Elektrolyty ako chemikálie sú známe už od staroveku. Väčšinu oblastí ich použitia si však podmanili relatívne nedávno. Budeme diskutovať o oblastiach s najvyššou prioritou v tomto odvetví pri používaní týchto látok a zistíme, čo sú tieto látky a ako sa navzájom líšia. Ale začnime odbočkou do histórie.
História
Najstaršie známe elektrolyty sú soli a kyseliny objavené v starovekom svete. Predstavy o štruktúre a vlastnostiach elektrolytov sa však časom vyvíjali. Teórie týchto procesov sa vyvíjali od 80. rokov 19. storočia, kedy bolo urobených množstvo objavov súvisiacich s teóriami vlastností elektrolytov. Došlo k niekoľkým kvalitatívnym skokom v teóriách popisujúcich mechanizmy interakcie elektrolytov s vodou (veď až v roztoku získavajú vlastnosti, vďaka ktorým sa využívajú v priemysle).
Teraz podrobne rozoberieme niekoľko teórií, ktoré mali najväčší vplyv na vývoj predstáv o elektrolytoch a ich vlastnostiach. A začnime najbežnejšou a najjednoduchšou teóriou, ktorú si každý z nás osvojil v škole.
Arrheniusova teória elektrolytickej disociácie
v roku 1887Švédsky chemik Svante Arrhenius a rusko-nemecký chemik Wilhelm Ostwald vytvorili teóriu elektrolytickej disociácie. Ani tu však nie je všetko také jednoduché. Sám Arrhenius bol zástancom takzvanej fyzikálnej teórie roztokov, ktorá nebrala do úvahy interakciu zložiek s vodou a tvrdila, že v roztoku sú voľné nabité častice (ióny). Mimochodom, práve z takýchto pozícií sa dnes v škole uvažuje o elektrolytickej disociácii.
Poďme si ešte povedať, čo táto teória dáva a ako nám vysvetľuje mechanizmus interakcie látok s vodou. Ako všetci ostatní, aj ona používa niekoľko postulátov:
1. Pri interakcii s vodou sa látka rozkladá na ióny (pozitívny - katión a negatívny - anión). Tieto častice podliehajú hydratácii: priťahujú molekuly vody, ktoré sú, mimochodom, na jednej strane kladne nabité a na druhej strane záporne nabité (vytvárajú dipól), v dôsledku čoho sa formujú do akvakomplexov (solvátov).
2. Proces disociácie je reverzibilný - to znamená, že ak sa látka rozpadla na ióny, potom sa pod vplyvom akýchkoľvek faktorov môže opäť zmeniť na pôvodný.
3. Ak pripojíte elektródy k roztoku a spustíte prúd, potom sa katióny začnú pohybovať smerom k zápornej elektróde - katóde a anióny smerom ku kladne nabitej - anóde. Preto látky, ktoré sú vysoko rozpustné vo vode, vedú elektrinu lepšie ako samotná voda. Z rovnakého dôvodu sa nazývajú aj elektrolyty.
4. Stupeň disociácie elektrolytu charakterizuje percento látky, ktorá prešla rozpustením. Totoindikátor závisí od vlastností rozpúšťadla a samotnej rozpustenej látky, od jej koncentrácie a od vonkajšej teploty.
Tu v skutočnosti a všetky základné postuláty tejto jednoduchej teórie. V tomto článku ich použijeme na opis toho, čo sa deje v roztoku elektrolytu. Príklady týchto zlúčenín rozoberieme o niečo neskôr, ale teraz zvážime inú teóriu.
Lewisova teória kyselín a zásad
Podľa teórie elektrolytickej disociácie je kyselina látka, v ktorej je prítomný vodíkový katión a zásada je zlúčenina, ktorá sa v roztoku rozkladá na hydroxidový anión. Existuje ďalšia teória pomenovaná po slávnom chemikovi Gilbertovi Lewisovi. Umožňuje vám trochu rozšíriť pojem kyseliny a zásady. Podľa Lewisovej teórie sú kyseliny ióny alebo molekuly látky, ktoré majú voľné elektrónové orbitály a sú schopné prijať elektrón z inej molekuly. Je ľahké uhádnuť, že bázami budú také častice, ktoré sú schopné darovať jeden alebo viacero svojich elektrónov na „využitie“kyseliny. Tu je veľmi zaujímavé, že nielen elektrolyt, ale aj akákoľvek látka, dokonca aj nerozpustná vo vode, môže byť kyselina alebo zásada.
