Elektrolitlar kimyoviy moddalar sifatida qadim zamonlardan beri ma'lum. Biroq, ular nisbatan yaqinda o'zlarining qo'llash sohalarining ko'pini zabt etishdi. Biz sanoat uchun ushbu moddalardan foydalanishning eng ustuvor yo'nalishlarini muhokama qilamiz va ular nima ekanligini va ular bir-biridan qanday farq qilishini aniqlaymiz. Ammo keling, tarixga chuqur kirib borishdan boshlaylik.
Tarix
Eng qadimgi ma'lum elektrolitlar qadimgi dunyoda topilgan tuzlar va kislotalardir. Biroq, elektrolitlarning tuzilishi va xususiyatlari haqidagi g'oyalar vaqt o'tishi bilan rivojlandi. Ushbu jarayonlarning nazariyalari 1880-yillardan boshlab, elektrolitlar xossalari nazariyalari bilan bog'liq bir qator kashfiyotlar qilingan paytdan boshlab rivojlandi. Elektrolitlarning suv bilan o'zaro ta'sir qilish mexanizmlarini tavsiflovchi nazariyalarda bir nechta sifatli sakrashlar bo'ldi (axir, ular faqat eritmada sanoatda qo'llaniladigan xususiyatlarga ega bo'ladi).
Endi biz elektrolitlar va ularning xossalari haqidagi g'oyalarning rivojlanishiga eng katta ta'sir ko'rsatgan bir nechta nazariyalarni batafsil tahlil qilamiz. Keling, har birimiz maktabda olgan eng keng tarqalgan va oddiy nazariyadan boshlaylik.
Arreniyning elektrolitik dissotsiatsiya nazariyasi
1887 yildaShved kimyogari Svante Arrhenius va rus-german kimyogari Vilgelm Ostvald elektrolitik dissotsilanish nazariyasini yaratdilar. Biroq, bu erda ham hamma narsa oddiy emas. Arreniusning o'zi eritmalarning fizik nazariyasi tarafdori bo'lib, u tarkibiy moddalarning suv bilan o'zaro ta'sirini hisobga olmagan va eritmada erkin zaryadlangan zarralar (ionlar) mavjudligini ta'kidlagan. Aytgancha, bugungi kunda maktabda elektrolitik dissotsiatsiya aynan shunday pozitsiyalardan ko'rib chiqiladi.
Keling, bu nazariya nima beradi va u bizga moddalarning suv bilan o'zaro ta'sir qilish mexanizmini qanday tushuntiradi. Boshqalar singari, u ham foydalanadigan bir nechta postulatlarga ega:
1. Suv bilan o'zaro ta'sirlashganda, modda ionlarga (musbat - kation va manfiy - anion) parchalanadi. Bu zarralar hidratsiyaga uchraydi: ular suv molekulalarini o'ziga tortadi, aytmoqchi, ular bir tomondan musbat zaryadlangan, ikkinchi tomondan manfiy zaryadlangan (dipol hosil qiladi), natijada ular akvakomplekslarga (solvatlarga) aylanadi.
2. Dissotsilanish jarayoni teskari bo'ladi - ya'ni modda ionlarga bo'linib ketgan bo'lsa, har qanday omillar ta'sirida u yana asl holiga aylanishi mumkin.
3. Agar siz elektrodlarni eritmaga ulab, oqimni boshlasangiz, u holda kationlar manfiy elektrodga - katodga, anionlar esa musbat zaryadlangan - anodga qarab harakatlana boshlaydi. Shuning uchun suvda yaxshi eriydigan moddalar elektr tokini suvning o'ziga qaraganda yaxshiroq o'tkazadi. Xuddi shu sababga ko'ra ular elektrolitlar deb ham ataladi.
4. Elektrolitning dissotsilanish darajasi moddaning erigan foizini tavsiflaydi. Buindikator erituvchi va erigan moddaning o'ziga xos xususiyatlariga, ikkinchisining konsentratsiyasiga va tashqi haroratga bog'liq.
