الکترولیت در شیمی چیست؟ به الکترولیت ها اشاره دارد. چه ذراتی حامل بار هستند؟

اینها موادی هستند که محلول یا مذاب آنها جریان الکتریکی را هدایت می کنند. آنها همچنین جزء ضروری مایعات و بافت های متراکم موجودات هستند.

الکترولیت ها شامل اسیدها، بازها و نمک ها هستند. موادی که در حالت محلول یا مذاب جریان الکتریکی را هدایت نمی کنند، غیرالکترولیت نامیده می شوند. اینها شامل بسیاری از مواد آلی مانند قندها، الکل‌ها و غیره می‌شوند. توانایی محلول‌های الکترولیت برای هدایت جریان الکتریکی با این واقعیت توضیح داده می‌شود که وقتی حل می‌شوند، مولکول‌های الکترولیت به ذرات دارای بار الکتریکی مثبت و منفی - یون‌ها تجزیه می‌شوند. مقدار بار روی یک یون از نظر عددی برابر با ظرفیت اتم یا گروهی از اتم های تشکیل دهنده یون است. تفاوت یون ها با اتم ها و مولکول ها نه تنها در حضور بارهای الکتریکی، بلکه در خواص دیگر نیز وجود دارد، به عنوان مثال، یون های کلر فاقد بو، رنگ یا سایر خواص مولکول های کلر هستند.

یون های دارای بار مثبت کاتیون نامیده می شوند و یون های دارای بار منفی آنیون نامیده می شوند. کاتیون ها اتم های هیدروژن H +، فلزات: K +، Na +، Ca 2 +، Fe 3 + و برخی از گروه های اتم، به عنوان مثال گروه آمونیوم NH + 4. آنیون‌ها اتم‌ها و گروه‌هایی از اتم‌ها را تشکیل می‌دهند که بقایای اسیدی هستند، برای مثال Cl-، NO-3، SO2-4، CO2-3.

اصطلاح E. توسط فارادی وارد علم شد. تا همین اواخر، K. E. شامل نمک های معمولی، اسیدها و قلیاها و همچنین آب بود. مطالعات محلول های غیر آبی و همچنین مطالعات در دماهای بسیار بالا این زمینه را بسیار گسترش داده است. I. A. Kablukov، Kadi، Karara، P. I. Walden و دیگران نشان دادند که نه تنها محلول های آبی و الکلی جریان را به طور قابل توجهی هدایت می کنند، بلکه محلول های موجود در تعدادی از مواد دیگر مانند آمونیاک مایع، انیدرید دی اکسید گوگرد مایع و غیره را نیز هدایت می کنند. همچنین مشخص شده است که بسیاری از مواد و مخلوط ها در دماهای معمولی عایق های عالی هستند، مانند اکسیدهای فلزی بی آب (اکسید کلسیم، اکسید منیزیم و غیره) و با افزایش دما تبدیل به هادی های الکترولیتی می شوند. لامپ رشته ای معروف Nernst، که اصل آن توسط یابلوچکوف درخشان کشف شد، تصویری عالی از این حقایق ارائه می دهد. مخلوطی از اکسیدها - یک "جسم رشته ای" در لامپ Nernst، که در دمای معمولی رسانا نیست، در 700 درجه عالی می شود و علاوه بر این، حالت جامد را حفظ می کند. الکترولیتیهادی می توان فرض کرد که اکثر مواد پیچیده مورد مطالعه در شیمی معدنی، با حلال های مناسب یا در دمای کافی بالا، می توانند خواص الکترون ها را به دست آورند، البته به استثنای فلزات و آلیاژهای آنها و آن دسته از مواد پیچیده ای که رسانایی فلزی برای آنها وجود دارد. ثابت شده است. در حال حاضر، نشانه هایی از رسانایی فلزی یدید نقره مذاب و غیره باید در نظر گرفته شود که هنوز به اندازه کافی اثبات نشده است. چیز دیگری باید در مورد بیشتر مواد حاوی کربن، به عنوان مثال، مواد مورد مطالعه در شیمی آلی گفت. بعید است که حلال هایی وجود داشته باشند که هیدروکربن ها یا مخلوط آنها (پارافین، نفت سفید، بنزین و غیره) رسانای جریان باشند. با این حال، در شیمی آلی، ما یک انتقال تدریجی از الکترولیت‌های معمولی به غیرالکترولیت‌های معمولی داریم: از اسیدهای آلی به فنل‌های حاوی یک گروه نیترو، به فنل‌های فاقد چنین گروهی، به الکل‌ها که محلول‌های آبی آن متعلق به عایق‌های کم است. نیروهای محرک الکتریکی و در نهایت به هیدروکربن ها - عایق های معمولی. برای بسیاری از ترکیبات آلی و همچنین تا حدی غیرآلی، انتظار این نیست که افزایش دما آنها را E. کند، زیرا این مواد زودتر از اثر گرما تجزیه می شوند.

این سوال که الکترولیت چیست تا زمانی که نظریه تفکیک الکترولیتی برای حل آن مطرح شد، در وضعیت نامشخصی قرار داشت.

تفکیک الکترولیتی.

متلاشی شدن مولکول های الکترولیت به یون ها، تفکیک الکترولیتی یا یونیزاسیون نامیده می شود و یک فرآیند برگشت پذیر است، به عنوان مثال، یک حالت تعادل می تواند در محلولی رخ دهد که در آن به تعداد مولکول های الکترولیت به یون ها تجزیه می شود، بنابراین بسیاری از آنها دوباره از یون ها تشکیل می شوند. .