Brandsted-Lowryho protolitická teória
V roku 1923, nezávisle od seba, dvaja vedci - J. Bronsted a T. Lowry - navrhli teóriu, ktorú teraz vedci aktívne používajú na opis chemických procesov. Podstatou tejto teórie je todisociácia sa redukuje na prenos protónu z kyseliny na zásadu. Posledný menovaný sa tu teda chápe ako akceptor protónov. Potom je kyselina ich darcom. Teória tiež dobre vysvetľuje existenciu látok, ktoré vykazujú vlastnosti kyselín aj zásad. Takéto zlúčeniny sa nazývajú amfotérne. V Bronsted-Lowryho teórii sa pre ne používa aj termín amfolyty, zatiaľ čo kyseliny alebo zásady sa zvyčajne nazývajú protolity.
Dostali sme sa k ďalšej časti článku. Tu vám povieme, ako sa od seba líšia silné a slabé elektrolyty a rozoberieme vplyv vonkajších faktorov na ich vlastnosti. A potom začneme popisovať ich praktické využitie.
Silné a slabé elektrolyty
Každá látka interaguje s vodou individuálne. Niektoré sa v ňom dobre rozpúšťajú (napríklad kuchynská soľ), niektoré sa nerozpustia vôbec (napríklad krieda). Všetky látky sú teda rozdelené na silné a slabé elektrolyty. Posledne menované sú látky, ktoré zle interagujú s vodou a usadzujú sa na dne roztoku. To znamená, že majú veľmi nízky stupeň disociácie a vysokú energiu väzby, ktorá za normálnych podmienok neumožňuje molekule rozložiť sa na jej základné ióny. K disociácii slabých elektrolytov dochádza buď veľmi pomaly, alebo so zvýšením teploty a koncentrácie tejto látky v roztoku.
Poďme sa rozprávať o silných elektrolytoch. Patria sem všetky rozpustné soli, ako aj silné kyseliny a zásady. Ľahko sa rozpadajú na ióny a je veľmi ťažké ich zhromaždiť v zrážkach. Mimochodom, prúd v elektrolytoch je vedenýpráve kvôli iónom obsiahnutým v roztoku. Preto silné elektrolyty vedú prúd najlepšie zo všetkých. Príklady posledne menovaných: silné kyseliny, zásady, rozpustné soli.
Faktory ovplyvňujúce správanie elektrolytov
Teraz poďme zistiť, ako zmeny vo vonkajšom prostredí ovplyvňujú vlastnosti látok. Koncentrácia priamo ovplyvňuje stupeň disociácie elektrolytu. Navyše tento pomer možno vyjadriť matematicky. Zákon popisujúci tento vzťah sa nazýva Ostwaldov zákon riedenia a je napísaný takto: a=(K / c)1/2. Tu a je stupeň disociácie (počítaný v zlomkoch), K je disociačná konštanta, ktorá je pre každú látku iná, a c je koncentrácia elektrolytu v roztoku. Pomocou tohto vzorca sa môžete dozvedieť veľa o látke a jej správaní v roztoku.
Ale to sme odbočili. Okrem koncentrácie je stupeň disociácie ovplyvnený aj teplotou elektrolytu. U väčšiny látok jeho zvýšenie zvyšuje rozpustnosť a reaktivitu. To môže vysvetliť výskyt niektorých reakcií iba pri zvýšených teplotách. Za normálnych podmienok idú buď veľmi pomaly, alebo v oboch smeroch (takýto proces sa nazýva reverzibilný).
Analyzovali sme faktory, ktoré určujú správanie systému, akým je napríklad roztok elektrolytu. Teraz prejdime k praktickej aplikácii týchto, nepochybne, veľmi dôležitých chemikálií.
Priemyselné využitie
Samozrejme, každý už počul slovo „elektrolyt“v súvislosti s batériami. Auto používa olovené akumulátory, ktorých elektrolytom je 40% kyselina sírová. Aby sme pochopili, prečo je tam táto látka vôbec potrebná, stojí za to pochopiť vlastnosti batérií.
