Electroliti kama kemikali zimejulikana tangu zamani. Walakini, wameshinda maeneo yao mengi ya maombi hivi karibuni. Tutajadili maeneo ya kipaumbele cha juu kwa tasnia kutumia dutu hizi na kubaini mwisho ni nini na ni tofauti gani kutoka kwa kila mmoja. Lakini wacha tuanze na kuacha historia.
Historia
Elektroliti kongwe zaidi zinazojulikana ni chumvi na asidi zilizogunduliwa katika ulimwengu wa kale. Walakini, maoni juu ya muundo na mali ya elektroliti yamebadilika kwa wakati. Nadharia za michakato hii zimeibuka tangu miaka ya 1880, wakati uvumbuzi kadhaa ulifanywa kuhusiana na nadharia za mali ya elektroliti. Kumekuwa na viwango kadhaa vya ubora katika nadharia zinazoelezea taratibu za mwingiliano wa elektroliti na maji (baada ya yote, katika suluhisho tu ndipo wanapata mali kutokana na ambayo hutumiwa katika tasnia).
Sasa tutachambua kwa kina nadharia kadhaa ambazo zimekuwa na ushawishi mkubwa zaidi katika ukuzaji wa mawazo kuhusu elektroliti na mali zao. Na tuanze na nadharia ya kawaida na rahisi ambayo kila mmoja wetu alichukua shuleni.
Nadharia ya Arrhenius ya Mtengano wa Kielektroniki
mwaka wa 1887Mwanakemia wa Uswidi Svante Arrhenius na mwanakemia wa Kirusi-Kijerumani Wilhelm Ostwald waliunda nadharia ya kutengana kwa umeme. Walakini, kila kitu sio rahisi sana hapa pia. Arrhenius mwenyewe alikuwa msaidizi wa kinachojulikana nadharia ya kimwili ya ufumbuzi, ambayo haikuzingatia mwingiliano wa vitu vinavyohusika na maji na alisema kuwa kuna chembe za malipo ya bure (ions) katika suluhisho. Kwa njia, ni kutokana na nafasi kama hizo ambapo mtengano wa kielektroniki unazingatiwa shuleni leo.
Wacha tuzungumze juu ya kile nadharia hii inatoa na jinsi inavyotufafanulia utaratibu wa mwingiliano wa dutu na maji. Kama kila mtu mwingine, ana machapisho kadhaa anayotumia:
1. Wakati wa kuingiliana na maji, dutu hii hutengana katika ions (chanya - cation na hasi - anion). Chembe hizi hupitia ugiligili: huvutia molekuli za maji, ambazo, kwa njia, zinashtakiwa vyema kwa upande mmoja na kushtakiwa vibaya kwa upande mwingine (huunda dipole), kwa sababu hiyo, huunda kwenye aqua complexes (solvates).
2. Mchakato wa kutenganisha unaweza kutenduliwa - yaani, ikiwa dutu hii imegawanyika katika ioni, basi chini ya ushawishi wa mambo yoyote inaweza tena kugeuka kuwa ya awali.
3. Ikiwa unganisha electrodes kwenye suluhisho na kuanza sasa, basi cations itaanza kuelekea electrode hasi - cathode, na anions kuelekea chaji chanya - anode. Ndio maana vitu ambavyo vinayeyuka sana kwenye maji hufanya umeme bora kuliko maji yenyewe. Pia huitwa elektroliti kwa sababu hiyo hiyo.
4. Kiwango cha kutengana kwa elektroliti ni sifa ya asilimia ya dutu ambayo imepata kufutwa. Hiikiashirio hutegemea sifa za kiyeyushi na kimumunyisho chenyewe, juu ya ukolezi wa mwisho na joto la nje.
Hapa, kwa kweli, na machapisho yote ya msingi ya nadharia hii rahisi. Tutazitumia katika makala hii kuelezea kile kinachotokea katika suluhisho la electrolyte. Tutachambua mifano ya michanganyiko hii baadaye kidogo, lakini sasa tutazingatia nadharia nyingine.
