Электролитийг химийн бодис гэдэг нь эрт дээр үеэс мэдэгдэж ирсэн. Гэсэн хэдий ч тэд харьцангуй саяхан хэрэглээнийхээ ихэнх хэсгийг эзэлсэн. Бид эдгээр бодисыг ашиглах үйлдвэрлэлийн хамгийн тэргүүлэх чиглэлүүдийн талаар ярилцаж, сүүлийнх нь юу болох, бие биенээсээ юугаараа ялгаатай болохыг олж мэдэх болно. Гэхдээ түүхийг ухрааж эхэлцгээе.
Түүх
Мэдэгдэж байгаа хамгийн эртний электролит нь эртний ертөнцөд олдсон давс, хүчил юм. Гэсэн хэдий ч электролитийн бүтэц, шинж чанарын талаархи санаанууд цаг хугацааны явцад бий болсон. Эдгээр үйл явцын онолууд 1880-аад оноос электролитийн шинж чанарын онолуудтай холбоотой хэд хэдэн нээлт хийснээс хойш хөгжиж ирсэн. Электролитийн устай харилцан үйлчлэх механизмыг тодорхойлсон онолуудад чанарын хэд хэдэн үсрэлтүүд гарсан (эцсийн эцэст тэдгээр нь зөвхөн уусмалд л үйлдвэрлэлд ашиглагдах шинж чанарыг олж авдаг).
Одоо бид электролит ба тэдгээрийн шинж чанарын талаархи санаа бодлыг хөгжүүлэхэд хамгийн их нөлөө үзүүлсэн хэд хэдэн онолыг нарийвчлан шинжлэх болно. Бидний хүн нэг бүрийн сургуульд сурч байсан хамгийн нийтлэг бөгөөд энгийн онолоос эхэлцгээе.
Аррениус электролитийн диссоциацийн онол
1887 ондШведийн химич Сванте Аррениус, Орос-Германы химич Вильгельм Оствальд нар электролитийн диссоциацийн онолыг бүтээжээ. Гэсэн хэдий ч энд бүх зүйл тийм ч энгийн биш юм. Аррениус өөрөө уусмалын физикийн онол гэгчийг дэмжигч байсан бөгөөд найрлага дахь бодисуудын устай харилцан үйлчлэлийг тооцдоггүй бөгөөд уусмалд чөлөөт цэнэгтэй хэсгүүд (ионууд) байдаг гэж үздэг. Дашрамд хэлэхэд, өнөөдөр сургууль дээр электролитийн диссоциацийг ийм байр сууринаас авч үздэг.
Энэ онол нь юу өгч, бодисуудын устай харилцан үйлчлэх механизмыг бидэнд хэрхэн тайлбарлаж байгаа талаар ярилцъя. Бусад хүмүүсийн нэгэн адил тэрээр өөрийн ашигладаг хэд хэдэн постулаттай:
1. Устай харилцан үйлчлэхэд бодис нь ион (эерэг - катион ба сөрөг - анион) болж задардаг. Эдгээр тоосонцор нь усжилтад ордог: нэг талдаа эерэг цэнэгтэй, нөгөө талдаа сөрөг цэнэгтэй (диполь үүсгэдэг) усны молекулуудыг өөртөө татдаг бөгөөд үүний үр дүнд усны цогцолбор (солват) үүсгэдэг.
2. Диссоциацийн үйл явц нь буцаах боломжтой, өөрөөр хэлбэл, хэрэв бодис ион болж задарвал аливаа хүчин зүйлийн нөлөөн дор дахин анхны хэлбэрт шилжиж болно.
3. Хэрэв та электродуудыг уусмал руу холбож, гүйдэл үүсгэвэл катионууд сөрөг электрод - катод, анионууд эерэг цэнэгтэй - анод руу шилжиж эхэлнэ. Тийм ч учраас усанд маш сайн уусдаг бодис нь уснаас илүү цахилгааныг дамжуулдаг. Үүнтэй ижил шалтгаанаар тэдгээрийг электролит гэж нэрлэдэг.
4. Электролитийн диссоциацийн зэрэг нь ууссан бодисын хувийг тодорхойлдог. Энэиндикатор нь уусгагч ба ууссан бодисын шинж чанар, түүний концентраци болон гадаад температураас хамаарна.
