Електроліти: приклади. Склад і властивості електролітів. Сильні і слабкі електроліти

Електроліти як хімічні речовини відомі з давніх часів. Однак більшість областей свого застосування вони завоювали відносно недавно. Ми обговоримо найбільш пріоритетні для промисловості області використання цих речовин і розберемося, що ж останні є та чим відрізняються один від одного. Але почнемо з екскурсу в історію.

Історія

Найстаріші відомі електроліти - це солі і кислоти, відкриті ще в Стародавньому світі. Однак уявлення про будову і властивості електролітів розвивалися з часом. Теорії цих процесів еволюціонували, починаючи з 1880 років, коли був зроблений ряд відкриттів, пов`язаний з теоріями властивостей електролітів. Спостерігалися кілька якісних стрибків в теоріях, що описують механізми взаємодії електролітів з водою (адже тільки в розчині вони набувають ті властивості, завдяки яким їх використовують в промисловості).

Відео: Заняття 30 Сильні і слабкі електроліти Гідроліз солей

Зараз ми детально розберемо кілька теорій, які мали найбільший вплив на розвиток уявлень про електролітах і їх властивості. І почнемо з найпоширенішою і простий теорії, яку кожен з нас проходив в школі.

Теорія електролітичноїдисоціації Аррениуса

в 1887 році шведський хімік Сванте Арреніус і російсько-німецький хімік Вільгельм Оствальд створили теорію електролітичноїдисоціації. Однак тут теж не все так просто. Сам Арреніус був прихильником так званої фізичної теорії розчинів, яка не враховувала взаємодію складових речовини з водою і стверджувала, що в розчині існують вільні заряджені частинки (іони). До речі, саме з таких позицій сьогодні розглядають велектролітичні дисоціацію в школі.

Поговоримо все-таки про те, що дає ця теорія і як вона пояснює нам механізм взаємодії речовин з водою. Як і у будь-який інший, у неї є кілька постулатів, які вона використовує:

1. При взаємодії з водою речовина розпадається на іони (позитивний - катіон і негативний - аніон). Ці частинки піддаються гідратації: вони притягують молекули води, які, до речі, заряджені з одного боку позитивно, а з іншого - негативно (утворюють диполь), в результаті формуються в Аквакомплекси (сольвати).

2. Процес дисоціації звернемо - тобто якщо речовина розпалася на іони, то під дією будь-яких чинників воно знову може перетворитися на вихідне.

3. Якщо підключити до розчину електроди і пустити струм, то катіони почнуть рух до негативного електроду - катода, а аніони до позитивно зарядженого - анода. Саме тому речовини, добре розчинні у воді, проводять електричний струм краще, ніж сама вода. З тієї ж причини їх назвали електролітами.

4. ступінь дисоціації електроліту характеризує відсоток речовини, яка зазнала розчиненню. Цей показник залежить від властивостей розчинника і самого розчиненої речовини, від концентрації останнього та від зовнішньої температури.

Ось, по суті, і всі основні постулати цієї нескладної теорії. Ними ми будемо користуватися в цій статті для опису того, що ж відбувається в розчині електроліту. Приклади цих сполук розберемо трохи пізніше, а зараз розглянемо іншу теорію.

Теорія кислот і підстав Льюїса

За теорією електролітичноїдисоціації, кислота - це речовина, в розчині якого присутній катіон водню, а підстава - з`єднання, що розпадається в розчині на гідроксид-аніон. Існує інша теорія, названа ім`ям відомого хіміка Гілберта Льюїса. Вона дозволяє дещо розширити поняття кислоти і підстави. За теорією Льюїса, кислоти - це іони або молекули речовини, які мають вільні електронні орбіталі і здатні прийняти електрон від іншої молекули. Нескладно здогадатися, що підставами будуть такі частинки, які здатні віддати один або кілька своїх електронів в "користування" кислоті. Дуже цікаво тут те, що кислотою або підставою може бути не тільки електроліт, але і будь-яка речовина, навіть нерозчинний у воді.

Протолітична теорія Брендстеда-Лоурі

У 1923 році, незалежно один від одного, двоє вчених - Й. Бренстед і Т. Лоурі -запропонував теорію, яка зараз активно застосовується вченими для опису хімічних процесів. Суть цієї теорії в тому, що сенс дисоціації зводиться до передачі протона від кислоти основи. Таким чином, останнім розуміється тут як акцептор протонів. Тоді кислота є їх донором. Теорія також добре пояснює існування речовин, які проявляють властивості і кислоти і підстави. Такі сполуки називаються амфотерними. У теорії Бренстеда-Лоурі для них також застосовується термін амфоліти, тоді як кислота або підстави прийнято називати протолітами.

Ми підійшли до наступної частини статті. Тут ми розповімо, чим відрізняються один від одного сильні і слабкі електроліти і обговоримо вплив зовнішніх факторів на їх властивості. А потім вже приступимо до опису їх практичного застосування.