Nadharia ya Lewis ya asidi na besi
Kulingana na nadharia ya mtengano wa elektroliti, asidi ni dutu ambamo unganisho wa hidrojeni upo, na besi ni kiwanja ambacho hutengana na kuwa anioni ya hidroksidi katika myeyusho. Kuna nadharia nyingine iliyopewa jina la mwanakemia maarufu Gilbert Lewis. Inakuwezesha kupanua dhana ya asidi na msingi. Kulingana na nadharia ya Lewis, asidi ni ioni au molekuli za dutu ambayo ina obiti za elektroni za bure na zinaweza kukubali elektroni kutoka kwa molekuli nyingine. Ni rahisi kudhani kuwa besi zitakuwa chembe kama hizo ambazo zinaweza kutoa elektroni moja au zaidi kwa "matumizi" ya asidi. Inafurahisha sana hapa kwamba sio tu elektroliti, lakini pia dutu yoyote, hata isiyoyeyuka katika maji, inaweza kuwa asidi au msingi.
Nadharia ya Protolithic-Brandsted-Lowry
Mnamo 1923, bila ya wao kwa wao, wanasayansi wawili - J. Bronsted na T. Lowry - walipendekeza nadharia ambayo sasa inatumiwa kikamilifu na wanasayansi kuelezea michakato ya kemikali. Kiini cha nadharia hii ni kwambakujitenga kunapunguzwa kwa uhamisho wa protoni kutoka kwa asidi hadi msingi. Kwa hivyo, hii ya mwisho inaeleweka hapa kama kipokezi cha protoni. Kisha asidi ni wafadhili wao. Nadharia pia inaelezea vizuri kuwepo kwa vitu vinavyoonyesha mali ya asidi na besi. Misombo kama hiyo inaitwa amphoteric. Katika nadharia ya Bronsted-Lowry, neno ampholiti pia hutumika kuzihusu, ilhali asidi au besi kwa kawaida huitwa protolith.
Tumekuja kwa sehemu inayofuata ya makala. Hapa tutakuambia jinsi electrolytes yenye nguvu na dhaifu hutofautiana kutoka kwa kila mmoja na kujadili ushawishi wa mambo ya nje kwenye mali zao. Na kisha tutaanza kuelezea matumizi yao ya vitendo.
Elektroliti kali na dhaifu
Kila dutu huingiliana na maji kibinafsi. Baadhi hupasuka vizuri ndani yake (kwa mfano, chumvi ya meza), wakati wengine hawana kabisa (kwa mfano, chaki). Kwa hiyo, vitu vyote vinagawanywa katika electrolytes yenye nguvu na dhaifu. Mwisho ni vitu vinavyoingiliana vibaya na maji na kukaa chini ya suluhisho. Hii ina maana kwamba wana kiwango cha chini sana cha kutengana na nishati ya juu ya dhamana, ambayo chini ya hali ya kawaida hairuhusu molekuli kuharibika katika ioni zake za msingi. Mtengano wa elektroliti dhaifu hutokea polepole sana, au kwa ongezeko la joto na mkusanyiko wa dutu hii katika myeyusho.
Hebu tuzungumze kuhusu elektroliti kali. Hizi ni pamoja na chumvi zote za mumunyifu, pamoja na asidi kali na alkali. Zinagawanyika kwa urahisi katika ioni na ni ngumu sana kuzikusanya wakati wa mvua. Ya sasa katika electrolytes, kwa njia, inafanywakwa usahihi kwa sababu ya ions zilizomo katika suluhisho. Kwa hivyo, elektroliti zenye nguvu hufanya kazi bora kuliko zote. Mifano ya mwisho: asidi kali, alkali, chumvi mumunyifu.
Mambo yanayoathiri tabia ya elektroliti
Sasa hebu tuone jinsi mabadiliko katika mazingira ya nje yanavyoathiri sifa za dutu. Mkusanyiko huathiri moja kwa moja kiwango cha kutengana kwa electrolyte. Aidha, uwiano huu unaweza kuonyeshwa kihisabati. Sheria inayoelezea uhusiano huu inaitwa sheria ya dilution ya Ostwald na imeandikwa kama ifuatavyo: a=(K / c)1/2. Hapa ni kiwango cha kujitenga (kuchukuliwa kwa sehemu), K ni mara kwa mara ya kutenganisha, ambayo ni tofauti kwa kila dutu, na c ni mkusanyiko wa electrolyte katika suluhisho. Kwa fomula hii, unaweza kujifunza mengi kuhusu dutu hii na tabia yake katika suluhisho.