Үнэндээ энэ энгийн онолын бүх үндсэн постулатуудыг энд оруулав. Электролитийн уусмалд юу тохиолддогийг тайлбарлахын тулд бид энэ нийтлэлд тэдгээрийг ашиглах болно. Бид эдгээр нэгдлүүдийн жишээг хэсэг хугацааны дараа шинжлэх болно, гэхдээ одоо бид өөр онолыг авч үзэх болно.
Льюисийн хүчил ба суурийн онол
Электролитийн диссоциацийн онолын дагуу устөрөгчийн катион агуулагдах бодисыг хүчил, уусмал дахь гидроксидын анион болж задардаг нэгдлийг суурь гэнэ. Нэрт химич Гилберт Льюисийн нэрээр нэрлэгдсэн өөр нэг онол бий. Энэ нь хүчил ба суурь гэсэн ойлголтыг тодорхой хэмжээгээр өргөжүүлэх боломжийг танд олгоно. Льюисийн онолоор хүчил нь чөлөөт электрон орбиталтай, өөр молекулаас электрон хүлээн авах чадвартай бодисын ион буюу молекулууд юм. Суурь нь нэг буюу хэд хэдэн электроноо хүчил "ашиглахад" өгөх чадвартай ийм бөөмс байх болно гэдгийг таахад хялбар байдаг. Энд зөвхөн электролит төдийгүй аливаа бодис, тэр ч байтугай усанд уусдаггүй, хүчил, суурь байж болох нь маш сонирхолтой юм.
Брендстед-Лоури протолит онол
1923 онд бие биенээсээ үл хамааран Ж. Бронстед, Т. Лоури гэсэн хоёр эрдэмтэн онолыг дэвшүүлж, одоо эрдэмтэд химийн процессыг тодорхойлоход идэвхтэй ашиглаж байна. Энэ онолын мөн чанар нь үүнд оршинодиссоциаци нь протоныг хүчилээс суурь руу шилжүүлэх хүртэл буурдаг. Тиймээс сүүлийнх нь энд протон хүлээн авагч гэж ойлгогддог. Дараа нь хүчил нь тэдний хандивлагч юм. Энэ онол нь хүчил ба суурийн аль алиных нь шинж чанарыг харуулдаг бодисууд байдгийг сайн тайлбарладаг. Ийм нэгдлүүдийг амфотер гэж нэрлэдэг. Бронстед-Лоуригийн онолд амфолит гэсэн нэр томъёог бас ашигладаг бол хүчил эсвэл суурийг ихэвчлэн протолит гэж нэрлэдэг.
Бид нийтлэлийн дараагийн хэсэгт ирлээ. Энд бид хүчтэй ба сул электролитууд бие биенээсээ хэрхэн ялгаатай болохыг хэлж, тэдгээрийн шинж чанарт гадны хүчин зүйлсийн нөлөөллийн талаар ярилцах болно. Дараа нь бид тэдгээрийн практик хэрэглээг тайлбарлаж эхэлнэ.
Хүчтэй ба сул электролитууд
Бодис бүр устай тус тусдаа харилцан үйлчилдэг. Зарим нь сайн уусдаг (жишээлбэл, хоолны давс), зарим нь огт уусдаггүй (жишээлбэл, шохой). Тиймээс бүх бодисыг хүчтэй ба сул электролит гэж хуваадаг. Сүүлийнх нь устай муу харилцан үйлчилж, уусмалын ёроолд суурьшдаг бодисууд юм. Энэ нь тэдгээр нь маш бага диссоциацийн зэрэгтэй, өндөр холболтын энергитэй байдаг бөгөөд энэ нь хэвийн нөхцөлд молекулыг бүрдүүлэгч ион болгон задлахыг зөвшөөрдөггүй. Сул электролитийн диссоциаци нь маш удаан эсвэл уусмал дахь энэ бодисын концентраци болон температурын өсөлтөөр явагддаг.
Хүчтэй электролитийн талаар ярилцъя. Эдгээрт бүх уусдаг давсууд, түүнчлэн хүчтэй хүчил, шүлтүүд орно. Тэд ионуудад амархан задардаг бөгөөд хур тунадасны үед тэдгээрийг цуглуулахад маш хэцүү байдаг. Дашрамд хэлэхэд электролит дахь гүйдэл дамждагнарийн учир нь уусмалд агуулагдах ионууд. Тиймээс хүчтэй электролит нь гүйдлийг хамгийн сайн дамжуулдаг. Сүүлийнхүүдийн жишээ: хүчтэй хүчил, шүлт, уусдаг давс.
