Էլեկտրոլիտները որպես քիմիական նյութեր հայտնի են եղել հնագույն ժամանակներից: Այնուամենայնիվ, նրանք համեմատաբար վերջերս են նվաճել իրենց կիրառման ոլորտների մեծ մասը: Մենք կքննարկենք արդյունաբերության համար այս նյութերն օգտագործելու ամենաառաջնային ոլորտները և կպարզենք, թե որոնք են վերջիններս և ինչով են դրանք տարբերվում միմյանցից: Բայց եկեք սկսենք պատմության մեջ շեղումից:
Պատմություն
Հայտնի ամենահին էլեկտրոլիտներն են հին աշխարհում հայտնաբերված աղերն ու թթուները: Այնուամենայնիվ, էլեկտրոլիտների կառուցվածքի և հատկությունների մասին պատկերացումները ժամանակի ընթացքում զարգացել են: Այս գործընթացների տեսությունները զարգացել են 1880-ական թվականներից, երբ մի շարք բացահայտումներ արվեցին՝ կապված էլեկտրոլիտների հատկությունների տեսությունների հետ։ Եղել են մի քանի որակական թռիչքներ էլեկտրոլիտների ջրի հետ փոխազդեցության մեխանիզմները նկարագրող տեսություններում (ի վերջո, միայն լուծույթով են դրանք ձեռք բերում այն հատկությունները, որոնց շնորհիվ օգտագործվում են արդյունաբերության մեջ):
Այժմ մենք մանրամասն կվերլուծենք մի քանի տեսություններ, որոնք ամենամեծ ազդեցությունն են ունեցել էլեկտրոլիտների և դրանց հատկությունների մասին գաղափարների զարգացման վրա: Եվ եկեք սկսենք ամենատարածված և պարզ տեսությունից, որը մեզանից յուրաքանչյուրը ընդունել է դպրոցում:
Արենիուսի էլեկտրոլիտիկ դիսոցիացիայի տեսություն
1887 թՇվեդ քիմիկոս Սվանտե Արրենիուսը և ռուս-գերմանացի քիմիկոս Վիլհելմ Օստվալդը ստեղծեցին էլեկտրոլիտիկ դիսոցիացիայի տեսությունը։ Սակայն այստեղ էլ ամեն ինչ այնքան էլ պարզ չէ։ Ինքը՝ Արենիուսը, լուծույթների այսպես կոչված ֆիզիկական տեսության կողմնակիցն էր, որը հաշվի չէր առնում բաղկացուցիչ նյութերի փոխազդեցությունը ջրի հետ և պնդում էր, որ լուծույթում կան ազատ լիցքավորված մասնիկներ (իոններ)։ Ի դեպ, հենց այսպիսի դիրքերից է այսօր դպրոցում դիտարկվում էլեկտրոլիտիկ դիսոցիացիա։
Եկեք դեռ խոսենք այն մասին, թե ինչ է տալիս այս տեսությունը և ինչպես է այն մեզ բացատրում ջրի հետ նյութերի փոխազդեցության մեխանիզմը։ Ինչպես բոլորը, նա ունի մի քանի պոստուլատներ, որոնք օգտագործում է.
