الکترولیتها: مثالها ترکیبات و خواص الکترولیت ها. الکترولیت های قوی و ضعیف

الکترولیت ها به عنوان مواد شیمیایی از دوران باستان شناخته شده اند. با این حال، بیشتر زمینه های کاربرد آنها اخیرا به دست آورده اند. ما در مورد اولویت های مهم صنعت در مورد استفاده از این مواد بحث خواهیم کرد و درک می کنیم که چه کسانی نماینده آن هستند و چگونه از یکدیگر متفاوتند. اما اجازه دهید با یک تور از تاریخ شروع کنیم.

تاریخچه

قدیمی ترین الکترولیت های شناخته شده، نمک و اسید هستند، که در جهان باستان کشف شده اند. با این حال، ایده ها در مورد ساختار و خواص الکترولیت ها با زمان توسعه یافت. نظریه های این فرایندها تکامل یافته است، در دهه 1880، زمانی که تعدادی از اکتشاف ها ساخته شد، مربوط به نظریه های خواص الکترولیت بود. چندین جهش کیفی در نظریه هایی که مکانیزم های تعامل الکترولیت ها با آب را تشریح می کنند مشاهده شد (در حقیقت، تنها در راه حل آنها خواصی را به وجود می آورند که آنها را در صنعت استفاده می کنند).

در حال حاضر ما به طور مفصل بحث خواهیم کرد نظریه های متعددی که بیشترین تأثیر را در توسعه ایده ها درباره الکترولیت ها و خواص آنها داشته اند. و از تئوری رایج ترین و ساده که هر کدام از ما در مدرسه گذشت، شروع می شود.

نظریه تفکیک الکترولیتی Arrhenius

در سال 1887 شینتو آرونینیوس شیمیدان سوئدی و شیمیدان روسی-آلمانی Wilhelm Ostwald تئوری جداسازی الکترولیتی ایجاد کرد. با این حال، در اینجا، این خیلی ساده نیست. Arrhenius خود طرفدار نظریه فیزیکی به اصطلاح راه حل بود، که در نظر تعامل مواد تشکیل دهنده با آب را نداشت و ادعا کرد که در محلول ذرات آزاد (یون) وجود دارد. به هر حال، از این جهت است که تفکیک الکترولیتی در مدرسه امروزه در نظر گرفته می شود.

بیایید در مورد آنچه که این نظریه می دهد و چگونه آن مکانیسم تعامل مواد با آب را توضیح می دهد. مانند هرکدام، او چندین فرضیه دارد که از آن استفاده می کند:

1. هنگام تعامل با آب، ماده تجزیه به یون ها (مثبت - کاتیون و منفی - آنیون). این ذرات تحت هیدراتاسیون قرار می گیرند: آنها مولکول های آب را جذب می کنند که در عوض، به طور یکنواخت از یک طرف شارژ می شوند، و از سوی دیگر - منفی می شوند (به شکل دو قطبی)، در نتیجه به aquacomplexes (solvates) شکل می گیرد.

2. فرایند انحلال برگشت پذیر است - یعنی اگر ماده به یون ها شکسته شود، پس تحت تأثیر برخی از عوامل، می تواند دوباره به اولیه تبدیل شود.

3. اگر الکترودها را به محلول وصل کنید و جریان را شروع کنید، کاتدی شروع به حرکت به الکترود منفی - کاتد و آنیون به مثبت شدن - آنود می کند. به همین دلیل است که مواد بسیار محلول در آب جریان الکتریسیته را بهتر از آب خود دارند. به همین دلیل آنها الکترولیت نامیده می شدند.

4. میزان تفکیک الکترولیت، درصد مواد موجود در انحلال را مشخص می کند. این شاخص بستگی به خواص حلال و بیشترین ماده حل شده، روی غلظت دومی و دمای خارجی دارد.