Электролитийн төлөв байдалд нөлөөлдөг хүчин зүйлс
Одоо гадаад орчны өөрчлөлт нь бодисын шинж чанарт хэрхэн нөлөөлж байгааг олж мэдье. Концентраци нь электролитийн диссоциацийн зэрэгт шууд нөлөөлдөг. Түүнээс гадна энэ харьцааг математик хэлбэрээр илэрхийлж болно. Энэ хамаарлыг тодорхойлсон хуулийг Оствальд шингэрүүлэлтийн хууль гэж нэрлэдэг бөгөөд дараах байдлаар бичигдсэн: a=(K / c)1/2. Энд a нь диссоциацийн зэрэг (бутархайгаар авсан), K нь бодис тус бүрт өөр өөр байдаг диссоциацийн тогтмол, c нь уусмал дахь электролитийн концентраци юм. Энэ томъёогоор та бодис болон уусмал дахь түүний үйл ажиллагааны талаар ихийг мэдэж болно.
Гэхдээ бид ухарч байна. Концентрациас гадна диссоциацийн зэрэг нь электролитийн температурт нөлөөлдөг. Ихэнх бодисын хувьд үүнийг нэмэгдүүлэх нь уусах чадвар, урвалыг нэмэгдүүлдэг. Энэ нь зөвхөн өндөр температурт зарим урвал явагдахыг тайлбарлаж болно. Хэвийн нөхцөлд тэд маш удаан эсвэл хоёр чиглэлд (ийм үйл явцыг урвуу гэж нэрлэдэг) явдаг.
Бид электролитийн уусмал гэх мэт системийн үйл ажиллагааг тодорхойлдог хүчин зүйлсэд дүн шинжилгээ хийсэн. Одоо эдгээр маш чухал химийн бодисуудын практик хэрэглээ рүү шилжье.
Үйлдвэрийн хэрэглээ
Мэдээж хүн бүр "электролит" гэдэг үгийг сонссон байх.батерейтай холбоотой. Машин нь хар тугалганы хүчлийн батерейг ашигладаг бөгөөд электролит нь 40% хүхрийн хүчил юм. Энэ бодис яагаад тэнд хэрэгтэй байгааг ойлгохын тулд батерейны онцлогийг ойлгох нь зүйтэй.
Тэгвэл аливаа батерейны зарчим юу вэ? Тэдгээрийн дотор нэг бодисыг нөгөө бодис болгон хувиргах урвуу урвал явагддаг бөгөөд үүний үр дүнд электронууд ялгардаг. Зайг цэнэглэх үед бодисын харилцан үйлчлэл явагддаг бөгөөд энэ нь ердийн нөхцөлд олж авдаггүй. Үүнийг химийн урвалын үр дүнд бодис дахь цахилгаан хуримтлал гэж илэрхийлж болно. Цэнэглэж эхлэхэд урвуу хувирал эхэлж, системийг анхны төлөв рүү хөтөлдөг. Эдгээр хоёр процесс нь нийлээд нэг цэнэглэх-цэнэглэх циклийг бүрдүүлдэг.
Дээрх үйл явцыг хар тугалганы хүчлийн батерейны тодорхой жишээн дээр авч үзье. Таны таамаглаж байгаачлан энэхүү одоогийн эх үүсвэр нь хар тугалга (мөн хар тугалганы давхар исэл PbO2) болон хүчил агуулсан элементээс бүрдэнэ. Аливаа батерей нь электродууд ба тэдгээрийн хоорондох зайг зөвхөн электролитээр дүүргэдэг. Сүүлчийн хувьд, бидний олж мэдсэнээр бидний жишээн дээр хүхрийн хүчлийг 40 хувийн концентрацид ашигладаг. Ийм батерейны катод нь хар тугалганы давхар ислээр, харин анод нь цэвэр хар тугалгаар хийгдсэн байдаг. Энэ бүхэн нь хүчил задарсан ионуудын оролцоотойгоор эдгээр хоёр электрод дээр өөр өөр урвуу урвал явагддагтай холбоотой юм:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(сөрөг электрод - катод дээр үүсэх урвал).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Эерэг электрод дахь урвал - анод).