1. Ջրի հետ փոխազդեցության ժամանակ նյութը քայքայվում է իոնների (դրական՝ կատիոն և բացասական՝ անիոն)։ Այս մասնիկները ենթարկվում են հիդրացման՝ ձգում են ջրի մոլեկուլները, որոնք, ի դեպ, մի կողմից դրական լիցքավորված են, մյուս կողմից՝ բացասական (ձևավորում են դիպոլ), արդյունքում ձևավորվում են ջրային կոմպլեքսների (սոլվատներ)։
2. Տարանջատման գործընթացը շրջելի է, այսինքն՝ եթե նյութը տրոհվել է իոնների, ապա ցանկացած գործոնների ազդեցության տակ այն կարող է նորից վերածվել սկզբնականի։
3. Եթե էլեկտրոդները միացնեք լուծույթին և սկսեք հոսանք, ապա կատիոնները կսկսեն շարժվել դեպի բացասական էլեկտրոդ՝ կաթոդ, իսկ անիոնները դեպի դրական լիցքավորվածը՝ անոդ։ Այդ իսկ պատճառով այն նյութերը, որոնք շատ լուծելի են ջրի մեջ, ավելի լավ են փոխանցում էլեկտրաէներգիան, քան ջուրը։ Նույն պատճառով դրանք կոչվում են նաև էլեկտրոլիտներ։
4. Էլեկտրոլիտի տարանջատման աստիճանը բնութագրում է տարրալուծման ենթարկված նյութի տոկոսը։ ՍաՑուցանիշը կախված է լուծիչի և բուն լուծվող նյութի հատկություններից, վերջինիս կոնցենտրացիայից և արտաքին ջերմաստիճանից։
Ահա, փաստորեն, և այս պարզ տեսության բոլոր հիմնական պոստուլատները: Մենք դրանք կօգտագործենք այս հոդվածում, որպեսզի նկարագրենք, թե ինչ է տեղի ունենում էլեկտրոլիտային լուծույթում: Այս միացությունների օրինակները մենք կվերլուծենք մի փոքր ավելի ուշ, բայց այժմ մենք կքննարկենք մեկ այլ տեսություն:
Թթուների և հիմքերի Լյուիսի տեսություն
Ըստ էլեկտրոլիտիկ դիսոցիացիայի տեսության՝ թթուն այն նյութն է, որում առկա է ջրածնի կատիոն, իսկ հիմքը՝ միացություն, որը լուծույթում քայքայվում է հիդրօքսիդի անիոնի։ Հայտնի քիմիկոս Գիլբերտ Լյուիսի անունով մեկ այլ տեսություն կա. Այն թույլ է տալիս որոշակիորեն ընդլայնել թթու և հիմք հասկացությունը: Լյուիսի տեսության համաձայն՝ թթուները նյութի իոններ կամ մոլեկուլներ են, որոնք ունեն ազատ էլեկտրոնային ուղեծրեր և ունակ են ընդունել էլեկտրոն մեկ այլ մոլեկուլից։ Հեշտ է կռահել, որ հիմքերը կլինեն այնպիսի մասնիկներ, որոնք կարող են իրենց էլեկտրոններից մեկը կամ մի քանիսը նվիրաբերել թթվի «օգտագործմանը»։ Այստեղ շատ հետաքրքիր է, որ ոչ միայն էլեկտրոլիտը, այլև ցանկացած նյութ, նույնիսկ ջրում չլուծվող, կարող է լինել թթու կամ հիմք։
Brandsted-Lowry protolithic տեսություն
1923 թվականին, միմյանցից անկախ, երկու գիտնականներ՝ Ջ. Բրոնսթեդը և Տ. Լոուրին, առաջարկեցին մի տեսություն, որն այժմ ակտիվորեն օգտագործվում է գիտնականների կողմից՝ քիմիական գործընթացները նկարագրելու համար: Այս տեսության էությունն այն էդիսոցիացիան նվազեցվում է պրոտոնի տեղափոխումը թթվից հիմք: Այսպիսով, վերջինս այստեղ հասկացվում է որպես պրոտոն ընդունող։ Հետո թթուն նրանց դոնորն է։ Տեսությունը նաև լավ բացատրում է նյութերի գոյությունը, որոնք դրսևորում են ինչպես թթուների, այնպես էլ հիմքերի հատկությունները։ Նման միացությունները կոչվում են ամֆոտերիկ: Բրոնսթեդ-Լոուրիի տեսության մեջ դրանց համար օգտագործվում է նաև ամֆոլիտներ տերմինը, մինչդեռ թթուները կամ հիմքերը սովորաբար կոչվում են պրոտոլիտներ։