تفکیک الکترولیت ها به یون ها را می توان با معادله کلی نشان داد: در جایی که KmAn یک مولکول تفکیک نشده است، Kz+ 1 یک کاتیون حامل بار مثبت z 1 است، و z-2 آنیونی است با z2 بار منفی، m و n. تعداد کاتیون ها و آنیون ها هستند که در طی تفکیک یک مولکول الکترولیت تشکیل می شوند. به عنوان مثال، .
تعداد یون های مثبت و منفی در یک محلول ممکن است متفاوت باشد، اما بار کل کاتیون ها همیشه برابر با بار کل آنیون ها است، بنابراین محلول به طور کلی از نظر الکتریکی خنثی است.
الکترولیت های قوی تقریباً به طور کامل به یون ها در هر غلظتی در محلول تجزیه می شوند. اینها عبارتند از اسیدهای قوی (نگاه کنید به)، بازهای قوی و تقریباً همه نمکها (نگاه کنید به). الکترولیت‌های ضعیف که شامل اسیدها و بازهای ضعیف و برخی نمک‌ها مانند HgCl 2 تصعید می‌شوند، فقط تا حدی تجزیه می‌شوند. درجه تفکیک آنها، یعنی نسبت مولکول های تجزیه شده به یون ها، با کاهش غلظت محلول افزایش می یابد.
معیاری از توانایی الکترولیت ها برای تجزیه شدن به یون ها در محلول ها می تواند ثابت تفکیک الکترولیتی (ثابت یونیزاسیون)، برابر با
که در آن غلظت ذرات مربوطه در محلول در پرانتز نشان داده شده است.

1. الکترولیت ها

1.1. تفکیک الکترولیتی. درجه تفکیک. قدرت الکترولیت

بر اساس تئوری تفکیک الکترولیتی، نمک ها، اسیدها و هیدروکسیدها وقتی در آب حل می شوند، به طور کامل یا جزئی به ذرات مستقل - یون ها تجزیه می شوند.

فرآیند تجزیه مولکول های ماده به یون ها تحت تأثیر مولکول های حلال قطبی را تفکیک الکترولیتی می گویند. موادی که در محلول ها به یون تجزیه می شوند نامیده می شوند الکترولیت هادر نتیجه، محلول توانایی هدایت جریان الکتریکی را به دست می آورد، زیرا حامل های شارژ الکتریکی متحرک در آن ظاهر می شود. بر اساس این نظریه، هنگامی که الکترولیت ها در آب حل می شوند، به یون های دارای بار مثبت و منفی تجزیه می شوند. یون های دارای بار مثبت نامیده می شوند کاتیون ها; به عنوان مثال، یون های هیدروژن و فلز از جمله این موارد هستند. یون های دارای بار منفی نامیده می شوند آنیون ها; اینها شامل یونهای باقیمانده اسیدی و یونهای هیدروکسید است.

برای توصیف کمی فرآیند تفکیک، مفهوم درجه تفکیک معرفی شد. درجه تفکیک یک الکترولیت (α) نسبت تعداد مولکول های آن است که در یک محلول به یون تجزیه می شوند. n ، به تعداد کل مولکول های آن در محلول ( N)، یا

α = .

درجه تفکیک الکترولیتی معمولاً یا بر حسب کسری از واحد یا به صورت درصد بیان می شود.

الکترولیت هایی با درجه تفکیک بیشتر از 0.3 (30%) معمولا قوی نامیده می شوند، با درجه تفکیک از 0.03 (3%) تا 0.3 (30%) - متوسط، کمتر از 0.03 (3%) - الکترولیت های ضعیف. بنابراین، برای یک محلول 0.1 M CH3COOH α = 0.013 (یا 1.3٪). بنابراین اسید استیک یک الکترولیت ضعیف است. درجه تفکیک نشان می دهد که چه بخشی از مولکول های محلول یک ماده به یون تجزیه شده است. درجه تفکیک الکترولیتی یک الکترولیت در محلول های آبی به ماهیت الکترولیت، غلظت و دمای آن بستگی دارد.

از نظر ماهیت الکترولیت ها را می توان به دو گروه بزرگ تقسیم کرد: قوی و ضعیف. الکترولیت های قویتقریباً به طور کامل جدا می شوند (α = 1).

الکترولیت های قوی عبارتند از:

1) اسیدها (H2SO4، HCl، HNO3، HBr، HI، HClO4، HMnO4).

2) بازها - هیدروکسیدهای فلزی گروه اول زیرگروه اصلی (قلیایی) - LiOH، NaOH، KOH، RbOH، CsOH و همچنین هیدروکسیدهای فلزات قلیایی خاکی – Ba (OH) 2، Ca (OH) 2، Sr (OH) 2;.

3) نمک های محلول در آب (به جدول حلالیت مراجعه کنید).

الکترولیت های ضعیف به مقدار بسیار کمی به یون ها تجزیه می شوند. برای الکترولیت های ضعیف، تعادل بین مولکول ها و یون های جدا نشده برقرار می شود.

الکترولیت های ضعیف عبارتند از:

1) اسیدهای معدنی H 2 CO 3، H 2 S، HNO 2، H 2 SO 3، HCN، H 3 PO 4، H 2 SiO 3، HCNS، HClO و غیره).

2) آب (H 2 O)؛

3) هیدروکسید آمونیوم ( NH 4 OH)؛

4) اکثر اسیدهای آلی

(به عنوان مثال، استیک CH 3 COOH، HCOOH فرمیک)؛

5) نمکهای نامحلول و کمی محلول و هیدروکسیدهای برخی فلزات (به جدول حلالیت مراجعه کنید).