Bu erda, aslida va bu oddiy nazariyaning barcha asosiy postulatlari. Elektrolitlar eritmasida nima sodir bo'lishini tasvirlash uchun biz ushbu maqolada ulardan foydalanamiz. Biz bu birikmalarning misollarini birozdan keyin tahlil qilamiz, ammo endi boshqa nazariyani ko'rib chiqamiz.
Lyuisning kislotalar va asoslar nazariyasi
Elektrolitik dissotsilanish nazariyasiga ko’ra kislota vodorod kationi bo’lgan moddaga, asos esa eritmada gidroksid anioniga parchalanadigan birikmaga aytiladi. Mashhur kimyogar Gilbert Lyuis nomi bilan atalgan yana bir nazariya mavjud. Bu sizga kislota va asos tushunchasini biroz kengaytirish imkonini beradi. Lyuis nazariyasiga ko'ra, kislotalar erkin elektron orbitallarga ega bo'lgan va boshqa molekuladan elektronni qabul qila oladigan moddaning ionlari yoki molekulalari. Asoslar o'zlarining bir yoki bir nechta elektronlarini kislotadan "foydalanish" uchun berishga qodir bo'lgan zarralar bo'lishini taxmin qilish oson. Bu yerda nafaqat elektrolit, balki har qanday modda, hatto suvda erimaydigan ham kislota yoki asos bo'lishi juda qiziq.
Brendsted-Lowri protolit nazariyasi
1923 yilda bir-biridan mustaqil ravishda ikki olim - J. Bronsted va T. Louri - kimyoviy jarayonlarni tasvirlash uchun olimlar tomonidan faol foydalaniladigan nazariyani taklif qilishdi. Bu nazariyaning mohiyati shundan iboratdissotsilanish protonning kislotadan asosga o'tishiga kamayadi. Shunday qilib, ikkinchisi bu erda proton qabul qiluvchi sifatida tushuniladi. Keyin kislota ularning donori hisoblanadi. Nazariya, shuningdek, kislotalar va asoslarning xususiyatlarini ko'rsatadigan moddalar mavjudligini yaxshi tushuntiradi. Bunday birikmalar amfoter deyiladi. Bronsted-Lowri nazariyasida ular uchun amfolitlar atamasi ham ishlatiladi, kislotalar yoki asoslar esa odatda protolitlar deb ataladi.
Maqolaning keyingi qismiga yetib keldik. Bu erda biz kuchli va kuchsiz elektrolitlar bir-biridan qanday farq qilishini aytib beramiz va tashqi omillarning ularning xususiyatlariga ta'sirini muhokama qilamiz. Keyin biz ularning amaliy qo‘llanilishini tasvirlashni boshlaymiz.
Kuchli va kuchsiz elektrolitlar
Har bir modda suv bilan alohida ta'sir qiladi. Ba'zilar unda yaxshi eriydi (masalan, osh tuzi), ba'zilari esa umuman erimaydi (masalan, bo'r). Shunday qilib, barcha moddalar kuchli va kuchsiz elektrolitlarga bo'linadi. Ikkinchisi suv bilan yomon ta'sir o'tkazadigan va eritmaning tubiga joylashadigan moddalardir. Bu shuni anglatadiki, ular juda past dissotsiatsiyalanish darajasiga va yuqori bog'lanish energiyasiga ega bo'lib, normal sharoitda molekula tarkibidagi ionlarga parchalanishiga yo'l qo'ymaydi. Kuchsiz elektrolitlarning dissotsiatsiyasi juda sekin yoki harorat va eritmadagi bu moddaning konsentratsiyasining oshishi bilan sodir bo'ladi.
Keling, kuchli elektrolitlar haqida gapiraylik. Bularga barcha eruvchan tuzlar, shuningdek, kuchli kislotalar va ishqorlar kiradi. Ular ionlarga osongina parchalanadi va ularni yog'ingarchilikda to'plash juda qiyin. Aytgancha, elektrolitlardagi oqim o'tkaziladianiq eritma tarkibidagi ionlar tufayli. Shuning uchun kuchli elektrolitlar oqimni eng yaxshi o'tkazadi. Ikkinchisiga misollar: kuchli kislotalar, ishqorlar, eruvchan tuzlar.