Եկել ենք հոդվածի հաջորդ հատվածին։ Այստեղ մենք ձեզ կասենք, թե ինչպես են ուժեղ և թույլ էլեկտրոլիտները տարբերվում միմյանցից և կքննարկենք արտաքին գործոնների ազդեցությունը դրանց հատկությունների վրա: Եվ հետո մենք կսկսենք նկարագրել դրանց գործնական կիրառությունը։
Ուժեղ և թույլ էլեկտրոլիտներ
Յուրաքանչյուր նյութ անհատապես փոխազդում է ջրի հետ: Ոմանք դրա մեջ լավ են լուծվում (օրինակ՝ կերակրի աղը), իսկ ոմանք ընդհանրապես չեն լուծվում (օրինակ՝ կավիճը)։ Այսպիսով, բոլոր նյութերը բաժանվում են ուժեղ և թույլ էլեկտրոլիտների: Վերջիններս ջրի հետ վատ փոխազդող նյութեր են և նստում են լուծույթի հատակին։ Սա նշանակում է, որ նրանք ունեն շատ ցածր դիսոցման աստիճան և կապի բարձր էներգիա, որը նորմալ պայմաններում թույլ չի տալիս մոլեկուլին քայքայվել իր բաղկացուցիչ իոնների մեջ։ Թույլ էլեկտրոլիտների տարանջատումը տեղի է ունենում կա՛մ շատ դանդաղ, կա՛մ լուծույթում այս նյութի ջերմաստիճանի և կոնցենտրացիայի բարձրացմամբ:
Խոսենք ուժեղ էլեկտրոլիտների մասին։ Դրանք ներառում են բոլոր լուծվող աղերը, ինչպես նաև ուժեղ թթուները և ալկալիները: Նրանք հեշտությամբ տրոհվում են իոնների և շատ դժվար է դրանք հավաքել տեղումների ժամանակ։ Էլեկտրոլիտներում հոսանքն, ի դեպ, անցկացվում էհենց լուծույթում պարունակվող իոնների պատճառով: Ուստի ուժեղ էլեկտրոլիտներն ամենից լավ հոսանք են անցկացնում: Վերջիններիս օրինակներ՝ ուժեղ թթուներ, ալկալիներ, լուծվող աղեր։
էլեկտրոլիտների վարքագծի վրա ազդող գործոններ
Այժմ եկեք պարզենք, թե ինչպես են արտաքին միջավայրի փոփոխություններն ազդում նյութերի հատկությունների վրա: Կոնցենտրացիան ուղղակիորեն ազդում է էլեկտրոլիտի տարանջատման աստիճանի վրա: Ընդ որում, այս հարաբերակցությունը կարելի է արտահայտել մաթեմատիկորեն։ Այս հարաբերությունը նկարագրող օրենքը կոչվում է Օստվալդի նոսրացման օրենք և գրված է հետևյալ կերպ. a=(K / c)1/2: Այստեղ a-ն դիսոցման աստիճանն է (վերցված կոտորակներով), K-ն տարանջատման հաստատուն է, որը տարբեր է յուրաքանչյուր նյութի համար, իսկ c-ն՝ էլեկտրոլիտի կոնցենտրացիան լուծույթում։ Այս բանաձևով դուք կարող եք շատ բան սովորել նյութի և դրա վարքագծի մասին լուծույթում:
Բայց մենք շեղվում ենք. Բացի կոնցենտրացիայից, դիսոցման աստիճանի վրա ազդում է նաև էլեկտրոլիտի ջերմաստիճանը։ Նյութերի մեծ մասի համար դրա ավելացումը մեծացնում է լուծելիությունը և ռեակտիվությունը: Սա կարող է բացատրել որոշ ռեակցիաների առաջացումը միայն բարձր ջերմաստիճանում: Նորմալ պայմաններում դրանք գնում են կա՛մ շատ դանդաղ, կա՛մ երկու ուղղություններով (նման գործընթացը կոչվում է շրջելի):
Մենք վերլուծել ենք այն գործոնները, որոնք որոշում են այնպիսի համակարգի վարքագիծը, ինչպիսին է էլեկտրոլիտային լուծույթը: Հիմա եկեք անցնենք այս, անկասկած, շատ կարևոր քիմիական նյութերի գործնական կիրառմանը։