فرآیند تفکیک الکترولیتیبا استفاده از معادلات شیمیایی به تصویر کشیده شده است. به عنوان مثال، تفکیک اسید هیدروکلریک (HCل ) به صورت زیر نوشته می شود:

HCl → H + + Cl – .

بازها تجزیه می شوند و کاتیون های فلزی و یون های هیدروکسید تشکیل می دهند. به عنوان مثال، تفکیک KOH

KOH → K + + OH – .

اسیدهای پلی بازیک و همچنین بازهای فلزات چند ظرفیتی به صورت مرحله ای تفکیک می شوند. به عنوان مثال،

H 2 CO 3 H + + HCO 3 -،

HCO 3 – H + + CO 3 2 – .

اولین تعادل - تفکیک طبق مرحله اول - با ثابت مشخص می شود

.

برای تفکیک مرحله دوم:

.

در مورد اسید کربنیک، ثابت های تفکیک مقادیر زیر را دارند: ک I = 4.3× 10-7، ک II = 5.6 × 10-11. برای تفکیک گام به گام همیشه کمن > ک II > ک III >... ، زیرا انرژی که باید برای جدا کردن یک یون صرف شود، وقتی از یک مولکول خنثی جدا شود، حداقل است.

نمک‌های متوسط ​​(معمولی)، محلول در آب، تجزیه می‌شوند تا یون‌های فلزی با بار مثبت و یون‌های با بار منفی باقیمانده اسید را تشکیل دهند.

Ca(NO 3) 2 → Ca 2 + + 2NO 3 -

Al 2 (SO 4) 3 → 2Al 3+ +3SO 4 2–.

نمک های اسیدی (هیدروسالت ها) الکترولیت های حاوی هیدروژن در آنیون هستند که می توانند به شکل یون هیدروژن H + تجزیه شوند. نمک های اسیدی به عنوان یک محصول به دست آمده از اسیدهای پلی بازیک در نظر گرفته می شوند که در آن همه اتم های هیدروژن با یک فلز جایگزین نمی شوند. تفکیک نمک های اسیدی در مراحل انجام می شود، به عنوان مثال:

KHCO 3 → K + + HCO 3 - (مرحله اول)

الکترولیت ها موادی هستند که مذاب یا محلول های آنها جریان الکتریکی را هدایت می کنند. الکترولیت ها شامل اسیدها، بازها و اکثر نمک ها هستند.

تفکیک الکترولیت

الکترولیت ها شامل موادی با پیوندهای کووالانسی یونی یا بسیار قطبی هستند. اولی حتی قبل از اینکه به حالت محلول یا مذاب منتقل شود به شکل یون وجود دارد. الکترولیت ها شامل نمک ها، بازها و اسیدها هستند.

برنج. 1. تفاوت بین الکترولیت ها و غیر الکترولیت ها را جدول کنید.

الکترولیت های قوی و ضعیف وجود دارد. الکترولیت های قوی وقتی در آب حل می شوند، به طور کامل به یون ها تجزیه می شوند. اینها عبارتند از: تقریباً تمام نمکهای محلول، بسیاری از اسیدهای معدنی (به عنوان مثال، H 2 SO 4، HNO 3، HCl)، هیدروکسیدهای فلزات قلیایی و قلیایی خاکی. الکترولیت های ضعیف وقتی در آب حل می شوند کمی به یون ها تجزیه می شوند. اینها تقریباً تمام اسیدهای آلی، برخی اسیدهای معدنی (به عنوان مثال، H 2 CO 3)، بسیاری از هیدروکسیدها (به جز هیدروکسیدهای فلزات قلیایی و قلیایی خاکی) را شامل می شود.

برنج. 2. جدول الکترولیت های قوی و ضعیف.

آب نیز یک الکترولیت ضعیف است.

همانند سایر واکنش های شیمیایی، تفکیک الکترولیتی در محلول ها به شکل معادلات تفکیک نوشته می شود. در عین حال، برای الکترولیت های قوی این فرآیند غیرقابل برگشت و برای الکترولیت های با قدرت متوسط ​​و ضعیف به عنوان یک فرآیند برگشت پذیر در نظر گرفته می شود.

اسیدها- اینها الکترولیت هایی هستند که تفکیک آنها در محلول های آبی با تشکیل یون های هیدروژن به عنوان کاتیون اتفاق می افتد. اسیدهای پلی بازیک به صورت مرحله ای تفکیک می شوند. هر مرحله بعدی با دشواری بیشتر و بیشتر پیش می رود، زیرا یون های حاصل از باقی مانده های اسیدی الکترولیت های ضعیف تری هستند.

دلایل- الکترولیت هایی که در یک محلول آبی تجزیه می شوند و یون هیدروکسید OH- را به صورت آنیون تشکیل می دهند. تشکیل یون هیدروکسید یک ویژگی مشترک بازها است و خصوصیات کلی بازهای قوی را تعیین می کند: خاصیت قلیایی، طعم تلخ، صابون بودن در لمس، واکنش به یک نشانگر، خنثی سازی اسیدها و غیره.

