Gli elettroliti come sostanze chimiche sono conosciuti fin dai tempi antichi. Tuttavia, hanno conquistato la maggior parte delle loro aree di applicazione in tempi relativamente recenti. Discuteremo le aree prioritarie per l'industria nell'uso di queste sostanze e capiremo quali sono queste ultime e in che modo differiscono l'una dall' altra. Ma iniziamo con una digressione nella storia.
Cronologia
Gli elettroliti più antichi conosciuti sono sali e acidi scoperti nel mondo antico. Tuttavia, le idee sulla struttura e le proprietà degli elettroliti si sono evolute nel tempo. Le teorie di questi processi si sono evolute dal 1880, quando furono fatte numerose scoperte relative alle teorie sulle proprietà degli elettroliti. Ci sono stati diversi s alti qualitativi nelle teorie che descrivono i meccanismi dell'interazione degli elettroliti con l'acqua (dopotutto, solo in soluzione acquisiscono le proprietà per cui vengono utilizzati nell'industria).
Ora analizzeremo in dettaglio diverse teorie che hanno avuto la maggiore influenza sullo sviluppo delle idee sugli elettroliti e sulle loro proprietà. E cominciamo con la teoria più comune e semplice che ognuno di noi ha preso a scuola.
Teoria di Arrhenius della dissociazione elettrolitica
nel 1887Il chimico svedese Svante Arrhenius e il chimico russo-tedesco Wilhelm Ostwald hanno creato la teoria della dissociazione elettrolitica. Tuttavia, anche qui non è tutto così semplice. Lo stesso Arrhenius era un sostenitore della cosiddetta teoria fisica delle soluzioni, che non teneva conto dell'interazione delle sostanze costituenti con l'acqua e sosteneva che nella soluzione ci fossero particelle cariche libere (ioni). A proposito, è da tali posizioni che la dissociazione elettrolitica è considerata oggi a scuola.
Parliamo ancora di cosa offre questa teoria e come ci spiega il meccanismo di interazione delle sostanze con l'acqua. Come tutti gli altri, ha diversi postulati che usa:
1. Quando interagisce con l'acqua, la sostanza si decompone in ioni (positivo - catione e negativo - anione). Queste particelle subiscono idratazione: attirano le molecole d'acqua, che, tra l' altro, sono caricate positivamente da un lato e caricate negativamente dall' altro (formano un dipolo), di conseguenza, si formano in acqua complessi (solvati).
2. Il processo di dissociazione è reversibile, cioè se la sostanza si è scomposta in ioni, sotto l'influenza di qualsiasi fattore può nuovamente trasformarsi in quella originale.
3. Se colleghi gli elettrodi alla soluzione e avvii una corrente, i cationi inizieranno a muoversi verso l'elettrodo negativo - il catodo e gli anioni verso la carica positiva - l'anodo. Ecco perché le sostanze altamente solubili in acqua conducono l'elettricità meglio dell'acqua stessa. Sono anche chiamati elettroliti per lo stesso motivo.
4. Il grado di dissociazione dell'elettrolita caratterizza la percentuale della sostanza che ha subito la dissoluzione. Questol'indicatore dipende dalle proprietà del solvente e del soluto stesso, dalla concentrazione di quest'ultimo e dalla temperatura esterna.
Qui, infatti, e tutti i postulati di base di questa semplice teoria. Li useremo in questo articolo per descrivere cosa succede in una soluzione elettrolitica. Analizzeremo esempi di questi composti un po' più avanti, ma ora considereremo un' altra teoria.
Teoria di Lewis degli acidi e delle basi
Secondo la teoria della dissociazione elettrolitica, un acido è una sostanza in cui è presente un catione idrogeno e una base è un composto che si decompone in un anione idrossido in soluzione. C'è un' altra teoria che prende il nome dal famoso chimico Gilbert Lewis. Ti permette di espandere in qualche modo il concetto di acido e base. Secondo la teoria di Lewis, gli acidi sono ioni o molecole di una sostanza che hanno orbitali di elettroni liberi e sono in grado di accettare un elettrone da un' altra molecola. È facile intuire che le basi saranno tali particelle in grado di donare uno o più dei loro elettroni all'"uso" dell'acido. È molto interessante qui che non solo un elettrolita, ma anche qualsiasi sostanza, anche insolubile in acqua, può essere un acido o una base.