Արդյունաբերական օգտագործում
Իհարկե, բոլորը լսել են «էլեկտրոլիտ» բառը.մարտկոցների հետ կապված. Մեքենան օգտագործում է կապարաթթվային մարտկոցներ, որոնց էլեկտրոլիտը 40% ծծմբաթթու է։ Հասկանալու համար, թե ինչու է այդ նյութն ընդհանրապես անհրաժեշտ այնտեղ, արժե հասկանալ մարտկոցների առանձնահատկությունները։
Ուրեմն ո՞րն է ցանկացած մարտկոցի սկզբունքը: Դրանցում տեղի է ունենում մի նյութի մյուսի փոխակերպման շրջելի ռեակցիա, որի արդյունքում էլեկտրոններ են ազատվում։ Երբ մարտկոցը լիցքավորվում է, տեղի է ունենում նյութերի փոխազդեցություն, որը նորմալ պայմաններում չի ստացվում։ Սա կարող է ներկայացվել որպես քիմիական ռեակցիայի արդյունքում նյութի մեջ էլեկտրաէներգիայի կուտակում: Երբ լիցքաթափումը սկսվում է, սկսվում է հակադարձ վերափոխումը, որը համակարգը տանում է սկզբնական վիճակի: Այս երկու գործընթացները միասին կազմում են մեկ լիցքաթափման ցիկլ։
Եկեք դիտարկենք վերը նշված գործընթացը կոնկրետ օրինակի վրա՝ կապարաթթվային մարտկոց: Ինչպես կարող եք կռահել, այս ընթացիկ աղբյուրը բաղկացած է կապար (ինչպես նաև կապարի երկօքսիդ PbO2) և թթու պարունակող տարրից: Ցանկացած մարտկոց բաղկացած է էլեկտրոդներից և նրանց միջև եղած տարածությունից՝ լցված միայն էլեկտրոլիտով: Որպես վերջին, ինչպես արդեն պարզել ենք, մեր օրինակում ծծմբաթթուն օգտագործվում է 40 տոկոս կոնցենտրացիայով։ Նման մարտկոցի կաթոդը պատրաստված է կապարի երկօքսիդից, իսկ անոդը՝ մաքուր կապարից։ Այս ամենը պայմանավորված է նրանով, որ այս երկու էլեկտրոդների վրա տեղի են ունենում տարբեր շրջելի ռեակցիաներ՝ իոնների մասնակցությամբ, որոնց մեջ տարանջատվել է թթուն՝
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(արձագանքը տեղի է ունենում բացասական էլեկտրոդում - կաթոդ):
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Արձագանք դրական էլեկտրոդում - անոդ).
Եթե մենք կարդում ենք ռեակցիաները ձախից աջ, ապա մենք ստանում ենք այն գործընթացները, որոնք տեղի են ունենում մարտկոցի լիցքաթափման ժամանակ, իսկ եթե աջից ձախ՝ լիցքավորման ժամանակ: Քիմիական հոսանքի յուրաքանչյուր աղբյուրում այդ ռեակցիաները տարբեր են, բայց դրանց առաջացման մեխանիզմը ընդհանուր առմամբ նկարագրվում է նույն կերպ. տեղի են ունենում երկու գործընթաց, որոնցից մեկում էլեկտրոնները «ներծծվում են», իսկ մյուսում, ընդհակառակը, դրանք « հեռանալ». Ամենակարևորն այն է, որ կլանված էլեկտրոնների թիվը հավասար է արտանետվողների թվին։