Elektrolitlarning harakatiga ta'sir qiluvchi omillar
Endi tashqi muhitdagi oʻzgarishlar moddalarning xossalariga qanday taʼsir qilishini aniqlaymiz. Konsentratsiya elektrolitlar dissotsilanish darajasiga bevosita ta'sir qiladi. Bundan tashqari, bu nisbatni matematik tarzda ifodalash mumkin. Bu munosabatni tavsiflovchi qonun Ostvald suyultirish qonuni deb ataladi va quyidagicha yoziladi: a=(K / c)1/2. Bu yerda a - dissotsilanish darajasi (kasrlarda olinadi), K - har bir modda uchun har xil bo'lgan dissotsilanish konstantasi, c - eritmadagi elektrolitlar konsentratsiyasi. Ushbu formula orqali siz modda va uning eritmadagi harakati haqida ko'p narsalarni bilib olishingiz mumkin.
Lekin biz chetga chiqamiz. Konsentratsiyadan tashqari, dissotsilanish darajasiga elektrolitlar harorati ham ta'sir qiladi. Ko'pgina moddalar uchun uni oshirish eruvchanlik va reaktivlikni oshiradi. Bu ba'zi reaktsiyalarning faqat yuqori haroratda sodir bo'lishini tushuntirishi mumkin. Oddiy sharoitlarda ular juda sekin yoki ikkala yo'nalishda ham harakatlanadi (bunday jarayon teskari deb ataladi).
Biz elektrolit eritmasi kabi tizimning harakatini belgilovchi omillarni tahlil qildik. Endi bu, shubhasiz, juda muhim kimyoviy moddalarning amaliy qo'llanilishiga o'tamiz.
Sanoatda foydalanish
Albatta, hamma "elektrolit" so'zini eshitgan.batareyalarga nisbatan. Avtomobil qo'rg'oshin kislotali akkumulyatorlardan foydalanadi, elektrolitlari 40% sulfat kislotadan iborat. Nima uchun bu moddaga umuman ehtiyoj borligini tushunish uchun batareyalarning xususiyatlarini tushunish kerak.
Xo'sh, har qanday batareyaning printsipi nima? Ularda bir moddaning boshqasiga aylanishining teskari reaktsiyasi sodir bo'ladi, buning natijasida elektronlar chiqariladi. Batareya zaryadlanganda moddalarning o'zaro ta'siri sodir bo'ladi, bu normal sharoitda olinmaydi. Bu kimyoviy reaksiya natijasida moddada elektr to'planishi sifatida ifodalanishi mumkin. Chiqarish boshlanganda, tizimni dastlabki holatga olib keladigan teskari transformatsiya boshlanadi. Bu ikki jarayon birgalikda bitta zaryad-tozalash davrini tashkil qiladi.
Yuqoridagi jarayonni aniq misolda ko'rib chiqamiz - qo'rg'oshinli akkumulyator. Siz taxmin qilganingizdek, ushbu oqim manbai qo'rg'oshin (shuningdek, qo'rg'oshin dioksidi PbO2) va kislotani o'z ichiga olgan elementdan iborat. Har qanday akkumulyator elektrodlardan va ular orasidagi bo'shliqdan iborat bo'lib, faqat elektrolitlar bilan to'ldirilgan. Oxirgi marta, biz allaqachon bilib olganimizdek, bizning misolimizda sulfat kislota 40 foiz konsentratsiyada ishlatiladi. Bunday batareyaning katodi qo'rg'oshin dioksididan, anod esa sof qo'rg'oshindan qilingan. Buning sababi shundaki, bu ikki elektrodda kislota ajralib chiqqan ionlar ishtirokida turli xil qaytar reaktsiyalar sodir bo'ladi:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(manfiy elektrod - katodda sodir bo'ladigan reaksiya).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Ijobiy elektroddagi reaksiya - anod).
