Elektrolitler, kimyasallar olarak eski zamanlardan beri bilinmektedir. Ancak, uygulama alanlarının çoğunu nispeten yakın zamanda fethettiler. Endüstrinin bu maddeleri kullanması için en yüksek öncelikli alanları tartışacağız ve bunların ne olduğunu ve birbirlerinden nasıl farklı olduklarını anlayacağız. Ama tarihe bir ara vererek başlayalım.
Tarih
Bilinen en eski elektrolitler, antik dünyada keşfedilen tuzlar ve asitlerdir. Bununla birlikte, elektrolitlerin yapısı ve özellikleri hakkındaki fikirler zamanla gelişmiştir. Bu süreçlerin teorileri, elektrolitlerin özellikleriyle ilgili teorilerle ilgili bir takım keşiflerin yapıldığı 1880'lerden beri gelişmiştir. Elektrolitlerin su ile etkileşim mekanizmalarını açıklayan teorilerde birkaç nitel sıçrama olmuştur (sonuçta, endüstride kullanıldıkları için özellikleri yalnızca çözeltide kazanırlar).
Şimdi elektrolitler ve özellikleri hakkında fikirlerin geliştirilmesinde en büyük etkiye sahip olan birkaç teoriyi ayrıntılı olarak analiz edeceğiz. Ve her birimizin okulda öğrendiği en yaygın ve basit teoriyle başlayalım.
Arrhenius Elektrolitik Ayrışma Teorisi
1887'deİsveçli kimyager Svante Arrhenius ve Rus-Alman kimyager Wilhelm Ostwald, elektrolitik ayrışma teorisini yarattı. Ancak, burada da her şey o kadar basit değil. Arrhenius'un kendisi, kurucu maddelerin su ile etkileşimini dikkate almayan ve çözeltide serbest yüklü parçacıkların (iyonlar) olduğunu savunan, sözde fiziksel çözelti teorisinin bir destekçisiydi. Bu arada, bugün okulda elektrolitik ayrışmanın dikkate alınması bu tür konumlardan kaynaklanmaktadır.
Hala bu teorinin neler verdiğinden ve maddelerin su ile etkileşim mekanizmasını bize nasıl açıkladığından bahsedelim. Herkes gibi onun da kullandığı birkaç önermesi var:
1. Su ile etkileşime girdiğinde, madde iyonlara ayrışır (pozitif - katyon ve negatif - anyon). Bu parçacıklar hidrasyona uğrarlar: bu arada, bir tarafta pozitif yüklü ve diğer tarafta negatif yüklü olan (bir dipol oluşturur) su moleküllerini çekerler, sonuç olarak su kompleksleri (solvatlar) oluştururlar.
2. Ayrışma süreci tersine çevrilebilir - yani, madde iyonlara ayrıldıysa, herhangi bir faktörün etkisi altında tekrar orijinaline dönüşebilir.
3. Elektrotları çözeltiye bağlar ve bir akım başlatırsanız, katyonlar negatif elektrota - katoda ve anyonlar pozitif yüklü anoda doğru hareket etmeye başlar. Bu nedenle suda çözünürlüğü yüksek olan maddeler elektriği suyun kendisinden daha iyi iletir. Aynı nedenle elektrolit olarak da adlandırılırlar.
4. Elektrolitin ayrışma derecesi, çözünen maddenin yüzdesini karakterize eder. Bugösterge, çözücünün özelliklerine ve çözünenin kendisine, ikincisinin konsantrasyonuna ve dış sıcaklığa bağlıdır.
İşte, aslında ve bu basit teorinin tüm temel varsayımları. Bunları bir elektrolit çözeltisinde neler olduğunu açıklamak için bu makalede kullanacağız. Bu bileşiklerin örneklerini biraz sonra analiz edeceğiz, ancak şimdi başka bir teoriyi ele alacağız.
Lewis asitler ve bazlar teorisi
Elektrolitik ayrışma teorisine göre, asit, içinde bir hidrojen katyonunun bulunduğu bir maddedir ve bir baz, çözeltide bir hidroksit anyonuna ayrışan bir bileşiktir. Ünlü kimyager Gilbert Lewis'in adını taşıyan başka bir teori daha var. Asit ve baz kavramını biraz genişletmenize izin verir. Lewis teorisine göre asitler, serbest elektron orbitallerine sahip olan ve başka bir molekülden elektron alabilen bir maddenin iyonları veya molekülleridir. Bazların, elektronlarından bir veya daha fazlasını asidin "kullanımına" bağışlayabilen parçacıklar olacağını tahmin etmek kolaydır. Burada sadece bir elektrolitin değil, suda çözünmeyen herhangi bir maddenin de asit veya baz olabilmesi çok ilginçtir.