Իրականում, բացի մարտկոցներից, այս նյութերի կիրառությունները շատ են։ Ընդհանուր առմամբ, էլեկտրոլիտները, որոնց օրինակները մենք բերեցինք, ընդամենը մի հատիկ են այս տերմինի ներքո միավորված նյութերի բազմազանությունից: Նրանք մեզ շրջապատում են ամենուր, ամենուր։ Վերցնենք, օրինակ, մարդու մարմինը։ Ի՞նչ եք կարծում, այդ նյութերը չկա՞ն: Շատ եք սխալվում։ Նրանք մեզանում ամենուր են, և ամենամեծ քանակությունը արյան էլեկտրոլիտներն են։ Դրանք ներառում են, օրինակ, երկաթի իոնները, որոնք հեմոգլոբինի մի մասն են և օգնում են թթվածինը տեղափոխել մեր մարմնի հյուսվածքներ: Արյան էլեկտրոլիտները նույնպես առանցքային դեր են խաղում ջրային աղի հավասարակշռության և սրտի աշխատանքի կարգավորման գործում: Այս ֆունկցիան կատարում են կալիումի և նատրիումի իոնները (նույնիսկ կա մի գործընթաց, որը տեղի է ունենում բջիջներում, որը կոչվում է կալիում-նատրիումի պոմպ):
Ցանկացած նյութ, որը դուք կարող եք լուծել նույնիսկ մի փոքր, էլեկտրոլիտներ են: Եվ չկա այդպիսի արդյունաբերություն և մեր կյանքը ձեզ հետ, որտեղինչ էլ որ կիրառվեն: Սա ոչ միայն մեքենաների և մարտկոցների մարտկոցներն են: Սա ցանկացած քիմիական և սննդի արտադրություն է, ռազմական գործարաններ, հագուստի գործարաններ և այլն:
Էլեկտրոլիտի բաղադրությունն, ի դեպ, տարբեր է. Այսպիսով, կարելի է տարբերակել թթվային և ալկալային էլեկտրոլիտը։ Նրանք սկզբունքորեն տարբերվում են իրենց հատկություններով. ինչպես արդեն ասացինք, թթուները պրոտոն դոնորներ են, իսկ ալկալիները՝ ընդունողներ։ Բայց ժամանակի ընթացքում էլեկտրոլիտի բաղադրությունը փոխվում է նյութի մի մասի կորստի պատճառով, կոնցենտրացիան կա՛մ նվազում է, կա՛մ մեծանում (ամեն ինչ կախված է կորցրածից՝ ջրից, թե էլեկտրոլիտից):
Մենք բախվում ենք դրանց ամեն օր, սակայն քչերին է հայտնի էլեկտրոլիտների տերմինի սահմանումը: Մենք լուսաբանել ենք կոնկրետ նյութերի օրինակներ, ուստի եկեք անցնենք մի փոքր ավելի բարդ հասկացությունների:
էլեկտրոլիտների ֆիզիկական հատկություններ
Այժմ ֆիզիկայի մասին: Այս թեման ուսումնասիրելիս ամենակարևորը հասկանալն այն է, թե ինչպես է հոսանքը փոխանցվում էլեկտրոլիտներում: Դրանում որոշիչ դեր են խաղում իոնները։ Այս լիցքավորված մասնիկները կարող են լիցք փոխանցել լուծույթի մի մասից մյուսը: Այսպիսով, անիոնները միշտ հակված են դեպի դրական էլեկտրոդը, իսկ կատիոնները՝ դեպի բացասական։ Այսպիսով, լուծույթի վրա գործելով էլեկտրական հոսանքով՝ մենք առանձնացնում ենք համակարգի տարբեր կողմերի լիցքերը։
Շատ հետաքրքիր է այնպիսի ֆիզիկական հատկանիշ, ինչպիսին է խտությունը: Մեր քննարկած միացությունների շատ հատկություններ կախված են դրանից: Եվ հաճախ հարց է ծագում. «Ինչպե՞ս բարձրացնել էլեկտրոլիտի խտությունը»: Իրականում պատասխանը պարզ է՝ դուք պետք է նվազեցնեք բովանդակությունըջուր լուծույթում: Քանի որ էլեկտրոլիտի խտությունը մեծապես որոշվում է ծծմբաթթվի խտությամբ, այն մեծապես կախված է վերջինիս խտությունից։ Պլանն իրականացնելու երկու եղանակ կա. Առաջինը բավականին պարզ է՝ եռացնել մարտկոցում պարունակվող էլեկտրոլիտը։ Դա անելու համար հարկավոր է լիցքավորել այն, որպեսզի ներսում ջերմաստիճանը մի փոքր բարձրանա հարյուր աստիճան Ցելսիուսից: Եթե այս մեթոդը չի օգնում, մի անհանգստացեք, կա ևս մեկը՝ պարզապես հին էլեկտրոլիտը փոխարինեք նորով: Դա անելու համար ցամաքեցնել հին լուծույթը, ներսը մաքրել ծծմբաթթվի մնացորդներից թորած ջրով, այնուհետև լցնել նոր բաժին: Որպես կանոն, բարձրորակ էլեկտրոլիտային լուծույթները անմիջապես ունենում են ցանկալի կոնցենտրացիան: Փոխարինելուց հետո դուք կարող եք երկար ժամանակ մոռանալ, թե ինչպես բարձրացնել էլեկտրոլիտի խտությունը:
Էլեկտրոլիտի բաղադրությունը մեծապես որոշում է նրա հատկությունները: Բնութագրերը, ինչպիսիք են էլեկտրական հաղորդունակությունը և խտությունը, օրինակ, մեծապես կախված են լուծվող նյութի բնույթից և դրա կոնցենտրացիայից: Առանձին հարց կա, թե որքան էլեկտրոլիտ կարող է լինել մարտկոցում։ Փաստորեն, դրա ծավալը ուղղակիորեն կապված է արտադրանքի հայտարարված հզորության հետ: Որքան շատ ծծմբաթթու մարտկոցի ներսում, այնքան ավելի հզոր է այն, այսինքն՝ այնքան ավելի շատ լարում կարող է արտադրել:
Որտե՞ղ է դա օգտակար։
Եթե դուք մեքենաների սիրահար եք կամ պարզապես մեքենաների սիրահար եք, ապա ինքներդ ամեն ինչ հասկանում եք: Անշուշտ, դուք նույնիսկ գիտեք, թե ինչպես կարելի է որոշել, թե որքան էլեկտրոլիտ կա մարտկոցում այժմ: Իսկ եթե հեռու ես մեքենաներից, ապա գիտելիքԱյս նյութերի հատկությունները, դրանց կիրառությունները և միմյանց հետ փոխազդեցությունը ամենևին էլ ավելորդ չեն լինի: Իմանալով դա, դուք վնաս չեք կրի, եթե ձեզ խնդրեն ասել, թե որ էլեկտրոլիտն է մարտկոցում: Թեեւ նույնիսկ եթե դուք ավտոմեքենայի սիրահար չեք, բայց ունեք մեքենա, ապա մարտկոցի սարքի իմացությունն ամենևին էլ ավելորդ չի լինի և կօգնի ձեզ վերանորոգման հարցում։ Շատ ավելի հեշտ և էժան կլինի ամեն ինչ ինքնուրույն անել, քան ավտոկենտրոն գնալը։
Եվ այս թեման ավելի լավ ուսումնասիրելու համար խորհուրդ ենք տալիս կարդալ քիմիայի դասագիրքը դպրոցների և բուհերի համար։ Եթե դուք լավ գիտեք այս գիտությունը և բավականաչափ դասագրքեր եք կարդացել, Վարիպաևի «Քիմիական ընթացիկ աղբյուրները» լավագույն տարբերակը կլինի։ Այն մանրամասնորեն ուրվագծում է մարտկոցների, տարբեր մարտկոցների և ջրածնային բջիջների աշխատանքի ողջ տեսությունը։
Եզրակացություն
Եկել ենք ավարտին. Եկեք ամփոփենք. Վերևում մենք վերլուծել ենք այն ամենը, ինչ կապված է այնպիսի հասկացության հետ, ինչպիսիք են էլեկտրոլիտները. օրինակներ, կառուցվածքի և հատկությունների տեսություն, գործառույթներ և կիրառություններ: Եվս մեկ անգամ արժե ասել, որ այս միացությունները մեր կյանքի մի մասն են, առանց որոնց մեր մարմինները և արդյունաբերության բոլոր ոլորտները չէին կարող գոյություն ունենալ: Հիշո՞ւմ եք արյան էլեկտրոլիտները: Նրանց շնորհիվ մենք ապրում ենք։ Ինչ վերաբերում է մեր մեքենաներին: Այս գիտելիքներով մենք կկարողանանք շտկել մարտկոցի հետ կապված ցանկացած խնդիր, քանի որ այժմ մենք հասկանում ենք, թե ինչպես կարելի է մեծացնել էլեկտրոլիտի խտությունը դրանում։
Անհնար է ամեն ինչ պատմել, իսկ մենք նման նպատակ չենք դրել։ Ի վերջո, սա այն ամենը չէ, ինչ կարելի է ասել այս զարմանալի նյութերի մասին։