قلیاها، حتی آنهایی که کمی محلول هستند (به عنوان مثال، باریم هیدروکسید Ba(OH) 2) کاملاً تجزیه می شوند، به عنوان مثال:

Ba(OH) 2 =Ba 2 + 2OH-

نمک هاالکترولیت هایی هستند که در یک محلول آبی تفکیک می شوند و یک کاتیون فلزی و یک باقی مانده اسید تشکیل می دهند. نمک ها به صورت مرحله ای جدا نمی شوند، بلکه به طور کامل:

Сa(NO 3) 2 =Ca 2 + + 2NO 3 -

نظریه تفکیک الکترولیتی

الکترولیت ها- موادی که در محلول ها یا مذاب ها دچار تفکیک الکترولیتی می شوند و در اثر حرکت یون ها جریان الکتریکی را هدایت می کنند.

تفکیک الکترولیتی تجزیه الکترولیت ها به یون ها هنگام حل شدن در آب است.

نظریه تفکیک الکترولیتی (S. Arrhenius، 1887) در درک مدرن شامل مفاد زیر است:

• هنگامی که در آب حل می شود، الکترولیت ها به یون های مثبت (کاتیون ها) و منفی (آنیون ها) تجزیه می شوند (تفکیک می کنند). یونیزاسیون به راحتی برای ترکیبات دارای پیوند یونی (نمک ها، قلیایی ها) اتفاق می افتد، که در صورت حل شدن (فرایند گرماگیر تخریب شبکه کریستالی)، یون های هیدراته را تشکیل می دهند.

برنج. 3. طرح تفکیک الکترولیتی نمک.

هیدراتاسیون یونی یک فرآیند گرمازا است. نسبت هزینه های انرژی و سود، امکان یونیزاسیون در محلول را تعیین می کند. هنگامی که ماده ای با پیوند کووالانسی قطبی (مثلاً هیدروژن کلرید HCl) حل می شود، دوقطبی های آب در قطب های مربوط به مولکول محلول قرار می گیرند و پیوند را قطبی می کنند و به یک پیوند یونی تبدیل می کنند و به دنبال آن یون ها هیدراته می شوند. . این فرآیند برگشت پذیر است و می تواند به طور کامل یا جزئی رخ دهد.

• یون های هیدراته پایدار هستند و به طور تصادفی در محلول حرکت می کنند. تحت تأثیر جریان الکتریکی، حرکت جهت دار می شود: کاتیون ها به سمت کمربند منفی (کاتد) و آنیون ها به سمت کمربند مثبت (آند) حرکت می کنند.
• تجزیه (یونیزاسیون) یک فرآیند برگشت پذیر است. کامل بودن یونیزاسیون به ماهیت الکترولیت (نمک‌های قلیایی تقریباً به طور کامل تجزیه می‌شوند)، غلظت آن (با افزایش غلظت، یونیزاسیون دشوارتر می‌شود)، دما (افزایش دما باعث تفکیک می‌شود) و ماهیت حلال (یونیزاسیون فقط اتفاق می‌افتد) بستگی دارد. در یک حلال قطبی، به ویژه، آب).

الکترولیت ها محلول هایی حاوی غلظت بالایی از یون ها هستند که اجازه عبور جریان الکتریکی را می دهند. به عنوان یک قاعده، این ها محلول های آبی نمک ها، اسیدها و قلیاها هستند.

در بدن انسان و حیوان، الکترولیت ها نقش مهمی ایفا می کنند: به عنوان مثال، الکترولیت های خون با یون های آهن، اکسیژن را به بافت ها منتقل می کنند. الکترولیت ها با یون های پتاسیم و سدیم تعادل آب و نمک بدن، عملکرد روده ها و قلب را تنظیم می کنند.

خواص

آب خالص، نمک های بی آب، اسیدها و قلیاها جریان را هدایت نمی کنند. در محلول ها، مواد به یون تجزیه می شوند و جریان را هدایت می کنند. به همین دلیل است که الکترولیت ها رسانای مرتبه دوم (برخلاف فلزات) نامیده می شوند. الکترولیت ها همچنین می توانند مذاب و برخی کریستال ها، به ویژه دی اکسید زیرکونیوم و یدید نقره باشند.

ویژگی اصلی الکترولیت ها توانایی تفکیک الکترولیتی است، یعنی تجزیه مولکول ها هنگام تعامل با مولکول های آب (یا حلال های دیگر) به یون های باردار.

بر اساس نوع یون‌های تشکیل‌شده در محلول، الکترولیت به‌صورت قلیایی (رسانایی الکتریکی به دلیل یون‌های فلزی و OH-)، نمکی و اسیدی (با یون‌های H+ و باقی‌مانده‌های باز اسیدی) تشخیص داده می‌شود.

برای مشخص کردن کمی توانایی یک الکترولیت برای تفکیک، پارامتر "درجه تفکیک" معرفی شد. این مقدار نشان دهنده درصد مولکول هایی است که دچار پوسیدگی شده اند. بستگی به این دارد:
خود ماده؛
حلال؛
غلظت ماده؛
دما

الکترولیت ها به دو دسته قوی و ضعیف تقسیم می شوند. هرچه معرف بهتر حل شود (به یون ها تجزیه می شود)، الکترولیت قوی تر، جریان را بهتر هدایت می کند. الکترولیت های قوی شامل قلیایی ها، اسیدهای قوی و نمک های محلول هستند.

برای الکترولیت های مورد استفاده در باتری ها، پارامتری مانند چگالی بسیار مهم است. شرایط عملکرد باتری، ظرفیت و عمر مفید آن به آن بستگی دارد. چگالی با استفاده از هیدرومتر تعیین می شود.