Brandsted-Lowry ilkolitik teori
1923'te birbirinden bağımsız olarak iki bilim adamı - J. Bronsted ve T. Lowry - şu anda bilim adamları tarafından kimyasal süreçleri tanımlamak için aktif olarak kullanılan bir teori önerdiler. Bu teorinin özü,ayrışma, bir protonun bir asitten bir baza transferine indirgenir. Böylece, ikincisi burada bir proton alıcısı olarak anlaşılır. O zaman asit onların donörüdür. Teori, hem asitlerin hem de bazların özelliklerini sergileyen maddelerin varlığını da iyi açıklar. Bu tür bileşiklere amfoterik denir. Bronsted-Lowry teorisinde onlar için amfolitler terimi de kullanılırken asitler veya bazlar genellikle protolitler olarak adlandırılır.
Yazının bir sonraki bölümüne geldik. Burada size güçlü ve zayıf elektrolitlerin birbirinden ne kadar farklı olduğunu anlatacağız ve dış faktörlerin özelliklerine etkisini tartışacağız. Ardından pratik uygulamalarını açıklamaya başlayacağız.
Güçlü ve zayıf elektrolitler
Her madde su ile ayrı ayrı etkileşir. Bazıları içinde iyi çözülür (örneğin sofra tuzu), bazıları ise hiç çözülmez (örneğin, tebeşir). Böylece, tüm maddeler güçlü ve zayıf elektrolitlere ayrılır. İkincisi, suyla zayıf etkileşen ve çözeltinin dibine çöken maddelerdir. Bu, normal koşullar altında molekülün kurucu iyonlarına ayrışmasına izin vermeyen çok düşük bir ayrışma derecesine ve yüksek bir bağ enerjisine sahip oldukları anlamına gelir. Zayıf elektrolitlerin ayrışması ya çok yavaş ya da çözeltideki bu maddenin sıcaklığında ve konsantrasyonunda bir artışla gerçekleşir.
Güçlü elektrolitlerden bahsedelim. Bunlar, tüm çözünür tuzları, ayrıca güçlü asitleri ve alkalileri içerir. İyonlara kolayca ayrılırlar ve yağışta onları toplamak çok zordur. Bu arada elektrolitlerdeki akım yürütülürtam olarak çözeltide bulunan iyonlar nedeniyle. Bu nedenle, güçlü elektrolitler akımı en iyi şekilde iletir. İkincisine örnekler: güçlü asitler, alkaliler, çözünür tuzlar.
Elektrolitlerin davranışını etkileyen faktörler
Şimdi dış ortamdaki değişikliklerin maddelerin özelliklerini nasıl etkilediğini anlayalım. Konsantrasyon elektrolit ayrışma derecesini doğrudan etkiler. Ayrıca bu oran matematiksel olarak ifade edilebilir. Bu ilişkiyi açıklayan yasaya Ostwald seyreltme yasası denir ve şu şekilde yazılır: a=(K/c)1/2. Burada a ayrışma derecesidir (kesirler halinde alınır), K her madde için farklı olan ayrışma sabitidir ve c çözeltideki elektrolit konsantrasyonudur. Bu formülle, madde ve çözeltideki davranışı hakkında çok şey öğrenebilirsiniz.
Ama konuyu dağıtıyoruz. Konsantrasyona ek olarak, ayrışma derecesi elektrolitin sıcaklığından da etkilenir. Çoğu madde için, onu arttırmak çözünürlüğü ve reaktiviteyi arttırır. Bu, bazı reaksiyonların oluşumunu sadece yüksek sıcaklıklarda açıklayabilir. Normal koşullar altında ya çok yavaş ya da her iki yönde de giderler (böyle bir işleme geri dönüşümlü denir).
Bir elektrolit çözeltisi gibi bir sistemin davranışını belirleyen faktörleri analiz ettik. Şimdi bu çok önemli kimyasalların pratik uygulamasına geçelim.
Endüstriyel kullanım
Elbette herkes "elektrolit" kelimesini duymuştur.pillerle ilgili olarak. Araba, elektroliti %40 sülfürik asit olan kurşun asitli piller kullanır. Bu maddeye neden orada ihtiyaç duyulduğunu anlamak için pillerin özelliklerini anlamaya değer.