Teoria protolitica di Brandsted-Lowry
Nel 1923, indipendentemente l'uno dall' altro, due scienziati - J. Bronsted e T. Lowry - proposero una teoria che ora viene utilizzata attivamente dagli scienziati per descrivere i processi chimici. L'essenza di questa teoria è quellala dissociazione si riduce al trasferimento di un protone da un acido a una base. Pertanto, quest'ultimo è qui inteso come un accettore di protoni. Allora l'acido è il loro donatore. La teoria spiega anche bene l'esistenza di sostanze che esibiscono le proprietà sia degli acidi che delle basi. Tali composti sono chiamati anfoteri. Nella teoria di Bronsted-Lowry, per loro viene utilizzato anche il termine anfoliti, mentre gli acidi o le basi sono generalmente chiamati protoliti.
Siamo arrivati alla parte successiva dell'articolo. Qui ti diremo come gli elettroliti forti e deboli differiscono l'uno dall' altro e discuteremo l'influenza di fattori esterni sulle loro proprietà. E poi inizieremo a descrivere la loro applicazione pratica.
Elettroliti forti e deboli
Ogni sostanza interagisce individualmente con l'acqua. Alcuni si sciolgono bene in esso (ad esempio il sale da cucina), mentre altri non si sciolgono affatto (ad esempio il gesso). Pertanto, tutte le sostanze sono divise in elettroliti forti e deboli. Queste ultime sono sostanze che interagiscono male con l'acqua e si depositano sul fondo della soluzione. Ciò significa che hanno un grado di dissociazione molto basso e un'elevata energia di legame, che in condizioni normali non consente alla molecola di decomporsi nei suoi ioni costituenti. La dissociazione degli elettroliti deboli avviene molto lentamente o con un aumento della temperatura e della concentrazione di questa sostanza in soluzione.
Parliamo di elettroliti forti. Questi includono tutti i sali solubili, nonché acidi e alcali forti. Si rompono facilmente in ioni ed è molto difficile raccoglierli nelle precipitazioni. La corrente negli elettroliti, tra l' altro, è condottaproprio a causa degli ioni contenuti nella soluzione. Pertanto, gli elettroliti forti conducono la corrente meglio di tutti. Esempi di questi ultimi: acidi forti, alcali, sali solubili.
Fattori che influenzano il comportamento degli elettroliti
Ora scopriamo come i cambiamenti nell'ambiente esterno influiscono sulle proprietà delle sostanze. La concentrazione influisce direttamente sul grado di dissociazione dell'elettrolito. Inoltre, questo rapporto può essere espresso matematicamente. La legge che descrive questa relazione è chiamata legge di diluizione di Ostwald ed è scritta come segue: a=(K / c)1/2. Qui a è il grado di dissociazione (preso in frazioni), K è la costante di dissociazione, che è diversa per ciascuna sostanza, e c è la concentrazione dell'elettrolita nella soluzione. Con questa formula, puoi imparare molto sulla sostanza e sul suo comportamento in soluzione.
Ma divaghiamo. Oltre alla concentrazione, il grado di dissociazione è influenzato anche dalla temperatura dell'elettrolita. Per la maggior parte delle sostanze, aumentandolo aumenta la solubilità e la reattività. Questo può spiegare il verificarsi di alcune reazioni solo a temperature elevate. In condizioni normali, vanno o molto lentamente, o in entrambe le direzioni (tale processo è detto reversibile).
Abbiamo analizzato i fattori che determinano il comportamento di un sistema come una soluzione elettrolitica. Passiamo ora all'applicazione pratica di queste sostanze chimiche, senza dubbio molto importanti.
Uso industriale
Certo, tutti hanno sentito la parola "elettrolita"in relazione alle batterie. L'auto utilizza batterie al piombo, l'elettrolito in cui è il 40% di acido solforico. Per capire perché questa sostanza è necessaria lì, vale la pena capire le caratteristiche delle batterie.