Хэрэв бид зүүнээс баруун тийш урвалыг уншвал зай цэнэггүй болох үед, баруунаас зүүн тийш бол цэнэглэх үед тохиолддог процессуудыг олж авна. Химийн гүйдлийн эх үүсвэр бүрт эдгээр урвалууд өөр өөр байдаг боловч тэдгээрийн үүсэх механизмыг ерөнхийд нь ижил аргаар тайлбарладаг: хоёр процесс явагддаг бөгөөд тэдгээрийн аль нэгэнд нь электронууд "шингэдэг", нөгөө нь эсрэгээрээ "шингээдэг". орхих". Хамгийн гол нь шингэсэн электронуудын тоо нь ялгаруулж буй электронуудын тоотой тэнцүү байна.
Үнэндээ батерейгаас гадна эдгээр бодисыг хэрэглэх олон зүйл бий. Ерөнхийдөө бидний жишээ болгон электролитууд нь энэ нэр томъёоны дор нэгтгэгдсэн олон төрлийн бодисын үр тариа юм. Тэд биднийг хаа сайгүй, хаа сайгүй хүрээлж байдаг. Жишээлбэл, хүний биеийг авч үзье. Эдгээр бодисууд тэнд байхгүй гэж та бодож байна уу? Та маш их андуурч байна. Тэд бидний хаа сайгүй байдаг бөгөөд хамгийн их хэмжээ нь цусны электролит юм. Тухайлбал, гемоглобины нэг хэсэг болох төмрийн ионууд нь бидний биеийн эд эсэд хүчилтөрөгч тээвэрлэхэд тусалдаг. Цусан дахь электролит нь усны давсны тэнцвэр, зүрхний үйл ажиллагааг зохицуулахад чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Энэ үүргийг кали, натрийн ионууд гүйцэтгэдэг (бүр эсэд тохиолддог процесс байдаг бөгөөд үүнийг кали-натрийн шахуурга гэж нэрлэдэг).
Бага ч гэсэн уусгах ямар ч бодис бол электролит юм. Ийм салбар, бидний амьдрал чамтай хамт байхгүй, хаанаТэд ямар ч хамаагүй. Энэ нь зөвхөн автомашины батерей, батерей биш юм. Энэ бол химийн болон хүнсний үйлдвэрлэл, цэргийн үйлдвэр, хувцасны үйлдвэр гэх мэт.
Электролитийн найрлага нь өөр. Тиймээс хүчиллэг ба шүлтлэг электролитийг ялгах боломжтой. Тэд шинж чанараараа үндсэндээ ялгаатай: бидний хэлсэнчлэн хүчил нь протоны донор, шүлтлэг нь хүлээн авагч юм. Гэвч цаг хугацаа өнгөрөхөд электролитийн найрлага нь тухайн бодисын нэг хэсэг алдагдсанаас болж өөрчлөгдөж, концентраци нь буурч эсвэл нэмэгддэг (энэ нь юу алдсанаас, ус эсвэл электролитээс хамаарна).
Бид тэдэнтэй өдөр бүр тулгардаг ч электролит гэх нэр томъёоны яг тодорхой тодорхойлолтыг цөөхөн хүн мэддэг. Бид тодорхой бодисуудын жишээг авч үзсэн тул арай илүү төвөгтэй ойлголт руу шилжье.
Электролитийн физик шинж чанар
Одоо физикийн тухай. Энэ сэдвийг судлахдаа ойлгох ёстой хамгийн чухал зүйл бол электролит дэх гүйдэл хэрхэн дамждаг вэ? Үүнд ионууд шийдвэрлэх үүрэг гүйцэтгэдэг. Эдгээр цэнэглэгдсэн хэсгүүд нь уусмалын нэг хэсгээс нөгөөд цэнэгийг шилжүүлж чаддаг. Тиймээс анионууд үргэлж эерэг электрод руу, катионууд нь сөрөг тал руу чиглэдэг. Тиймээс бид цахилгаан гүйдэл бүхий уусмал дээр ажиллаж, системийн өөр өөр талуудын цэнэгийг ялгадаг.