اقدامات احتیاطی هنگام کار با الکترولیت ها

محبوب ترین الکترولیت ها محلولی از اسید سولفوریک غلیظ و قلیایی هستند - اغلب هیدروکسیدهای پتاسیم، سدیم و لیتیوم. همه آنها باعث سوختگی شیمیایی پوست و غشاهای مخاطی و سوختگی چشم بسیار خطرناک می شوند. به همین دلیل است که تمام کار با چنین الکترولیت هایی باید در یک اتاق مجزا و دارای تهویه مناسب و با استفاده از تجهیزات محافظ: لباس، ماسک، عینک، دستکش لاستیکی انجام شود.
یک کیت کمک های اولیه با مجموعه ای از عوامل خنثی کننده و یک شیر آب باید در نزدیکی اتاقی که کار با الکترولیت ها انجام می شود، نگهداری شود.
سوختگی های اسیدی با محلول سودا (1 قاشق چایخوری در هر 1 فنجان آب) خنثی می شود.
سوختگی قلیایی با محلول اسید بوریک (1 قاشق چایخوری در هر 1 فنجان آب) خنثی می شود.
برای شستن چشم، محلول های خنثی کننده باید دو برابر ضعیف تر باشند.
نواحی آسیب دیده پوست ابتدا با خنثی کننده و سپس با آب و صابون شسته می شوند.
اگر الکترولیت ریخته شود، با خاک اره جمع آوری می شود، سپس با خنثی کننده شسته شده و خشک می شود.

هنگام کار با الکترولیت، باید تمام الزامات ایمنی مثلا اسید را نه به صورت دستی، بلکه با کمک دستگاه ها در آب می ریزند (و نه برعکس!). تکه های قلیایی جامد را نه با دست، بلکه با انبر یا قاشق در آب فرو می بریم. شما نمی توانید در یک اتاق با باتری هایی با انواع مختلف الکترولیت کار کنید و نگهداری آنها در کنار هم ممنوع است.

برخی از کارها به جوشاندن الکترولیت نیاز دارند. این باعث آزاد شدن هیدروژن، یک گاز قابل اشتعال و انفجار می شود. در چنین مکان هایی باید از سیم کشی و وسایل برقی ضد انفجار استفاده شود، سیگار کشیدن و هرگونه کار با شعله باز ممنوع است.

الکترولیت ها را در ظروف پلاستیکی نگهداری کنید. ظروف و ابزار شیشه ای، سرامیکی، چینی برای کار مناسب است.

در مقاله بعدی در مورد انواع و کاربردهای الکترولیت بیشتر به شما خواهیم گفت.

الکترولیت ها به عنوان مواد شیمیایی از زمان های قدیم شناخته شده اند. با این حال، آنها اکثر حوزه های کاربرد خود را نسبتاً اخیراً فتح کرده اند. ما در مورد بالاترین اولویت های صنعت برای استفاده از این مواد بحث خواهیم کرد و متوجه خواهیم شد که این مواد چیست و چگونه با یکدیگر تفاوت دارند. اما اجازه دهید با گشت و گذار در تاریخ شروع کنیم.

داستان

قدیمی ترین الکترولیت های شناخته شده نمک ها و اسیدها هستند که در دنیای باستان کشف شده اند. با این حال، ایده ها در مورد ساختار و خواص الکترولیت ها در طول زمان تکامل یافته است. نظریه های این فرآیندها از دهه 1880، زمانی که تعدادی اکتشاف در رابطه با نظریه های خواص الکترولیت ها انجام شد، تکامل یافته است. چندین جهش کیفی در تئوری هایی که مکانیسم های برهمکنش الکترولیت ها با آب را توصیف می کنند مشاهده شد (در نهایت، آنها فقط در محلول خواصی را به دست می آورند که به دلیل آن در صنعت استفاده می شود).

اکنون چندین نظریه را به تفصیل بررسی خواهیم کرد که بیشترین تأثیر را در توسعه ایده ها در مورد الکترولیت ها و خواص آنها داشتند. و بیایید با رایج ترین و ساده ترین تئوری شروع کنیم که هر یک از ما در مدرسه از آن عبور کردیم.

تئوری آرنیوس تفکیک الکترولیتی

در سال 1887 شیمیدان سوئدی و ویلهلم استوالد نظریه تفکیک الکترولیتی را ایجاد کردند. با این حال، اینجا هم به این سادگی نیست. آرنیوس خود از طرفداران به اصطلاح نظریه فیزیکی محلول ها بود که برهمکنش اجزای تشکیل دهنده یک ماده با آب را در نظر نمی گرفت و استدلال می کرد که ذرات باردار آزاد (یون ها) در محلول وجود دارد. به هر حال، از این موقعیت است که امروزه تفکیک الکترولیتی در مدرسه مورد توجه قرار می گیرد.

بیایید در مورد آنچه که این نظریه ارائه می دهد صحبت کنیم و چگونه مکانیسم تعامل مواد با آب را برای ما توضیح می دهد. مانند هر مورد دیگر، او چندین فرض دارد که از آنها استفاده می کند:

1. در هنگام تعامل با آب، این ماده به یون (مثبت - کاتیون و منفی - آنیون) تجزیه می شود. این ذرات تحت هیدراتاسیون قرار می گیرند: آنها مولکول های آب را جذب می کنند که اتفاقاً از یک طرف بار مثبت و از طرف دیگر بار منفی دارند (دوقطبی تشکیل می دهند) و در نتیجه به کمپلکس های آبی (محلول ها) تبدیل می شوند.

2. فرآیند تفکیک برگشت پذیر است - یعنی اگر یک ماده به یون تجزیه شود، آنگاه تحت تأثیر هر عاملی می تواند دوباره به شکل اصلی خود تبدیل شود.