Quindi qual è il principio di ogni batteria? In essi si verifica una reazione reversibile della trasformazione di una sostanza in un' altra, a seguito della quale vengono rilasciati elettroni. Quando la batteria è carica, si verifica un'interazione di sostanze, che non si ottiene in condizioni normali. Questo può essere rappresentato come l'accumulo di elettricità in una sostanza come risultato di una reazione chimica. Quando inizia la scarica, inizia la trasformazione inversa, che porta il sistema allo stato iniziale. Questi due processi insieme costituiscono un ciclo di carica-scarica.
Consideriamo il processo di cui sopra su un esempio specifico: una batteria al piombo. Come puoi immaginare, questa fonte di corrente è costituita da un elemento contenente piombo (oltre al biossido di piombo PbO2) e acido. Qualsiasi batteria è composta da elettrodi e lo spazio tra di loro, riempito solo di elettrolita. Come ultimo, come abbiamo già scoperto, nel nostro esempio, l'acido solforico viene utilizzato a una concentrazione del 40 percento. Il catodo di una tale batteria è fatto di biossido di piombo e l'anodo è fatto di piombo puro. Tutto questo perché su questi due elettrodi si verificano diverse reazioni reversibili con la partecipazione di ioni in cui l'acido si è dissociato:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(reazione che si verifica all'elettrodo negativo - catodo).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Reazione all'elettrodo positivo - anodo).
Se leggiamo le reazioni da sinistra a destra, otteniamo i processi che si verificano quando la batteria è scarica e, se da destra a sinistra, durante la ricarica. In ciascuna sorgente di corrente chimica queste reazioni sono diverse, ma il meccanismo del loro verificarsi è generalmente descritto allo stesso modo: si verificano due processi, in uno dei quali gli elettroni vengono "assorbiti", e nell' altro, al contrario, " partire". La cosa più importante è che il numero di elettroni assorbiti sia uguale al numero di quelli emessi.
In re altà, oltre alle batterie, ci sono molte applicazioni di queste sostanze. In generale, gli elettroliti, di cui abbiamo fornito degli esempi, sono solo un granello della varietà di sostanze che vengono combinate sotto questo termine. Ci circondano ovunque, ovunque. Prendi, ad esempio, il corpo umano. Pensi che queste sostanze non ci siano? Ti sbagli di grosso. Sono ovunque in noi e la quantità maggiore sono gli elettroliti nel sangue. Questi includono, ad esempio, gli ioni di ferro, che fanno parte dell'emoglobina e aiutano a trasportare l'ossigeno ai tessuti del nostro corpo. Gli elettroliti nel sangue svolgono anche un ruolo chiave nella regolazione dell'equilibrio sale-acqua e della funzione cardiaca. Questa funzione è svolta dagli ioni potassio e sodio (c'è anche un processo che si verifica nelle cellule, chiamato pompa potassio-sodio).
Qualsiasi sostanza che puoi dissolvere anche solo un po' è elettrolita. E non esiste un'industria del genere e la nostra vita con te, dovequalunque essi siano applicati. Non si tratta solo di batterie per auto e batterie. Questa è qualsiasi produzione chimica e alimentare, impianti militari, fabbriche di abbigliamento e così via.
La composizione dell'elettrolita, tra l' altro, è diversa. Quindi, è possibile distinguere l'elettrolita acido e alcalino. Differiscono fondamentalmente nelle loro proprietà: come abbiamo già detto, gli acidi sono donatori di protoni e gli alcali sono accettori. Ma nel tempo, la composizione dell'elettrolita cambia a causa della perdita di parte della sostanza, la concentrazione diminuisce o aumenta (tutto dipende da cosa si perde, acqua o elettrolita).
Li incontriamo ogni giorno, ma poche persone conoscono esattamente la definizione di un termine come elettroliti. Abbiamo trattato esempi di sostanze specifiche, quindi passiamo a concetti un po' più complessi.