Peki herhangi bir pilin prensibi nedir? Onlarda, bir maddenin diğerine dönüşümünün tersine çevrilebilir bir reaksiyonu meydana gelir ve bunun sonucunda elektronlar salınır. Pil şarj edildiğinde, normal koşullar altında elde edilmeyen bir madde etkileşimi meydana gelir. Bu, bir kimyasal reaksiyonun bir sonucu olarak bir maddede elektrik birikmesi olarak temsil edilebilir. Deşarj başladığında, ters dönüşüm başlar ve sistemi başlangıç durumuna getirir. Bu iki süreç birlikte bir şarj-deşarj döngüsü oluşturur.
Yukarıdaki işlemi belirli bir örnek üzerinde ele alalım - bir kurşun-asit pil. Tahmin edebileceğiniz gibi, bu mevcut kaynak kurşun içeren bir elementten (ve kurşun dioksit PbO2) ve asitten oluşur. Herhangi bir pil, elektrotlardan ve aralarındaki boşluktan oluşur, sadece elektrolitle doldurulur. Son olarak, daha önce öğrendiğimiz gibi, örneğimizde sülfürik asit yüzde 40'lık bir konsantrasyonda kullanılmaktadır. Böyle bir pilin katodu kurşun dioksitten, anot ise saf kurşundan yapılmıştır. Bütün bunlar, asidin ayrışmış olduğu iyonların katılımıyla bu iki elektrot üzerinde farklı tersinir reaksiyonların meydana gelmesinden kaynaklanmaktadır:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(negatif elektrotta meydana gelen reaksiyon - katot).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Pozitif elektrotta - anotta reaksiyon).
Reaksiyonları soldan sağa okursak - pil boşaldığında, sağdan sola ise - şarj olurken gerçekleşen süreçleri alırız. Her kimyasal akım kaynağında, bu reaksiyonlar farklıdır, ancak bunların oluşum mekanizması genellikle aynı şekilde tanımlanır: birinde elektronların "absorbe edildiği", diğerinde ise tam tersine, iki işlem meydana gelir. ayrılmak". En önemli şey, emilen elektronların sayısının yayılanların sayısına eşit olmasıdır.
Aslında pillere ek olarak bu maddelerin birçok uygulaması vardır. Genel olarak, örneklerini verdiğimiz elektrolitler, bu terim altında birleştirilen çeşitli maddelerin sadece bir tanesidir. Her yerde, her yerde bizi kuşatıyorlar. Örneğin insan vücudunu ele alalım. Sizce bu maddeler yok mu? çok yanılıyorsunuz. İçimizde her yerdeler ve en büyük miktar kan elektrolitleridir. Bunlar, örneğin hemoglobinin bir parçası olan ve vücudumuzun dokularına oksijen taşınmasına yardımcı olan demir iyonlarını içerir. Kan elektrolitleri ayrıca su-tuz dengesinin ve kalp fonksiyonunun düzenlenmesinde önemli bir rol oynar. Bu işlev potasyum ve sodyum iyonları tarafından gerçekleştirilir (hücrelerde potasyum-sodyum pompası adı verilen bir süreç bile meydana gelir).
Az da olsa çözebildiğiniz herhangi bir madde elektrolittir. Ve seninle böyle bir endüstri ve hayatımız yok, neredene uygulanırsa uygulansın. Bu sadece arabalardaki ve pillerdeki piller değil. Bu herhangi bir kimyasal ve gıda üretimi, askeri tesisler, giyim fabrikaları vb.
Bu arada elektrolitin bileşimi farklıdır. Böylece asidik ve alkali elektroliti ayırt etmek mümkündür. Temelde özelliklerinde farklılık gösterirler: Daha önce de söylediğimiz gibi, asitler proton vericidir ve alkaliler alıcıdır. Ancak zamanla, maddenin bir kısmının kaybı nedeniyle elektrolitin bileşimi değişir, konsantrasyon azalır veya artar (hepsi neyin, su veya elektrolitin kaybolduğuna bağlıdır).
Onlarla her gün karşılaşıyoruz, ancak çok az insan elektrolit gibi bir terimin tanımını tam olarak biliyor. Belirli maddelerin örneklerini ele aldık, o yüzden biraz daha karmaşık kavramlara geçelim.
Elektrolitlerin fiziksel özellikleri
Şimdi fizik hakkında. Bu konuyu incelerken anlaşılması gereken en önemli şey, elektrolitlerde akımın nasıl iletildiğidir. İyonlar bu konuda belirleyici bir rol oynamaktadır. Bu yüklü parçacıklar, yükü çözeltinin bir kısmından diğerine aktarabilir. Bu nedenle, anyonlar her zaman pozitif elektrota ve katyonlar - negatife eğilimlidir. Böylece bir elektrik akımı ile çözüm üzerinde hareket ederek sistemin farklı taraflarındaki yükleri ayırmış oluyoruz.