3. اگر الکترودها را به محلول متصل کنید و جریان را روشن کنید، کاتیون ها شروع به حرکت به سمت الکترود منفی - کاتد و آنیون ها به سمت الکترود مثبت - آند می کنند. به همین دلیل است که موادی که در آب بسیار محلول هستند جریان الکتریکی را بهتر از خود آب هدایت می کنند. به همین دلیل به آنها الکترولیت می گفتند.

4. الکترولیت مشخص کننده درصد ماده ای است که تحت انحلال قرار گرفته است. این شاخص به خواص حلال و خود ماده محلول، غلظت دومی و دمای خارجی بستگی دارد.

در واقع، تمام فرضیه های اصلی این نظریه ساده در اینجا آمده است. ما در این مقاله از آنها برای توصیف آنچه در محلول الکترولیت اتفاق می افتد استفاده خواهیم کرد. ما کمی بعد به نمونه هایی از این ارتباطات خواهیم پرداخت، اما اکنون اجازه دهید به نظریه دیگری نگاه کنیم.

تئوری لوئیس اسیدها و بازها

بر اساس تئوری تفکیک الکترولیتی، اسید ماده ای است که در محلول آن کاتیون هیدروژن وجود دارد و باز ترکیبی است که در محلول تجزیه می شود و به آنیون هیدروکسید تبدیل می شود. نظریه دیگری وجود دارد که به نام شیمیدان معروف گیلبرت لوئیس نامگذاری شده است. این به ما اجازه می دهد تا مفهوم اسید و باز را تا حدودی گسترش دهیم. بر اساس نظریه لوئیس، اسیدها مولکول های ماده ای هستند که دارای اوربیتال های الکترون آزاد هستند و قادر به پذیرش الکترون از مولکول دیگر هستند. به راحتی می توان حدس زد که بازها ذراتی هستند که قادرند یک یا چند الکترون خود را به "استفاده" از اسید اهدا کنند. آنچه در اینجا بسیار جالب است این است که نه تنها یک الکترولیت، بلکه هر ماده ای حتی نامحلول در آب نیز می تواند اسید یا باز باشد.

نظریه پروتولیتیک برندستد-لوری

در سال 1923، دو دانشمند - J. Brønsted و T. Lowry - مستقل از یکدیگر، نظریه ای را ارائه کردند که اکنون به طور فعال توسط دانشمندان برای توصیف فرآیندهای شیمیایی استفاده می شود. ماهیت این نظریه این است که معنای تفکیک به انتقال پروتون از اسید به باز می رسد. بنابراین، دومی در اینجا به عنوان یک گیرنده پروتون درک می شود. سپس اسید اهداکننده آنهاست. این نظریه همچنین وجود موادی را که خواص اسیدها و بازها را نشان می دهند به خوبی توضیح می دهد. به چنین ترکیباتی آمفوتریک می گویند. در نظریه برونستد-لوری، اصطلاح آمفولیت ها نیز برای آنها به کار می رود، در حالی که اسیدها یا بازها را معمولاً پروتولیت می نامند.

به قسمت بعدی مقاله می رسیم. در اینجا به شما خواهیم گفت که الکترولیت های قوی و ضعیف چقدر با یکدیگر تفاوت دارند و تأثیر عوامل خارجی بر خواص آنها را مورد بحث قرار می دهیم. و سپس ما شروع به توصیف کاربرد عملی آنها خواهیم کرد.

الکترولیت های قوی و ضعیف

هر ماده به طور جداگانه با آب تعامل دارد. برخی به خوبی در آن حل می شوند (مثلاً نمک خوراکی)، در حالی که برخی دیگر اصلاً حل نمی شوند (مثلاً گچ). بنابراین، تمام مواد به الکترولیت های قوی و ضعیف تقسیم می شوند. دومی موادی هستند که برهمکنش ضعیفی با آب دارند و در ته محلول می نشینند. این بدان معنی است که آنها دارای درجه تفکیک بسیار پایین و انرژی پیوند بالایی هستند که اجازه نمی دهد مولکول در شرایط عادی به یون های تشکیل دهنده خود تجزیه شود. تفکیک الکترولیت های ضعیف یا بسیار آهسته یا با افزایش دما و غلظت این ماده در محلول اتفاق می افتد.

بیایید در مورد الکترولیت های قوی صحبت کنیم. اینها شامل تمام نمکهای محلول و همچنین اسیدهای قوی و قلیایی می شود. آنها به راحتی به یون تجزیه می شوند و جمع آوری آنها در بارش بسیار دشوار است. به هر حال، جریان در الکترولیت ها دقیقاً به لطف یون های موجود در محلول انجام می شود. بنابراین، الکترولیت های قوی جریان را به بهترین نحو هدایت می کنند. نمونه هایی از دومی: اسیدهای قوی، قلیایی ها، نمک های محلول.

عوامل موثر بر رفتار الکترولیت ها

حال بیایید بفهمیم که تغییرات محیط خارجی چگونه تأثیر می گذارد. غلظت به طور مستقیم بر درجه تفکیک الکترولیت تأثیر می گذارد. علاوه بر این، این رابطه را می توان به صورت ریاضی بیان کرد. قانونی که این رابطه را توصیف می کند، قانون رقیق سازی استوالد نامیده می شود و به صورت زیر نوشته می شود: a = (K / c) 1/2. در اینجا a درجه تفکیک (به صورت کسری) K ثابت تفکیک است که برای هر ماده متفاوت است و c غلظت الکترولیت در محلول است. با استفاده از این فرمول، می توانید چیزهای زیادی در مورد یک ماده و رفتار آن در محلول بیاموزید.