Agar reaktsiyalarni chapdan o'ngga o'qisak - batareya zaryadsizlanganda, o'ngdan chapga esa - zaryad olayotganda sodir bo'ladigan jarayonlarni olamiz. Har bir kimyoviy oqim manbaida bu reaktsiyalar har xil, ammo ularning paydo bo'lish mexanizmi odatda bir xil tarzda tavsiflanadi: ikkita jarayon sodir bo'ladi, ulardan birida elektronlar "so'riladi", ikkinchisida esa, aksincha, ular " tark eting". Eng muhimi shundaki, so'rilgan elektronlar soni chiqarilgan elektronlar soniga teng.
Aslida, batareyalardan tashqari, bu moddalarning koʻplab qoʻllanilishi mavjud. Umuman olganda, biz misollar keltirgan elektrolitlar bu atama ostida birlashtirilgan turli xil moddalarning donasidir. Ular bizni hamma joyda, hamma joyda o'rab olishadi. Masalan, inson tanasini olaylik. Sizningcha, bu moddalar mavjud emasmi? Siz juda adashyapsiz. Ular bizda hamma joyda va eng katta miqdori qon elektrolitlaridir. Bularga, masalan, gemoglobinning bir qismi bo'lgan va kislorodni tanamizning to'qimalariga tashishga yordam beradigan temir ionlari kiradi. Qon elektrolitlari suv-tuz balansi va yurak faoliyatini tartibga solishda ham asosiy rol o'ynaydi. Bu funktsiyani kaliy va natriy ionlari bajaradi (hatto hujayralarda sodir bo'ladigan jarayon kaliy-natriy pompasi deb ataladi).
Ozgina ham erita oladigan har qanday modda elektrolitlardir. Va bunday sanoat yo'q va siz bilan bizning hayotimiz, qaerdaular nima qo'llanilishidan qat'i nazar. Bu nafaqat avtomobillardagi batareyalar va batareyalar. Bu har qanday kimyoviy va oziq-ovqat mahsulotlari, harbiy zavodlar, kiyim-kechak fabrikalari va boshqalar.
Aytgancha, elektrolitlar tarkibi boshqacha. Shunday qilib, kislotali va gidroksidi elektrolitlarni ajratish mumkin. Ular o'z xususiyatlariga ko'ra tubdan farq qiladi: yuqorida aytib o'tganimizdek, kislotalar proton donorlari, ishqorlar esa qabul qiluvchilardir. Ammo vaqt o'tishi bilan elektrolitlar tarkibi moddaning bir qismini yo'qotishi tufayli o'zgaradi, konsentratsiya yo kamayadi yoki ortadi (hammasi yo'qolgan narsaga, suv yoki elektrolitga bog'liq).
Biz ularni har kuni uchratamiz, ammo elektrolitlar atamasining ta'rifini kam odam biladi. Biz aniq moddalar misollarini koʻrib chiqdik, shuning uchun biroz murakkabroq tushunchalarga oʻtamiz.
Elektrolitlarning fizik xossalari
Endi fizika haqida. Ushbu mavzuni o'rganishda tushunish kerak bo'lgan eng muhim narsa - elektrolitlarda oqim qanday uzatiladi. Bunda ionlar hal qiluvchi rol o'ynaydi. Ushbu zaryadlangan zarralar zaryadni eritmaning bir qismidan ikkinchi qismiga o'tkazishi mumkin. Shunday qilib, anionlar doimo musbat elektrodga, kationlar esa manfiyga intiladi. Shunday qilib, elektr toki bilan eritma ustida harakat qilib, biz tizimning turli tomonlaridagi zaryadlarni ajratamiz.