Сильні і слабкі електроліти

Кожна речовина взаємодіє з водою індивідуально. Якісь розчиняються в ній добре (наприклад, кухонна сіль), а якісь зовсім не розчиняються (наприклад, крейда). Таким чином, всі речовини діляться на сильні і слабкі електроліти. Останні являють собою речовини, погано взаємодіють з водою і осідають на дні розчину. Це означає, що вони мають дуже низьку ступінь дисоціації і високу енергію зв`язків, яка не дозволяє при нормальних умовах розпадатися молекулі на складові її іони. Дисоціація слабких електролітів відбувається або дуже повільно, або при підвищенні температури і концентрації цієї речовини в розчині.

Відео: §39, 9 кл. Дисоціація електролітів у водних розчинах

Поговоримо про сильних електролітах. До них можна віднести всі розчинні солі, а також сильні кислоти і луги. Вони легко розпадаються на іони і дуже важко зібрати їх в опади. Струм в електролітах, до речі, проводиться саме завдяки іонів, що містяться в розчині. Тому краще за всіх проводять струм сильні електроліти. Приклади останніх: сильні кислоти, луги, розчинні солі.

Фактори, що впливають на поведінку електролітів

Тепер розберемося, як впливає зміна зовнішньої обстановки на властивості речовин. Концентрація безпосередньо впливає на ступінь дисоціації електроліту. Більш того, це співвідношення можна виразити математично. Закон, що описує цей зв`язок, називається законом розведення Оствальда і записується так: a = (K / c)^1/2. Тут a - це ступінь дисоціації (береться в частках), К - константа дисоціації, різна для кожного речовини, а з - концентрація електроліту в розчині. За цією формулою можна дізнатися багато нового про речовину і його поведінці в розчині.

Але ми відхилилися від теми. Крім концентрації, на ступінь дисоціації також впливає температура електроліту. Для більшості речовин її збільшення підвищує розчинність і хімічну активність. Саме цим можна пояснити перебіг деяких реакцій тільки при підвищеній температурі. При нормальних умовах вони йдуть або дуже повільно, або в обидві сторони (такий процес називається оборотним).

Ми розібрали чинники, що визначають поведінку такої системи, як розчин електроліту. Зараз перейдемо до практичного застосування цих, без сумніву, дуже важливих хімічних речовин.

Промислове використання

Звичайно, всі чули слово "електроліт" стосовно до акумуляторів. В автомобілі використовують свинцево-кислотні акумулятори, роль електроліту в якому виконує 40-процентна сірчана кислота. Щоб зрозуміти, навіщо там взагалі потрібно це речовина, варто розібратися в особливостях роботи акумуляторів.

Так в чому принцип роботи будь-якого акумулятора? У них відбувається оборотна реакція перетворення однієї речовини в іншу, в результаті якої вивільняються електрони. При заряді акумулятора відбувається взаємодія речовин, якого не виходить за нормальних умов. Це можна уявити як накопичення електроенергії в речовині в результаті хімічної реакції. При розряді ж починається зворотне перетворення, що приводить систему до початкового стану. Ці два процеси разом складають один цикл заряду-розряду.

Розглянемо вищевикладений процес на конкретному прикладі - свинцево-кислотному акумуляторі. Як неважко здогадатися, це джерело струму складається з елемента, що містить свинець (а також діокісд свинцю PbO₂) І кислоти. Будь-акумулятор складається з електродів і простору між ними, заповненого якраз електролітом. В якості останнього, як ми вже з`ясували, в нашому прикладі використовується сірчана кислота концентрацією 40 відсотків. Катод такого акумулятора роблять з діоксиду свинцю, а анод складається з чистого свинцю. Все це тому, що на цих двох електродах протікають різні оборотні реакції за участю іонів, на які продіссоцііровала кислота:

Відео: Розрахунок рН розчинів сильних і слабких основ. Хімія для вступників.

1. PbO₂ + SO₄²+ 4H⁺ + 2e^- = PbSO₄ + 2H₂O (реакція, яка відбувається на негативному електроді - катоді).
2. Pb + SO₄² - 2e^- = PbSO₄ (Реакція, що протікає на позитивному електроді - аноді).

Якщо читати реакції зліва направо - отримуємо процеси, що відбуваються при розряді акумулятора, а якщо справа наліво - при заряді. В кожному хімічному джерелі струму ці реакції різні, але механізм їх протікання в загальному описується однаково: відбуваються два процеси, в одному з яких електрони "поглинаються", А в іншому, навпаки, "виходять". Найголовніше те, що число поглинених електронів дорівнює числу вийшли.

Власне, крім акумуляторів, існує маса застосувань цих речовин. Взагалі, електроліти, приклади яких ми привели, - це лише крупинка того різноманіття речовин, які об`єднані під цим терміном. Вони оточують нас всюди, всюди. Ось, наприклад, тіло людини. Думаєте, там немає цих речовин? Дуже помиляєтеся. Вони знаходяться всюди в нас, а найбільша кількість становлять електроліти крові. До них відносяться, наприклад, іони заліза, які входять до складу гемоглобіну і допомагають транспортувати кисень до тканин нашого організму. Електроліти крові також грають ключову роль в регуляції водно-сольового балансу і роботі серця. Цю функцію виконують іони калію і натрію (існує навіть процес, що відбувається в клітинах, який має назву калій-натрієвих насосом).