Proprietà fisiche degli elettroliti
Ora sulla fisica. La cosa più importante da capire quando si studia questo argomento è come la corrente viene trasmessa negli elettroliti. Gli ioni giocano un ruolo decisivo in questo. Queste particelle cariche possono trasferire la carica da una parte all' altra della soluzione. Quindi, gli anioni tendono sempre all'elettrodo positivo e i cationi al negativo. Quindi, agendo sulla soluzione con una corrente elettrica, separiamo le cariche sui diversi lati del sistema.
Molto interessante è una caratteristica fisica come la densità. Molte proprietà dei composti di cui stiamo parlando dipendono da esso. E spesso si pone la domanda: "Come aumentare la densità dell'elettrolita?" In effetti, la risposta è semplice: è necessario eseguire il downgrade del contenutoacqua in soluzione. Poiché la densità dell'elettrolita è in gran parte determinata dalla densità dell'acido solforico, dipende in gran parte dalla concentrazione di quest'ultimo. Ci sono due modi per realizzare il piano. Il primo è abbastanza semplice: far bollire l'elettrolito contenuto nella batteria. Per fare ciò, è necessario caricarlo in modo che la temperatura interna superi leggermente i cento gradi Celsius. Se questo metodo non aiuta, non ti preoccupare, ce n'è un altro: sostituisci semplicemente il vecchio elettrolita con uno nuovo. Per fare ciò, scolare la vecchia soluzione, pulire l'interno dai residui di acido solforico con acqua distillata, quindi versare una nuova porzione. Di norma, le soluzioni elettrolitiche di alta qualità hanno immediatamente la concentrazione desiderata. Dopo la sostituzione, puoi dimenticare a lungo come aumentare la densità dell'elettrolita.
La composizione dell'elettrolita determina in gran parte le sue proprietà. Caratteristiche come la conduttività elettrica e la densità, ad esempio, dipendono fortemente dalla natura del soluto e dalla sua concentrazione. C'è una domanda separata su quanto elettrolito può essere nella batteria. Infatti il suo volume è direttamente correlato alla potenza dichiarata del prodotto. Più acido solforico all'interno della batteria, più potente è, cioè più tensione può produrre.
Dove ti torna utile?
Se sei un appassionato di auto o semplicemente un appassionato di auto, allora tu stesso capisci tutto. Sicuramente sai anche come determinare la quantità di elettrolita nella batteria ora. E se sei lontano dalle auto, allora la conoscenzale proprietà di queste sostanze, le loro applicazioni e il modo in cui interagiscono tra loro non saranno affatto superflue. Sapendo questo, non rimarrai perdente se ti viene chiesto di dire quale elettrolita è nella batteria. Sebbene anche se non sei un appassionato di auto, ma hai un'auto, conoscere il dispositivo a batteria non sarà affatto superfluo e ti aiuterà con le riparazioni. Sarà molto più facile ed economico fare tutto da soli che andare al centro auto.
E per approfondire meglio questo argomento, ti consigliamo di leggere un libro di chimica per scuole e università. Se conosci bene questa scienza e hai letto abbastanza libri di testo, "Fonti di corrente chimica" di Varypaev sarebbe l'opzione migliore. Delinea in dettaglio l'intera teoria del funzionamento di batterie, batterie varie e celle a idrogeno.
Conclusione
Siamo giunti alla fine. Riassumiamo. Sopra, abbiamo analizzato tutto ciò che riguarda un concetto come gli elettroliti: esempi, teoria della struttura e delle proprietà, funzioni e applicazioni. Ancora una volta vale la pena dire che questi composti fanno parte della nostra vita, senza i quali il nostro corpo e tutti i settori dell'industria non potrebbero esistere. Ricordi gli elettroliti nel sangue? Grazie a loro viviamo. E le nostre auto? Con questa conoscenza, saremo in grado di risolvere qualsiasi problema relativo alla batteria, poiché ora capiamo come aumentare la densità dell'elettrolito in essa contenuto.
È impossibile dire tutto e non ci siamo prefissati un obiettivo del genere. Dopotutto, questo non è tutto ciò che si può dire su queste stupefacenti sostanze.