اما ما از موضوع منحرف شده ایم. علاوه بر غلظت، درجه تفکیک نیز تحت تأثیر دمای الکترولیت است. برای اکثر مواد، افزایش آن باعث افزایش حلالیت و فعالیت شیمیایی می شود. این دقیقاً همان چیزی است که می تواند وقوع برخی واکنش ها را فقط در دماهای بالا توضیح دهد. در شرایط عادی، آنها یا بسیار آهسته یا در هر دو جهت حرکت می کنند (به این فرآیند برگشت پذیر گفته می شود).

ما عواملی را که رفتار سیستمی مانند محلول الکترولیت را تعیین می کند، تجزیه و تحلیل کرده ایم. حال بیایید به سراغ کاربرد عملی این مواد شیمیایی بسیار مهم برویم.

استفاده صنعتی

البته، همه کلمه "الکترولیت" را در رابطه با باتری شنیده اند. این خودرو از باتری های سرب اسیدی استفاده می کند که الکترولیت آن 40 درصد اسید سولفوریک است. برای درک اینکه چرا این ماده اصلاً در آنجا مورد نیاز است، ارزش درک ویژگی های عملکرد باتری ها را دارد.

پس اصل کار هر باتری چیست؟ آنها تحت یک واکنش برگشت پذیر تبدیل یک ماده به ماده دیگر قرار می گیرند که در نتیجه الکترون ها آزاد می شوند. هنگام شارژ باتری، فعل و انفعالاتی از مواد رخ می دهد که در شرایط عادی رخ نمی دهد. این را می توان به عنوان تجمع الکتریسیته در یک ماده در نتیجه یک واکنش شیمیایی در نظر گرفت. در حین تخلیه، تبدیل معکوس شروع می شود و سیستم را به حالت اولیه هدایت می کند. این دو فرآیند با هم یک چرخه شارژ-تخلیه را تشکیل می دهند.

بیایید با استفاده از یک مثال خاص - یک باتری سرب-اسید - به روند بالا نگاه کنیم. همانطور که ممکن است حدس بزنید، این منبع فعلی از یک عنصر حاوی سرب (و همچنین دی اکسید سرب PbO 2) و اسید تشکیل شده است. هر باتری از الکترودها و فضای بین آنها تشکیل شده است که با الکترولیت پر شده است. به عنوان دومی، همانطور که قبلا متوجه شدیم، در مثال ما از اسید سولفوریک با غلظت 40 درصد استفاده می کنیم. کاتد چنین باتری از دی اکسید سرب ساخته شده است و آند از سرب خالص تشکیل شده است. همه اینها به این دلیل است که واکنش‌های برگشت‌پذیر متفاوتی در این دو الکترود با مشارکت یون‌هایی که اسید در آنها جدا شده است، رخ می‌دهد:

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

اگر واکنش‌ها را از چپ به راست بخوانیم، فرآیندهایی را دریافت می‌کنیم که هنگام تخلیه باتری اتفاق می‌افتند و اگر از راست به چپ، فرآیندهایی را دریافت می‌کنیم که هنگام شارژ شدن باتری رخ می‌دهند. در هر یک از این واکنش ها، این واکنش ها متفاوت است، اما مکانیسم وقوع آنها به طور کلی به یک شکل توصیف می شود: دو فرآیند رخ می دهد، که در یکی از آنها الکترون ها "جذب می شوند" و در دیگری، برعکس، آنها " کنار گذاشتن». مهمترین چیز این است که تعداد الکترون های جذب شده برابر با تعداد الکترون های آزاد شده است.

در واقع، علاوه بر باتری، کاربردهای زیادی برای این مواد وجود دارد. به طور کلی، الکترولیت‌هایی که نمونه‌هایی از آنها آورده‌ایم، تنها دانه‌ای از انواع موادی هستند که تحت این اصطلاح متحد شده‌اند. آنها ما را در همه جا، همه جا احاطه کرده اند. مثلاً بدن انسان اینجاست. به نظر شما این مواد وجود ندارند؟ شما خیلی در اشتباهید. آنها در همه جای ما یافت می شوند و بیشترین مقدار را الکترولیت های خون تشکیل می دهند. برای مثال، یون‌های آهن که بخشی از هموگلوبین هستند و به انتقال اکسیژن به بافت‌های بدن ما کمک می‌کنند، می‌شوند. الکترولیت های خون نیز نقش کلیدی در تنظیم تعادل آب و نمک و عملکرد قلب دارند. این عملکرد توسط یون های پتاسیم و سدیم انجام می شود (حتی فرآیندی وجود دارد که در سلول ها به نام پمپ پتاسیم سدیم اتفاق می افتد).

هر ماده ای که بتوانید آن را حتی کمی حل کنید، الکترولیت است. و هیچ شاخه ای از صنعت یا زندگی ما وجود ندارد که از آنها استفاده نشود. این فقط باتری و باتری ماشین نیست. اینها عبارتند از هر گونه تولید مواد شیمیایی و غذایی، کارخانه های نظامی، کارخانه های پوشاک و غیره.

ترکیب الکترولیت، به هر حال، متفاوت است. بنابراین، الکترولیت های اسیدی و قلیایی را می توان تشخیص داد. آنها اساساً از نظر خواص متفاوت هستند: همانطور که قبلاً گفتیم، اسیدها دهنده پروتون هستند و قلیاها پذیرنده هستند. اما با گذشت زمان، ترکیب الکترولیت به دلیل از دست دادن بخشی از ماده تغییر می کند، غلظت یا کاهش می یابد یا افزایش می یابد (همه به چیزی که از دست می رود، آب یا الکترولیت بستگی دارد).