Aký je teda princíp akejkoľvek batérie? V nich dochádza k reverzibilnej reakcii premeny jednej látky na druhú, v dôsledku čoho sa uvoľňujú elektróny. Pri nabíjaní batérie dochádza k interakcii látok, ktorá sa za normálnych podmienok nedosiahne. Dá sa to vyjadriť ako akumulácia elektriny v látke v dôsledku chemickej reakcie. Keď začne vybíjanie, začne sa spätná transformácia, ktorá vedie systém do počiatočného stavu. Tieto dva procesy spolu tvoria jeden cyklus nabitia a vybitia.
Uvažujme vyššie uvedený proces na konkrétnom príklade – olovenej batérii. Ako asi tušíte, tento zdroj prúdu pozostáva z prvku obsahujúceho olovo (ako aj oxidu olovnatého PbO2) a kyseliny. Akákoľvek batéria pozostáva z elektród a priestoru medzi nimi naplneného len elektrolytom. Ako posledná, ako sme už zistili, je v našom príklade použitá kyselina sírová v koncentrácii 40 percent. Katóda takejto batérie je vyrobená z oxidu olovnatého a anóda je vyrobená z čistého olova. To všetko preto, že na týchto dvoch elektródach prebiehajú rôzne reverzibilné reakcie za účasti iónov, na ktoré sa kyselina disociovala:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(reakcia nastáva na zápornej elektróde – katóde).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Reakcia na kladnej elektróde – anóde).
Ak čítame reakcie zľava doprava – dostaneme procesy, ktoré sa vyskytujú pri vybití batérie, a ak sprava doľava – pri nabíjaní. V každom chemickom zdroji prúdu sú tieto reakcie odlišné, ale mechanizmus ich výskytu je vo všeobecnosti opísaný rovnakým spôsobom: prebiehajú dva procesy, z ktorých jeden je „absorbovaný“a v druhom naopak „… odísť“. Najdôležitejšie je, aby sa počet absorbovaných elektrónov rovnal počtu emitovaných.
V skutočnosti, okrem batérií, existuje mnoho aplikácií týchto látok. Vo všeobecnosti sú elektrolyty, ktorých príklady sme uviedli, len zrnkom množstva rôznych látok, ktoré sa spájajú pod týmto pojmom. Obklopujú nás všade, všade. Vezmime si napríklad ľudské telo. Myslíte si, že tieto látky tam nie sú? veľmi sa mýliš. Sú v nás všade a najväčšie množstvo tvoria krvné elektrolyty. Patria sem napríklad ióny železa, ktoré sú súčasťou hemoglobínu a pomáhajú transportovať kyslík do tkanív nášho tela. Krvné elektrolyty tiež zohrávajú kľúčovú úlohu pri regulácii rovnováhy voda-soľ a funkcie srdca. Túto funkciu vykonávajú ióny draslíka a sodíka (dokonca v bunkách prebieha proces, ktorý sa nazýva pumpa draslíka a sodíka).
Akákoľvek látka, ktorú dokážete čo i len trochu rozpustiť, sú elektrolyty. A neexistuje taký priemysel a náš život s vami, kdečokoľvek sa aplikujú. Nejde len o batérie v autách a batérie. Ide o akúkoľvek chemickú a potravinársku výrobu, vojenské závody, odevné továrne a podobne.
Mimochodom, zloženie elektrolytu je iné. Je teda možné rozlíšiť kyslý a alkalický elektrolyt. Zásadne sa líšia svojimi vlastnosťami: ako sme už povedali, kyseliny sú donory protónov a zásady akceptory. Ale postupom času sa zloženie elektrolytu mení kvôli strate časti látky, koncentrácia buď klesá alebo stúpa (všetko závisí od toho, čo sa stratí, voda alebo elektrolyt).
Stretávame sa s nimi každý deň, no málokto presne pozná definíciu takého pojmu ako elektrolyty. Prebrali sme príklady konkrétnych látok, takže prejdime k trochu zložitejším pojmom.