Zichlik kabi jismoniy xususiyat juda qiziq. Biz ko'rib chiqayotgan birikmalarning ko'pgina xususiyatlari unga bog'liq. Va savol tez-tez paydo bo'ladi: "Elektrolitning zichligini qanday oshirish kerak?" Aslida, javob oddiy: kontentni pasaytirish kerakeritmadagi suv. Elektrolitning zichligi asosan sulfat kislotaning zichligi bilan aniqlanganligi sababli, u asosan ikkinchisining kontsentratsiyasiga bog'liq. Rejani amalga oshirishning ikki yo'li mavjud. Birinchisi juda oddiy: batareyadagi elektrolitni qaynatib oling. Buni amalga oshirish uchun siz uni zaryadlashingiz kerak, shunda ichidagi harorat yuz darajadan bir oz oshadi. Agar bu usul yordam bermasa, tashvishlanmang, boshqasi bor: oddiygina eski elektrolitni yangi bilan almashtiring. Buning uchun eski eritmani to'kib tashlang, sulfat kislota qoldiqlarining ichki qismini distillangan suv bilan tozalang va keyin yangi qismga quying. Qoida tariqasida, yuqori sifatli elektrolitlar eritmalari darhol kerakli konsentratsiyaga ega. O'zgartirgandan so'ng, siz elektrolitlar zichligini qanday oshirish haqida uzoq vaqt unutishingiz mumkin.
Elektrolitning tarkibi asosan uning xususiyatlarini aniqlaydi. Masalan, elektr o'tkazuvchanligi va zichligi kabi xususiyatlar erigan moddaning tabiatiga va uning kontsentratsiyasiga juda bog'liq. Batareyada qancha elektrolit bo'lishi mumkinligi haqida alohida savol bor. Aslida, uning hajmi mahsulotning e'lon qilingan kuchiga bevosita bog'liq. Batareya ichida sulfat kislota qancha ko'p bo'lsa, u shunchalik kuchli bo'ladi, ya'ni u shunchalik ko'p kuchlanish hosil qilishi mumkin.
Bu qayerda foydali?
Agar siz avtomobil ishqibozi boʻlsangiz yoki shunchaki mashinalarga qiziqsangiz, oʻzingiz hammasini tushunasiz. Shubhasiz, siz hozir batareyada qancha elektrolit borligini qanday aniqlashni bilasiz. Va agar siz mashinalardan uzoq bo'lsangiz, unda bilimbu moddalarning xossalari, qo'llanilishi va bir-biri bilan o'zaro ta'siri umuman ortiqcha bo'lmaydi. Buni bilib, sizdan batareyada qaysi elektrolit borligini aytishni so'rashsa, siz yo'qotmaysiz. Garchi siz avtomobil ishqibozi bo'lmasangiz ham, lekin sizda mashinangiz bo'lsa ham, batareya qurilmasini bilish umuman ortiqcha bo'lmaydi va ta'mirlashda sizga yordam beradi. Avtomarkazga borishdan ko'ra hamma narsani o'zingiz qilish ancha oson va arzonroq bo'ladi.
Va bu mavzuni yaxshiroq oʻrganish uchun maktablar va universitetlar uchun kimyo darsligini oʻqishni tavsiya qilamiz. Agar siz ushbu fanni yaxshi bilsangiz va yetarlicha darsliklarni o'qigan bo'lsangiz, Varypaevning "Kimyoviy oqim manbalari" eng yaxshi variant bo'ladi. Unda akkumulyatorlar, turli batareyalar va vodorod xujayralarining ishlash nazariyasi batafsil bayon etilgan.
Xulosa
Biz oxiriga yetdik. Keling, xulosa qilaylik. Yuqorida biz elektrolitlar kabi tushunchaga tegishli hamma narsani tahlil qildik: misollar, tuzilish va xususiyatlar nazariyasi, funktsiyalar va ilovalar. Yana bir bor aytish kerakki, bu birikmalar bizning hayotimizning bir qismi bo'lib, ularsiz tanamiz va sanoatning barcha sohalari mavjud bo'lmaydi. Qon elektrolitlarini eslaysizmi? Ularning sharofati bilan yashayapmiz. Bizning mashinalarimiz-chi? Ushbu bilim bilan biz batareya bilan bog'liq har qanday muammoni hal qila olamiz, chunki endi undagi elektrolitlar zichligini qanday oshirishni tushunamiz.
Hammasini aytib bo'lmaydi va biz bunday maqsadni qo'yganimiz yo'q. Axir, bu ajoyib moddalar haqida faqat aytish mumkin emas.