ما هر روز با آنها روبرو می شویم، اما تعداد کمی از مردم دقیقاً تعریف چنین اصطلاحی به عنوان الکترولیت را می دانند. ما نمونه هایی از مواد خاص را بررسی کرده ایم، بنابراین اجازه دهید به مفاهیم کمی پیچیده تر برویم.

خواص فیزیکی الکترولیت ها

حالا در مورد فیزیک مهمترین چیزی که هنگام مطالعه این موضوع باید درک کنید این است که چگونه جریان در الکترولیت ها منتقل می شود. یون ها در این امر نقش تعیین کننده ای دارند. این ذرات باردار می توانند بار را از قسمتی از محلول به قسمت دیگر منتقل کنند. بنابراین، آنیون ها همیشه به الکترود مثبت و کاتیون ها به سمت منفی تمایل دارند. بدین ترتیب با اثر جریان الکتریکی بر روی محلول، بارها را در طرف های مختلف سیستم جدا می کنیم.

یک ویژگی فیزیکی بسیار جالب تراکم است. بسیاری از خواص ترکیبات مورد بحث ما به آن بستگی دارد. و اغلب این سوال پیش می آید: "چگونه چگالی الکترولیت را افزایش دهیم؟" در واقع، پاسخ ساده است: کاهش محتوای آب در محلول ضروری است. از آنجایی که چگالی الکترولیت تا حد زیادی تعیین می شود، تا حد زیادی به غلظت دومی بستگی دارد. دو راه برای رسیدن به برنامه وجود دارد. اولین مورد بسیار ساده است: الکترولیت موجود در باتری را بجوشانید. برای این کار باید آن را شارژ کنید تا دمای داخل آن کمی به بالای صد درجه سانتیگراد برسد. اگر این روش کمکی نکرد، نگران نباشید، روش دیگری وجود دارد: به سادگی الکترولیت قدیمی را با یک الکترولیت جدید جایگزین کنید. برای انجام این کار، باید محلول قدیمی را تخلیه کنید، داخل آن را از اسید سولفوریک باقیمانده با آب مقطر تمیز کنید و سپس یک قسمت جدید را پر کنید. به عنوان یک قاعده، محلول های الکترولیت با کیفیت بالا بلافاصله غلظت مورد نظر را دارند. پس از تعویض، می توانید برای مدت طولانی نحوه افزایش چگالی الکترولیت را فراموش کنید.

ترکیب الکترولیت تا حد زیادی خواص آن را تعیین می کند. برای مثال، ویژگی هایی مانند رسانایی الکتریکی و چگالی، به شدت به ماهیت املاح و غلظت آن بستگی دارد. یک سوال جداگانه در مورد مقدار الکترولیت یک باتری وجود دارد. در واقع حجم آن ارتباط مستقیمی با توان اعلامی محصول دارد. هرچه اسید سولفوریک داخل باتری بیشتر باشد، قدرت بیشتری دارد، یعنی ولتاژ بیشتری می تواند تولید کند.

این کجا مفید خواهد بود؟

اگر از علاقه مندان به ماشین هستید یا فقط به ماشین علاقه دارید، پس خودتان همه چیز را درک می کنید. مطمئناً شما حتی می دانید که چگونه می توانید میزان الکترولیت را در باتری تعیین کنید. و اگر از اتومبیل ها دور هستید، پس آگاهی از خواص این مواد، استفاده از آنها و نحوه تعامل آنها با یکدیگر اضافی نخواهد بود. با دانستن این موضوع، اگر از شما بخواهند بگویید چه الکترولیت در باتری وجود دارد، سردرگم نخواهید شد. اگر چه، حتی اگر از علاقه مندان به ماشین نیستید، اما ماشین دارید، دانش ساختار باتری اضافی نخواهد بود و به شما در تعمیرات کمک می کند. انجام همه کارها خودتان بسیار ساده تر و ارزان تر از رفتن به یک مرکز خودرو خواهد بود.

و برای مطالعه بهتر این مبحث مطالعه کتاب شیمی مدرسه و دانشگاه را توصیه می کنیم. اگر این علم را به خوبی می دانید و کتاب های درسی کافی خوانده اید، بهترین گزینه «منابع جریان شیمیایی» نوشته وریپاف است. کل تئوری عملکرد باتری‌ها، باتری‌های مختلف و سلول‌های هیدروژنی در آنجا به تفصیل بیان شده است.

نتیجه گیری

ما به پایان رسیدیم بیایید خلاصه کنیم. در بالا همه چیز مربوط به چنین مفهومی مانند الکترولیت ها را مورد بحث قرار دادیم: مثال ها، نظریه ساختار و خواص، توابع و کاربردها. یک بار دیگر، شایان ذکر است که این ترکیبات بخشی از زندگی ما را تشکیل می دهند که بدون آن بدن ما و همه بخش های صنعت نمی توانند وجود داشته باشند. آیا الکترولیت خون را به خاطر دارید؟ ما به لطف آنها زندگی می کنیم. ماشین های ما چطور؟ با این دانش، می‌توانیم هر مشکلی را که مربوط به باتری باشد برطرف کنیم، زیرا اکنون می‌دانیم که چگونه چگالی الکترولیت را در آن افزایش دهیم.

گفتن همه چیز غیرممکن است و ما چنین هدفی را تعیین نکردیم. از این گذشته، این تمام چیزی نیست که می توان در مورد این مواد شگفت انگیز گفت.