در اینجا، در واقع، و همه پیامدهای اساسی این نظریه ساده. ما در این مقاله برای توضیح آنچه در محلول الکترولیت اتفاق می افتد استفاده می کنیم. نمونه هایی از این ترکیبات بعدا مورد بحث قرار می گیرند، اما اکنون نظریه دیگری را در نظر می گیریم.

نظریه اسیدها و پایگاه های لوئیس

با توجه به نظریه جداسازی الکترولیتیک، اسید ماده ای است که محلول آن یک کاتیون هیدروژن است و پایه یک ترکیب است که در یک محلول آنیون هیدروکسید تجزیه می شود. نظریه دیگری وجود دارد که به نام ژیلبرت لوئیس شیمیدان مشهور نامگذاری شده است. این اجازه می دهد تا ما را به گسترش مفهوم اسید و پایه تا حدودی. بر اساس نظریه لوئیس، اسیدها یونها یا مولکولهای ماده هستند که دارای اوربیتالهای الکترون آزاد هستند و قادر به گرفتن الکترون از مولکول دیگری هستند. آسان است حدس بزنید که پایه ها آن ذرات هستند که قادر به دادن یک یا چند الکترون به "استفاده" از اسید هستند. در اینجا بسیار جالب است که اسید و یا پایه می تواند نه تنها الکترولیت باشد، بلکه ماده ای است که حتی در آب حل نمی شود.

تئوری نمونه اولیه Brandsted-Lowry

در سال 1923، به طور مستقل از یکدیگر، دو دانشمند - J. Bronsted و T. Lowry - پیشنهاد یک نظریه، که در حال حاضر به طور فعال توسط دانشمندان برای توصیف فرآیندهای شیمیایی استفاده می شود. ماهیت این نظریه این است که معنای جداسازی به انتقال پروتون از اسید به پایه کاهش می یابد. بنابراین، دومی در اینجا به عنوان پذیرنده پروتون شناخته شده است. سپس اسید اهدا کننده آنها است. این نظریه همچنین به بررسی وجود مواد موجود در خواص و اسیدها و پایه ها می پردازد. ترکیبات این آمفوتریک نامیده می شوند. در نظریه Bronsted-Lowry اصطلاح آمفولیت نیز برای آنها استفاده می شود، در حالی که اسید یا پایه ها معمولا پرولتیت نامیده می شوند.

ما به بخش بعدی مقاله آمده ایم. در اینجا ما توصیف می کنیم که چگونه الکترولیت های قوی و ضعیف متفاوت از یکدیگر هستند و در مورد تاثیر عوامل خارجی بر خواص آنها بحث می کنند. و سپس ما شروع به توصیف کاربرد عملی آنها خواهیم کرد.

الکترولیت های قوی و ضعیف

هر ماده با آب به طور جداگانه در ارتباط است. بعضی از آن ها به خوبی حل می شوند (به عنوان مثال، نمک طعام)، و بعضی از آنها به هیچ وجه حل نمی شوند (به عنوان مثال، گچ). بنابراین تمام مواد به الکترولیت های قوی و ضعیفی تقسیم می شوند. دومی مواد شیمیایی هستند که با آب کم و با هم مخلوط می شوند و در انتهای محلول قرار می گیرند. این بدان معنی است که آنها درجه بندي بسیار پایین و انرژی اتصالی بالا دارند که اجازه نمی دهد که مولکول در شرایط نرمال به یون های تشکیل دهنده آن تجزیه شود. جداسازی الکترولیت های ضعیف یا بسیار آهسته یا با افزایش دما و غلظت این ماده در محلول اتفاق می افتد.

بیایید درباره الکترولیت های قوی صحبت کنیم. این شامل تمام نمکهای محلول و همچنین اسیدهای قوی و قلیایی است. آنها به راحتی به یون ها فرو می ریزند و جمع آوری آنها در رسوب بسیار دشوار است. به هر حال، جریان در الکترولیت ها دقیقا توسط یون های موجود در محلول انجام می شود. بنابراین، بهترین الکترولیت جریان را انجام می دهد. نمونه هایی از آن: اسیدهای قوی، قلیایی، نمک های محلول.

