайки през 1880-те, когато са направени редица открития, свързани с теориите за електролитни свойства. Няколко качествени скока се наблюдават в теориите, описващи механизмите на взаимодействие на електролитите с водата (всъщност само в разтвор те придобиват тези свойства, които ги правят в промишлеността).

Сега ще обсъдим подробно няколко теории, които са имали най-голямо влияние върху развитието на идеи за електролитите и техните свойства. И започнете с най-честата и проста теория, която всеки от нас минава в училище.

Теорията за електролитната дисоциация Arrhenius

през 1887 г. шведският химик Сванте Арниейъс и Руско-немски химик Вилхелм Оствалд създава теория за електролитната дисоциация. Но и тук не е толкова просто. Самият Arrhenius е бил поддръжник на т.нар. Физическа теория на решенията, които не са взели под внимание взаимодействието на съставните вещества с вода и твърдят, че в разтвора има свободни заредени частици (йони). Между другото, от такива позиции днес се разглежда електролитната дисоциация в училище.

Нека още да говорим за това какво дава тази теория и как тя обяснява механизма на взаимодействие на веществата с водата. Както всеки друг, тя има няколко постулати, които използва:

1. При взаимодействие с вода веществото се разлага на йони (положителен - катион и отрицателен - анион). Тези частици претърпяват хидратация: те привличат водни молекули, които, между другото, са положително заредени от едната страна, а от друга - отрицателно (образуват дипол), в резултат на което се оформят в аквакомплекси (солвати).

2. Процесът на дисоциация е обратимо - т.е. ако веществото се разделя на йони, под влиянието на всеки фактор, тя може отново да стане източник.

3. Ако свържете електродите към разтвора и пуснете тока, катионите ще започнат да се движат към отрицателния електрод - катодът и анионите към положително заредената - анода. Ето защо веществата, които са много разтворими във вода, водят електрически ток по-добре от самата вода. По същата причина те се наричат ​​електролити.

4. Степен на дисоциация Електролитът характеризира процента на веществото, което е претърпяло разтваряне. Този показател зависи от свойствата на разтворителя и най-разтвореното вещество, от концентрацията на последния и от външната температура.

Тук, всъщност, и всички основни постулати на тази проста теория. Те ще бъдат използвани в тази статия, за да опишат какво се случва в електролитния разтвор. Примерите за тези съединения ще бъдат разгледани по-късно, но сега ще разгледаме друга теория.

Теория на киселините и основите на Луис

Съгласно теорията на електролитната дисоциация, киселината е вещество, в разтвора на което има водороден катион, а основата е съединение, разлагащо се в разтвор на хидроксид-анион. Има и друга теория, кръстена на прочутия химик Гилбърт Луис. Позволява ни до известна степен да разширим концепцията за киселина и основа. Според теорията на Луис, киселини - това са йони или молекули на материята, които имат свободни електронни орбитали и са способни да вземат електрони от друга молекула. Лесно е да се предположи, че основите ще бъдат тези частици, които могат да дадат един или повече от своите електрони на "употребата" на киселината. Тук е много интересно, че киселината или основата могат да бъдат не само електролити, но и всякакви вещества, дори неразтворими във вода.

Прототипната теория на Брандстъд-Лоури

През 1923 г., независимо един от друг, двама учени - J. Brønsted и T. Lowry - предложиха теория, която сега е активно използвана от учените за описание на химическите процеси. Същността на тази теория е, че значението на дисоциацията се свежда до прехвърлянето на протона от киселината към основата. По този начин последният се разбира тук като акцептор на протони. Тогава киселината е техният донор. Теорията също така добре обяснява съществуването на вещества, показващи свойства и киселини и основи. Такива съединения се наричат ​​амфотерни. В теорията на Бронстед-Лоури терминът амфолити също се използва за тях, докато киселините или основите обикновено се наричат ​​протолити.

Дойдохме до следващата част на статията. Тук ние описваме как различните силни и слаби електролити се различават един от друг и обсъждат влиянието на външните фактори върху техните свойства. И тогава ще започнем да описваме тяхното практическо приложение.

Силни и слаби електролити

Всяко вещество взаимодейства с водата индивидуално. Някои се разтварят добре в нея (например, дават маса на сол), а някои не се разтварят изобщо (например креда). По този начин всички вещества се разделят на силни и слаби електролити. Последните са вещества, които си взаимодействат лошо с водата и се намират на дъното на разтвора. Това означава, че те имат много ниска степен на дисоциация и висока свързваща енергия, която не позволява на молекулата да се разложи на съставни йони при нормални условия. Разделянето на слаби електролити се извършва или много бавно, или с повишаване на температурата и концентрацията на това вещество в разтвора.