Fyzikálne vlastnosti elektrolytov
Teraz o fyzike. Najdôležitejšou vecou, ktorú je potrebné pochopiť pri štúdiu tejto témy, je spôsob prenosu prúdu v elektrolytoch. Rozhodujúcu úlohu v tom zohrávajú ióny. Tieto nabité častice môžu prenášať náboj z jednej časti roztoku do druhej. Anióny majú teda vždy sklon k kladnej elektróde a katióny k zápornej elektróde. Pôsobením elektrického prúdu na roztok oddeľujeme náboje na rôznych stranách systému.
Veľmi zaujímavá je taká fyzikálna charakteristika ako hustota. Mnoho vlastností zlúčenín, o ktorých diskutujeme, závisí od toho. A často sa objavuje otázka: "Ako zvýšiť hustotu elektrolytu?" V skutočnosti je odpoveď jednoduchá: musíte znížiť úroveň obsahuvoda v roztoku. Pretože hustota elektrolytu je do značnej miery určená hustotou kyseliny sírovej, do značnej miery závisí od koncentrácie kyseliny sírovej. Plán je možné realizovať dvoma spôsobmi. Prvý je celkom jednoduchý: prevarte elektrolyt obsiahnutý v batérii. K tomu ho treba nabiť tak, aby teplota vo vnútri vystúpila mierne nad sto stupňov Celzia. Ak táto metóda nepomôže, nebojte sa, existuje ďalšia: jednoducho vymeňte starý elektrolyt za nový. Za týmto účelom vypustite starý roztok, vyčistite vnútro od zvyškov kyseliny sírovej destilovanou vodou a potom nalejte novú porciu. Spravidla majú vysokokvalitné roztoky elektrolytov okamžite požadovanú koncentráciu. Po výmene môžete na dlhú dobu zabudnúť na to, ako zvýšiť hustotu elektrolytu.
Zloženie elektrolytu do značnej miery určuje jeho vlastnosti. Charakteristiky, ako napríklad elektrická vodivosť a hustota, sú veľmi závislé od povahy rozpustenej látky a jej koncentrácie. Existuje samostatná otázka o tom, koľko elektrolytu môže byť v batérii. V skutočnosti jeho objem priamo súvisí s deklarovanou silou produktu. Čím viac kyseliny sírovej je vo vnútri batérie, tým je výkonnejšia, t. j. tým väčšie napätie dokáže vyrobiť.
Kde sa to hodí?
Ak ste automobilový nadšenec alebo len máte radi autá, potom sami všetkému rozumiete. Určite dokonca viete, ako zistiť, koľko elektrolytu je teraz v batérii. A ak máte ďaleko od áut, tak vedomostivlastnosti týchto látok, ich použitie a ich vzájomné pôsobenie nebude vôbec zbytočné. Keď to viete, nebudete v rozpakoch, ak vás požiadajú, aby ste povedali, ktorý elektrolyt je v batérii. Hoci aj keď nie ste nadšencom automobilov, ale máte auto, znalosť batériového zariadenia nebude vôbec zbytočná a pomôže vám s opravami. Bude oveľa jednoduchšie a lacnejšie robiť všetko sami, ako chodiť do autocentra.
A aby ste si túto tému lepšie preštudovali, odporúčame vám prečítať si učebnicu chémie pre školy a univerzity. Ak túto vedu dobre poznáte a máte prečítaných dostatok učebníc, Varypajevove „Chemické prúdové zdroje“by boli najlepšou voľbou. Podrobne načrtáva celú teóriu fungovania batérií, rôznych batérií a vodíkových článkov.
Záver
Prišli sme na koniec. Poďme si to zhrnúť. Vyššie sme analyzovali všetko, čo súvisí s takou koncepciou, ako sú elektrolyty: príklady, teória štruktúry a vlastností, funkcie a aplikácie. Ešte raz treba povedať, že tieto zlúčeniny sú súčasťou nášho života, bez ktorých by naše telá a všetky oblasti priemyslu nemohli existovať. Pamätáte si krvné elektrolyty? Vďaka nim žijeme. A čo naše autá? S týmito znalosťami budeme schopní vyriešiť akýkoľvek problém súvisiaci s batériou, pretože teraz chápeme, ako zvýšiť hustotu elektrolytu v nej.
Nedá sa povedať všetko a takýto cieľ sme si nestanovili. To napokon nie je všetko, čo sa o týchto úžasných látkach dá povedať.