عوامل موثر بر رفتار الکترولیت ها

حالا ببینید که چگونه تغییر در محیط خارجی بر خواص مواد تاثیر می گذارد . غلظت به طور مستقیم بر میزان تفکیک الکترولیت تاثیر می گذارد. علاوه بر این، این رابطه را می توان به صورت ریاضی بیان کرد. قانون توصیف این ارتباط، قانون تنفس Ostwald نامیده می شود و به صورت زیر نوشته می شود: a = (K / c) ^1/2 . در اینجا، a درجه استبداد (گرفته شده در کسری)، K ثابت ثابت است، برای هر ماده متفاوت است، و c غلظت الکترولیت در محلول است. با استفاده از این فرمول، می توانید مقدار زیادی در مورد ماده و رفتار آن در راه حل یاد بگیرند.

اما ما از موضوع خارج شدیم. علاوه بر غلظت، درجه انحلال نیز تحت تاثیر دما الکترولیت قرار دارد. برای اکثر مواد، افزایش آن باعث حلالیت و فعالیت شیمیایی می شود. این است که می تواند البته واکنش های خاصی را فقط در دمای بالا توضیح دهد. در شرایط عادی، آنها به آرامی یا در هر دو جهت حرکت می کنند (این فرایند برگشت پذیر است).

ما فاکتورهایی را تعیین می کنیم که رفتار چنین سیستمی را به عنوان راه حل الکترولیت تعیین می کنند. اکنون به کاربرد عملی این مواد شیمیایی بسیار مهم تبدیل شده ایم.

استفاده صنعتی

البته، هر کس کلمه "الکترولیت" را به باتری ها شنیده است. در اتومبیل استفاده از باتری های اسید سرب، نقش الکترولیت که در آن 40 درصد اسید سولفوریک را انجام می دهد. برای درک اینکه چرا نیاز به این ماده وجود دارد، باید ویژگی های باتری را درک کنید.

بنابراین اصل هر باتری چیست؟ در آنها یک واکنش برگشت پذیر تبدیل یک ماده به دیگری رخ می دهد، به عنوان یک نتیجه از آن الکترون آزاد می شود. هنگامی که باتری شارژ شده است، تعامل مواد وجود دارد، که در شرایط عادی به دست نمی آید. این را می توان به عنوان تجمع برق در یک ماده به عنوان یک نتیجه از یک واکنش شیمی فکر می شود. هنگامی که ترشحات شروع می شود، تبدیل معکوس شروع می شود، که سیستم را به وضعیت اولیه اش هدایت می کند. این دو فرآیند با هم یک چرخه تخلیه شارژ را تشکیل می دهند.

فرایند فوق را در یک مثال خاص - یک باتری اسید سرب را در نظر بگیرید. دشوار است حدس بزنید که این منبع جاری شامل عنصر حاوی سرب (و همچنین دی اکسید سرب PbO ₂ ) و اسید است. هر باتری شامل الکترودها و فضای بین آنها، فقط با الکترولیت پر شده است. همانطور که قبلا توضیح داده شد، در مثال ما، اسید سولفوریک با غلظت 40 درصد استفاده می شود. کاتد از چنین باتری از دی اکسید سرب ساخته شده و آند از سرب خالص تشکیل شده است. همه اینها به این دلیل است که در این دو الکترود واکنش های مختلف متناوب وجود دارد که شامل یون ها است، که اسید متصل به آن است:

1. PbO ₂ + SO ₄ ^2- + 4H ⁺ + 2e ^- = PbSO ₄ + 2H ₂ O (واکنش رخ می دهد در الکترود منفی - کاتد).
2. Pb + SO ₄ ^2- - 2e ^- = PbSO ₄ (واکنش روی الکترود مثبت - آند) جریان دارد.