Нека да поговорим за силни електролити. Те включват всички разтворими соли, както и силни киселини и основи. Те лесно се разпадат на йони и е много трудно да се съберат в утайката. Между другото, токът в електролитите се осъществява точно от съдържащите се в разтвора йони. Ето защо най-добрият електролит провежда тока. Примери за последните: силни киселини, алкали, разтворими соли.

Фактори, влияещи върху поведението на електролитите

Сега нека видим как се отразява промяната във външната ситуация свойствата на веществата. Концентрацията влияе пряко върху степента на дисоциация на електролита. Освен това тази връзка може да бъде изразена математически. Законът, описващ тази връзка, се нарича закон за разтваряне на Ostwald и е написан, както следва: a = (K / c)^1/2. Тук а е степента на дисоциация (взета във фракции), К е дисоциационната константа, различна за всяко вещество и c е концентрацията на електролита в разтвора. Съгласно тази формула човек може да научи много за веществото и за поведението му в решаването му.

Но ние се отклонихме от темата. В допълнение към концентрацията, степента на дисоциация се влияе и от температурата на електролита. За повечето вещества повишаването му увеличава разтворимостта и химическата активност. Това е, което обяснява протичането на определени реакции само при повишена температура. При нормални условия те отиват или много бавно, или в двете посоки (този процес се нарича обратим).

Ние анализирахме факторите, които определят поведението на такава система като електролитния разтвор. Сега се обръщаме към практическото приложение на тези, без съмнение, много важни химикали.

Индустриална употреба

Разбира се, всеки е чувал думата "електролит", приложена към батериите. Автомобилът използва оловно-кисели батерии, ролята на електролита, в която се извършва 40% сярна киселина. За да разберете защо има нужда от това вещество, е необходимо да разберете характеристиките на батерията.

И така, какъв е принципът на всяка батерия? В тях се осъществява обратима реакция на трансформацията на едно вещество в друго, в резултат на което се освобождават електроните. Когато батерията се зарежда, има взаимодействие на вещества, които не се получават при нормални условия. Това може да се представи като натрупване на електричество в вещество в резултат на химическа реакция. Когато зареждането започне, започва обратната трансформация, водеща системата до първоначалното й състояние. Тези два процеса заедно представляват един цикъл на разряд.

Помислете за горния процес на конкретен пример - оловно-кисели батерии. Както може би предполагате, този източник на ток се състои от елемент, съдържащ олово (както и оловен диоксид PbO₂) и киселини. Всяка батерия се състои от електроди и пространството между тях, изпълнено само с електролит. Като последното, както вече обяснихме, в нашия пример се използва сярна киселина с концентрация 40%. Катодът на такава батерия е направен от оловен диоксид, а анодът се състои от чисто олово. Всичко това е така, защото на тези два електрода има различни обратими реакции, включващи йони, към които е дисоциирана киселината:

1. PbO₂ + SO₄^2-+ 4Н⁺ + 2е^- = PbSO₄ + 2H₂О (реакцията, настъпваща при отрицателния електрод-катод).
2. Pb + SO₄^2- - 2е^- = PbSO₄ (Реакция, протичаща върху положителния електрод-анод).

Ако прочетем реакциите от ляво на дясно, получаваме процесите, които се извършват, когато батерията се разреди, а от дясно на ляво - по време на зареждането. Във всяка химически източник на ток тези реакции са различни, но механизмът на тяхното протичане обикновено се описва по същия начин: възникват два процеси, в един от които "абсорбират" електроните, а в други - "излизат". Най-важното е, че броят на абсорбираните електрони е равен на броя на освободените електрони.

Всъщност, освен батериите, има много приложения на тези вещества. По принцип електролитите, примери за които сме цитирани, са само зърно от разнообразието от вещества, обединени под този термин. Те ни заобикалят навсякъде, навсякъде. Тук, например, е човешкото тяло. Смятате ли, че тези вещества не са там? Много погрешно. Те са навсякъде в нас, а най-големият е съставен от електролити от кръв. Те включват например железни йони, които са част от хемоглобина и помагат да се транспортира кислород към тъканите на тялото ни. Електролитите от кръв също играят ключова роля в регулирането на баланса между вода и сол и работата на сърцето. Тази функция се изпълнява от калиеви и натриеви йони (дори има процес, който се осъществява в клетките, който се нарича калиево-натриева помпа).