Маш сонирхолтой нь нягтрал гэх мэт физик шинж чанар юм. Бидний хэлэлцэж буй нэгдлүүдийн олон шинж чанар нь үүнээс хамаардаг. Мөн асуулт ихэвчлэн гарч ирдэг: "Электролитийн нягтыг хэрхэн нэмэгдүүлэх вэ?" Үнэн хэрэгтээ хариулт нь энгийн: та агуулгыг бууруулах хэрэгтэйуусмал дахь ус. Электролитийн нягт нь хүхрийн хүчлийн нягтралаас ихээхэн хамаардаг тул сүүлийнх нь концентрациас ихээхэн хамаардаг. Төлөвлөгөөг хэрэгжүүлэх хоёр арга бий. Эхнийх нь маш энгийн: зайнд агуулагдах электролитийг буцалгана. Үүнийг хийхийн тулд доторх температур цельсийн зуун хэмээс бага зэрэг нэмэгдэхийн тулд та үүнийг цэнэглэх хэрэгтэй. Хэрэв энэ арга нь тус болохгүй бол санаа зовох хэрэггүй, өөр нэг зүйл бий: зүгээр л хуучин электролитийг шинээр солино. Үүнийг хийхийн тулд хуучин уусмалыг зайлуулж, нэрмэл усаар хүхрийн хүчлийн үлдэгдлийн дотор талыг цэвэрлэж, дараа нь шинэ хэсгийг хийнэ. Дүрмээр бол өндөр чанартай электролитийн уусмал нь хүссэн концентрацийг нэн даруй авдаг. Солигдсоны дараа та электролитийн нягтыг хэрхэн нэмэгдүүлэх талаар удаан мартаж болно.
Электролитийн найрлага нь түүний шинж чанарыг ихээхэн тодорхойлдог. Жишээлбэл, цахилгаан дамжуулах чанар, нягтрал зэрэг шинж чанарууд нь ууссан бодисын шинж чанар, түүний концентрацаас ихээхэн хамаардаг. Батерейнд хэр их электролит байж болох талаар тусдаа асуулт байна. Үнэн хэрэгтээ түүний эзэлхүүн нь бүтээгдэхүүний зарласан хүчнээс шууд хамаардаг. Батерей дотор хүхрийн хүчил их байх тусам илүү хүчтэй, өөрөөр хэлбэл илүү их хүчдэл үүсгэж чадна.
Энэ нь хаана хэрэгтэй вэ?
Хэрэв та машин сонирхогч эсвэл зүгээр л машинд дуртай бол та өөрөө бүгдийг ойлгодог. Та одоо батерейнд хэр их электролит байгааг хэрхэн тодорхойлохоо мэдэж байгаа нь лавтай. Хэрэв та машинаас хол байгаа бол мэдлэгЭдгээр бодисын шинж чанар, тэдгээрийн хэрэглээ, бие биетэйгээ хэрхэн харьцах нь хэт их байх болно. Үүнийг мэдэж байгаа тул батерейнд аль электролит байгааг хэлэхийг хүсэхэд та алдахгүй. Хэдийгээр та машин сонирхогч биш ч гэсэн машинтай байсан ч батерейны төхөөрөмжийг мэдэх нь илүү их зүйл биш бөгөөд засвар хийхэд тань туслах болно. Бүх зүйлийг өөрөө хийх нь авто төв рүү явахаас хамаагүй хялбар бөгөөд хямд байх болно.
Мөн энэ сэдвийг илүү сайн судлахын тулд сургууль, их дээд сургуулиудад зориулсан химийн сурах бичгийг уншихыг зөвлөж байна. Хэрэв та энэ шинжлэх ухааныг сайн мэддэг, хангалттай сурах бичиг уншсан бол Варыпаевын "Химийн гүйдлийн эх сурвалжууд" нь хамгийн сайн сонголт байх болно. Энэ нь батерей, төрөл бүрийн батерей, устөрөгчийн эсийн үйл ажиллагааны онолыг бүхэлд нь нарийвчлан тодорхойлсон.
Дүгнэлт
Бид төгсгөлдөө ирлээ. Дүгнэж хэлье. Дээр бид электролит гэх мэт ойлголттой холбоотой бүх зүйлийг шинжилсэн: жишээ, бүтэц, шинж чанарын онол, функц, хэрэглээ. Эдгээр нэгдлүүд нь бидний амьдралын нэг хэсэг бөгөөд үүнгүйгээр бидний бие махбодь, үйлдвэрлэлийн бүх салбар оршин тогтнох боломжгүй гэдгийг дахин хэлэх нь зүйтэй болов уу. Та цусны электролитийг санаж байна уу? Тэдний ачаар бид амьдарч байна. Манай машинууд яах вэ? Энэхүү мэдлэгээр бид батарейтай холбоотой аливаа асуудлыг шийдэж чадна, учир нь одоо бид түүний доторх электролитийн нягтыг хэрхэн нэмэгдүүлэх талаар ойлгож байна.
Бүхнийг хэлэх боломжгүй, бид ийм зорилго тавиагүй. Эцсийн эцэст, эдгээр гайхалтай бодисуудын талаар үүнийг хэлж болохгүй.