اگر ما واکنش ها را از چپ به راست می خوانیم، فرایندهایی را می بینیم که هنگام تخلیه باتری می گیرند و اگر از راست به چپ - در طول شارژ. در هر منبع شیمیایی جریان، این واکنش ها متفاوت هستند، اما مکانیزم جریان آنها به طور کلی به همان شیوه توصیف می شود: دو فرآیند رخ می دهند، در یکی از آنها الکترون ها جذب می شوند و در سوی دیگر "خارج می شوند". مهمترین چیز این است که تعداد الکترون های جذب شده برابر با تعداد الکترون های آزاد شده است.

در واقع، علاوه بر باتری ها، کاربردهای زیادی از این مواد وجود دارد. به طور کلی، الکترولیت ها، نمونه هایی که ما ارائه می دهیم، تنها دانه ای از انواع مواد هستند که تحت این اصطلاح متحد هستند. آنها همه جا در همه جا ما را احاطه کرده اند. برای مثال، در اینجا، بدن انسان است. آیا شما فکر می کنید این مواد وجود ندارد؟ خیلی اشتباه است آنها در همه جا در ما هستند و بیشترین تعداد توسط الکترولیت های خون تشکیل شده است. اینها شامل، یونهای آهن هستند که بخشی از هموگلوبین هستند و به اکسیژن حمل شده به بافت بدن ما کمک می کند. الکترولیت های خون نیز نقش مهمی در تنظیم تعادل آب نمک و کار قلب بازی می کنند. این تابع توسط یون های پتاسیم و سدیم انجام می شود (حتی یک فرآیند وجود دارد که در سلول ها اتفاق می افتد که پمپ سدیم پتاسیم نامیده می شود).

هر ماده ای که می توانید حداقل کمی آن را حل کنید - الکترولیت ها. و هیچ شاخه ای از صنعت و زندگی ما با شما وجود ندارد، هر جا که مورد استفاده قرار گیرد. این فقط باتری در اتومبیل و باتری نیست. این تولیدات شیمیایی و مواد غذایی، کارخانه های نظامی، کارخانه های پوشاک و غیره است.

به هر حال، ترکیب الکترولیت، متفاوت است. بنابراین، ممکن است جداسازی الکترولیت اسیدی و قلیایی باشد. آنها اساسا در خواص آنها متفاوت است: همانطور که قبلا گفته شد، اسیدها اهدا پروتون ها هستند، و قلیایی ها - گیرنده ها. اما با گذشت زمان ترکیب الکترولیت تغییر می کند به علت از دست دادن بخشی از ماده، غلظت یا کاهش یا افزایش می یابد (همه چیز بستگی به آنچه که از دست داده، آب یا الکترولیت است).

ما هر روز آنها روبرو هستیم، اما تعداد کمی از افراد دقیقا تعریف چنین واژه ای را به عنوان الکترولیت می دانند. ما نمونه هایی از مواد خاص را برداشتیم، بنابراین اجازه دهید به یک مفاهیم پیچیده تر تبدیل شویم.

خواص فیزیکی الکترولیت ها

حالا فیزیک مهمترین چیز برای درک این موضوع این است که چگونه جریان در الکترولیت منتقل می شود. نقش تعیین کننده ای در این مورد توسط یون ها بازی می شود. این ذرات شارژ می توانند یک قسمت از محلول را به یک دیگر حمل کنند. بنابراین، آنیون ها همیشه به الکترود مثبت و کاتدیون به الکترود منفی تمایل دارند. بنابراین، عمل کردن در محلول با جریان الکتریکی، هزینه ها را در دو طرف سیستم تقسیم می کنیم.