Всички вещества, които може да се разтварят малко - електролити. И няма такъв клон на индустрията и нашия живот с вас, където и да се прилагат. Това не са само батерии в коли и батерии. Това е всяко химическо производство и производство на храни, военни фабрики, фабрики за облекло и т.н.

Съставът на електролита, между другото, е различен. По този начин е възможно да се изолира киселинният и алкалния електролит. Те основно се различават по свойствата си: както вече казахме, киселините са донори на протони и алкални - акцептори. Но с времето, когато съставът на електролита се променя поради загубата на част от веществото, концентрацията намалява или се увеличава (всичко зависи от загубеното, водата или електролита).

Срещаме ги всеки ден, но много малко хора знаят точно определението на термин като електролити. Примери за конкретни вещества, които демонтирахме, затова нека да преминем към малко по-сложни концепции.

Физични свойства на електролитите

Сега за физика. Най-важното нещо, което трябва да разберете, когато изучавате тази тема, е как токът се прехвърля в електролити. Решаващата роля в това играят йоните. Тези заредени частици могат да бъдат зареждани от една част на разтвора в друго. По този начин, анионите винаги са с положителен електрод, а катионите с отрицателния електрод. По този начин, действайки върху решението с електрически ток, разделяме зарядите на различни страни на системата.

Много интересно е физическата характеристика, като плътност. Много свойства на съединенията, които обсъждаме, зависят от него. И често се появява въпрос: "Как да повишим плътността на електролита?" Всъщност отговорът е прост: трябва да намалите съдържанието на вода в разтвора. Тъй като плътността на електролита се определя главно плътност на сярна киселина, то най-вече зависи от концентрацията на последното. Има два начина да постигнете това. Първият е съвсем прост: кипене на електролита, съдържащ се в акумулатора. За да направите това, трябва да го заредите, така че температурата вътре да се повиши малко над 100 градуса по Целзий. Ако този метод не помогне, не се притеснявайте, има още един: просто заменете стария електролит с нов. За да направите това, изтеглете стария разтвор, почистете вътрешността на остатъците от сярна киселина с дестилирана вода и след това изсипете нова порция. Като правило, качествено електролитни разтвори веднага имат желаната стойност на концентрация. След замяната можете да забравите как да увеличите плътността на електролита за дълго време.

Съставът на електролита до голяма степен определя неговите свойства. Такива характеристики като електрическата проводимост и плътността, например, силно зависят от естеството на разтвореното вещество и неговата концентрация. Има отделен въпрос за това колко електролит в батерията може да бъде. Всъщност неговият обем е пряко свързан с обявения капацитет на продукта. Колкото повече сярна киселина в акумулатора, толкова по-силна е, толкова по-голямо е напрежението, което може да се даде.

Къде е полезно?

Ако сте автомобилен ентусиаст или просто обичате автомобили, тогава разбирате всичко сами. Със сигурност дори знаете как да определите колко електролит в батерията сега е. И ако сте далеч от автомобилите, познаването на свойствата на тези вещества, приложенията им и как те взаимодействат помежду си няма да бъде излишно. Знаейки това, няма да бъдете на загуба, ако сте помолени да кажете кой електролит е в батерията. Въпреки че дори и да не сте автомобилен ентусиаст, но имате кола, познаването на акумулаторното устройство няма да бъде излишно и ще ви помогне да ремонтирате. Ще бъде много по-лесно и по-евтино да направите всичко сами, вместо да отидете в центъра на автомобила.

И за по-добро изучаване на тази тема, препоръчваме да прочетете учебника по химия за училища и университети. Ако знаете тази наука добре и сте прочели достатъчно учебници, най-добрият вариант ще бъде "Химични източници на ток" Варипаев. Цялата теория за работата на акумулатори, различни батерии и водородни елементи е изложена подробно там.

заключение

Ние сме в краят си. Нека да обобщим. Нагоре разглобихме всичко, свързано с такава концепция като електролитите: примери, теорията за структурата и свойствата, функциите и приложенията. За пореден път си струва да се каже, че тези съединения са част от нашия живот, без които не могат да съществуват нашите тела и всички сфери на индустрията. Спомняте ли си за кръвните електролити? Благодарение на тях живеем. Какво ще кажем за нашите машини? С помощта на тези знания можем да решим всеки проблем, свързан с батерията, тъй като сега разбираме как да увеличим плътността на електролита в него.

Всичко не може да се каже и ние не сме си поставили такава цел. В края на краищата, това не е всичко, което може да се каже за тези невероятни вещества.