Будь-які речовини, які ви в силах розчинити хоч трохи, - електроліти. І немає такої галузі промисловості і нашої з вами життя, де б вони не застосовувалися. Це не тільки акумулятори в автомобілях і батарейки. Це будь-яка хімічна і харчове виробництво, військові заводи, швейні фабрики і так далі.

Відео: Розрахунок рН розчинів сильних і слабких кислот. Хімія для вступників.

Склад електроліту, до речі, буває різним. Так, можна виділити кислотний і лужний електроліт. Вони принципово відрізняються своїми властивостями: як ми вже говорили, кислоти є донорами протонів, а луги - акцепторами. Але з часом склад електроліту змінюється внаслідок втрати частини речовини концентрація або зменшується, або збільшується (все залежить від того, що втрачається, вода або електроліт).

Ми щодня стикаємося з ними, однак мало хто точно знає визначення такого терміна, як електроліти. Приклади конкретних речовин ми розібрали, тому перейдемо до трохи більш складним поняттям.

Фізичні властивості електролітів

Тепер про фізику. Найважливіше, що потрібно розуміти при вивченні цієї теми - як передається струм в електролітах. Визначальну роль в цьому відіграють іони. Ці заряджені частинки можуть переносити заряд з однієї частини розчину в іншу. Так, аніони прагнуть завжди до позитивного електрода, а катіони - до негативного. Таким чином, діючи на розчин електричним струмом, ми поділяємо заряди по різним сторонам системи.

Дуже цікава така фізична характеристика, як щільність. Від неї залежать багато властивостей обговорюваних нами з`єднань. І часто виникає питання: "Як підняти щільність електроліту?" Насправді відповідь проста: необхідно знизити вміст води в розчині. Так як щільність електроліту здебільшого визначається щільністю сірчаної кислоти, то вона здебільшого залежить від концентрації останньої. Існує два способи здійснити задумане. Перший досить простий: прокип`ятити електроліт, що міститься в акумуляторі. Для цього потрібно зарядити його так, щоб температура всередині піднялася трохи вище ста градусів за Цельсієм. Якщо цей спосіб не допомагає, не переживайте, існує ще один: просто-напросто замінити старий електроліт новим. Для цього потрібно злити старий розчин, прочистити нутрощі від залишків сірчаної кислоти дистильованою водою, а потім залити нову порцію. Як правило, якісні розчини електроліту відразу мають потрібну величину концентрації. Після заміни можете надовго забути про те, як підняти щільність електроліту.

Склад електроліту в чому визначає його властивості. Такі характеристики, як електропровідність і щільність, наприклад, сильно залежать від природи розчиненої речовини і його концентрації. Існує окреме питання про те, скільки електроліту в акумуляторі може бути. Насправді його обсяг безпосередньо пов`язаний із заявленою потужністю вироби. Чим більше сірчаної кислоти всередині акумулятора, тим він потужніший, т. Е. Тим більша напруга здатний видавати.

Де це стане в нагоді?

Якщо ви автолюбитель або просто захоплюєтеся автомобілями, то ви і самі все розумієте. Напевно ви навіть знаєте, як визначити, скільки електроліту в акумуляторі знаходиться зараз. А якщо ви далекі від автомобілів, то знання властивостей цих речовин, їх застосування і того, як вони взаємодіють один з одним буде зовсім не зайвим. Знаючи це, ви не розгубитеся, якщо вас попросять сказати, який електроліт в акумуляторі. Хоча навіть якщо ви не автолюбитель, але у вас є машина, то знання пристрою акумулятора буде зовсім не зайвим і допоможе вам у ремонті. Буде набагато легше і дешевше зробити все самому, ніж їхати в автоцентр.

А щоб краще вивчити цю тему, ми рекомендуємо почитати підручник хімії для школи і вузів. Якщо ви добре знаєте цю науку і прочитали досить підручників, найкращим варіантом будуть "Хімічні джерела струму" Варипаева. Там викладені докладно вся теорія роботи акумуляторів, різних батарей і водневих елементів.

висновок

Ми підійшли до кінця. Підведемо підсумки. Вище ми розібрали все, що стосується такого поняття, як електроліти: приклади, теорія будови і властивостей, функції та застосування. Ще раз варто сказати, що ці сполуки становлять важливу частину нашого життя, без якої не могли б існувати наші тіла і всі сфери промисловості. Ви пам`ятаєте про електроліти крові? Завдяки їм ми живемо. А що щодо наших машин? За допомогою цих знань ми зможемо виправити будь-яку проблему, пов`язану з акумулятором, так як тепер розуміємо, як підняти щільність електроліту в ньому.

Все розповісти неможливо, та ми й не ставили такої мети. Адже це далеко не все, що можна розповісти про ці дивовижні речовинах.