بسیار جالب است که یک ویژگی فیزیکی مانند تراکم است. بسیاری از خواص ترکیبات مورد بحث بستگی به آن دارند. و اغلب یک سوال بالا می آید: "چگونه برای افزایش چگالی الکترولیت؟" در واقع، پاسخ ساده است: شما باید میزان آب محلول را پایین بیاورید. از آن جایی که تراکم الکترولیت به طور عمده توسط تراکم اسید سولفوریک تعیین می شود، به طور عمده به غلظت دومی بستگی دارد. دو راه برای انجام این کار وجود دارد. اولین بار به اندازه کافی ساده است: الکترولیت موجود در باتری را جوش می دهد. برای انجام این کار، شما باید آن را شارژ کنید به طوری که درجه حرارت در داخل کمی بالاتر از صد درجه سانتیگراد است. اگر این روش کمک نمی کند، نگران نباشید، یک چیز دیگر وجود دارد: به سادگی الکترولیت قدیمی را با یک جدید جایگزین کنید. برای انجام این کار، راه حل قدیمی را تخلیه کنید، داخل بقایای اسید سولفوریک را با آب مقطر پاکسازی کنید و سپس قسمت تازه ای را ریخته شود. به طور معمول، راه حل های کیفی الکترولیت بلافاصله مقدار ضروری غلظت را می دهد. پس از جایگزینی، می توانید درباره چگونگی افزایش طول الکترولیت برای مدت زمان طولانی فراموش کنید.

ترکیب الکترولیت تا حد زیادی خواص آن را تعیین می کند. به عنوان مثال، ویژگی هایی مانند هدایت الکتریکی و تراکم، به شدت به ماهیت ماده حل شده و غلظت آن بستگی دارد. یک سوال جداگانه در مورد میزان الکترولیت در باتری وجود دارد. در حقیقت، حجم آن به طور مستقیم با ظرفیت اعلام شده محصول ارتباط دارد. اسید سولفوریک بیشتر درون باتری، قدرتمندتر است، یعنی بیشتر که ولتاژ قادر به تولید است.

کجا مفید است؟

اگر شما یک علاقه مندان به ماشین هستید یا فقط علاقه مند به ماشین هستید، همه چیز را درک می کنید. مطمئنا شما حتی می دانید که چگونه در حال حاضر مقدار الکترولیت در باتری تعیین می شود. و اگر شما به دور از اتومبیل هستید، شناخت خواص این مواد، برنامه های کاربردی آنها و نحوه ارتباط آنها با یکدیگر، اضافی نخواهد بود. اگر از شما خواسته می شود که الکترولیت موجود در باتری را بدانید، می دانید که این کار را انجام نمی دهید. اگر چه حتی اگر شما علاقه مندان ماشین نیستید، اما شما یک ماشین دارید، دانش دستگاه باطری اضافی نخواهد بود و به شما در تعمیر کمک می کند. به جای رفتن به مرکز خودرو، خیلی راحت تر و ارزان تر خواهد بود که همه چیز را انجام دهید.

و برای مطالعه بهتر این موضوع، توصیه می کنیم کتاب های شیمی را برای مدارس و دانشگاه ها بخوانید. اگر این علم را خوب بدانید و کتاب های درسی زیادی بخوانید، بهتر است گزینه «منابع شیمیایی فعلی» وارپایف باشد. در آنجا، کل تئوری عملیات باتری ها، باتری های مختلف و عناصر هیدروژن در جزئیات توضیح داده شده است.

نتیجه گیری

ما به پایان رسیدیم بیایید خلاصه کنیم در بالا ما همه چیزهایی را که به مفهوم الکترولیت مربوط می شوند، تحلیل می کنیم: نمونه ها، نظریه ساختار و خواص، توابع و برنامه های کاربردی. یک بار دیگر ارزش این را می گوید که این ترکیبات بخشی از زندگی ما هستند، بدون آن که بدن های ما و تمام حوزه های صنعت نمی تواند وجود داشته باشد. آیا درباره الکترولیت های خون به یاد می آورید؟ با تشکر از آنها ما زندگی می کنند. درباره ما ماشین چیست؟ با کمک این دانش، ما می توانیم هر گونه مشکل مربوط به باتری را حل کنیم، از آنجایی که اکنون ما درک چگونگی افزایش چگالی الکترولیت در آن را می دانیم.

همه چیز را نمی توان گفت، و ما چنین هدفی را تنظیم نکردیم. پس از همه، این همه چیز را نمی توان در مورد این مواد شگفت انگیز گفت.