Yoğunluk gibi bir fiziksel özellik çok ilginç. Tartıştığımız bileşiklerin birçok özelliği buna bağlıdır. Ve sık sık şu soru ortaya çıkıyor: "Elektrolitin yoğunluğu nasıl yükseltilir?" Aslında cevap basit: içeriği düşürmeniz gerekiyorçözelti içinde su. Elektrolitin yoğunluğu büyük ölçüde sülfürik asidin yoğunluğu tarafından belirlendiğinden, büyük ölçüde ikincisinin konsantrasyonuna bağlıdır. Planı gerçekleştirmenin iki yolu vardır. Birincisi oldukça basit: aküde bulunan elektroliti kaynatın. Bunu yapmak için, içindeki sıcaklık yüz santigrat derecenin biraz üzerine çıkacak şekilde şarj etmeniz gerekir. Bu yöntem yardımcı olmazsa, endişelenmeyin, bir tane daha var: eski elektroliti yenisiyle değiştirin. Bunu yapmak için eski çözeltiyi boş altın, sülfürik asit kalıntılarının içini damıtılmış suyla temizleyin ve ardından yeni bir kısım dökün. Kural olarak, yüksek kaliteli elektrolit çözeltileri hemen istenen konsantrasyona sahiptir. Değiştirdikten sonra, elektrolit yoğunluğunu nasıl artıracağınızı uzun süre unutabilirsiniz.
Elektrolitin bileşimi, özelliklerini büyük ölçüde belirler. Örneğin elektriksel iletkenlik ve yoğunluk gibi özellikler, çözünenin doğasına ve konsantrasyonuna büyük ölçüde bağlıdır. Aküde ne kadar elektrolit olabileceği hakkında ayrı bir soru var. Aslında, hacmi doğrudan ürünün beyan edilen gücü ile ilgilidir. Pilin içindeki sülfürik asit ne kadar fazlaysa, o kadar güçlüdür, yani daha fazla voltaj üretebilir.
Nerede işe yarar?
Bir araba tutkunuysanız veya sadece arabalara meraklıysanız, o zaman her şeyi kendiniz anlarsınız. Elbette, şimdi pilde ne kadar elektrolit olduğunu nasıl belirleyeceğinizi bile biliyorsunuzdur. Ve eğer arabalardan uzaksan, o zaman bilgibu maddelerin özellikleri, uygulamaları ve birbirleriyle nasıl etkileştikleri hiç de gereksiz olmayacaktır. Bunu bilerek, aküde hangi elektrolitin olduğunu söylemeniz istendiğinde zarar görmeyeceksiniz. Bir araba tutkunu olmasanız bile, ancak bir arabanız olsa bile, pil cihazını bilmek hiç de gereksiz olmayacak ve onarımlarda size yardımcı olacaktır. Her şeyi kendin yapmak, oto merkeze gitmekten çok daha kolay ve ucuz olacak.
Ve bu konuyu daha iyi incelemek için okullar ve üniversiteler için bir kimya ders kitabı okumanızı öneririz. Bu bilimi iyi biliyorsanız ve yeterince ders kitabı okuduysanız, Varypaev'in "Kimyasal Akım Kaynakları" en iyi seçenek olacaktır. Pillerin, çeşitli pillerin ve hidrojen hücrelerinin çalışmasına ilişkin tüm teoriyi ayrıntılı olarak özetlemektedir.
Sonuç
Sona geldik. Özetleyelim. Yukarıda, elektrolitler gibi bir kavramla ilgili her şeyi analiz ettik: örnekler, yapı ve özellikler teorisi, fonksiyonlar ve uygulamalar. Bir kez daha söylemekte fayda var ki, bu bileşikler hayatımızın bir parçası, onsuz bedenlerimiz ve tüm endüstri alanları var olamazdı. Kan elektrolitlerini hatırlıyor musunuz? Onlar sayesinde yaşıyoruz. Arabalarımız ne olacak? Bu bilgiyle, pille ilgili herhangi bir sorunu çözebileceğiz, çünkü artık içindeki elektrolit yoğunluğunu nasıl artıracağımızı anlıyoruz.
Her şeyi anlatmak imkansız ve biz böyle bir hedef koymadık. Sonuçta, bu harika maddeler hakkında söylenebilecek tek şey bu değil.