Lakini tunaachana. Mbali na mkusanyiko, kiwango cha kujitenga pia kinaathiriwa na joto la electrolyte. Kwa vitu vingi, kuiongeza huongeza umumunyifu na utendakazi tena. Hii inaweza kueleza kutokea kwa baadhi ya athari katika halijoto ya juu tu. Katika hali ya kawaida, huenda polepole sana, au katika pande zote mbili (mchakato kama huo unaitwa kugeuza).
Tumechanganua vipengele vinavyobainisha tabia ya mfumo kama vile myeyusho wa elektroliti. Sasa hebu tuendelee na matumizi ya vitendo ya hizi, bila shaka, kemikali muhimu sana.
Matumizi ya viwandani
Bila shaka, kila mtu amesikia neno "electrolyte"kuhusiana na betri. Gari hutumia betri za asidi ya risasi, electrolyte ambayo ni 40% ya asidi ya sulfuriki. Ili kuelewa ni kwa nini dutu hii inahitajika kabisa hapo, inafaa kuelewa vipengele vya betri.
Kwa hivyo kanuni ya betri yoyote ni ipi? Ndani yao, mmenyuko wa kubadilika wa mabadiliko ya dutu moja hadi nyingine hutokea, kama matokeo ya ambayo elektroni hutolewa. Wakati betri inashtakiwa, mwingiliano wa vitu hufanyika, ambao haupatikani chini ya hali ya kawaida. Hii inaweza kuwakilishwa kama mkusanyiko wa umeme katika dutu kama matokeo ya mmenyuko wa kemikali. Wakati kutokwa kunapoanza, mabadiliko ya nyuma huanza, na kusababisha mfumo kwa hali ya awali. Michakato hii miwili kwa pamoja huunda mzunguko mmoja wa kutoza.
Hebu tuzingatie mchakato ulio hapo juu kwenye mfano mahususi - betri ya asidi ya risasi. Kama unavyoweza kukisia, chanzo hiki cha sasa kinajumuisha elementi iliyo na risasi (pamoja na madini ya risasi PbO2) na asidi. Betri yoyote ina electrodes na nafasi kati yao, kujazwa tu na electrolyte. Kama ya mwisho, kama tumegundua, katika mfano wetu, asidi ya sulfuri hutumiwa kwa mkusanyiko wa asilimia 40. Cathode ya betri kama hiyo imetengenezwa na dioksidi ya risasi, na anode hufanywa kwa risasi safi. Yote hii ni kwa sababu miitikio tofauti inayoweza kugeuzwa hutokea kwenye elektrodi hizi mbili kwa ushiriki wa ayoni ambamo asidi imejitenga:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(mwitikio hutokea kwenye elektrodi hasi - cathode).
- Pb + SO42- - 2e--=PbSO 4 (Mwitikio wa elektrodi chanya - anode).
Tukisoma miitikio kutoka kushoto kwenda kulia - tunapata michakato inayotokea wakati betri inachajiwa, na ikiwa kutoka kulia kwenda kushoto - inapochaji. Katika kila chanzo cha sasa cha kemikali, athari hizi ni tofauti, lakini utaratibu wa matukio yao kwa ujumla huelezewa kwa njia ile ile: michakato miwili hutokea, katika moja ambayo elektroni "hufyonzwa", na kwa upande mwingine, kinyume chake, " kuondoka". Jambo muhimu zaidi ni kwamba idadi ya elektroni zilizonyonywa ni sawa na idadi ya zinazotolewa.
Kwa kweli, pamoja na betri, kuna matumizi mengi ya dutu hizi. Kwa ujumla, elektroliti, mifano ambayo tumetoa, ni nafaka tu ya anuwai ya vitu ambavyo vinajumuishwa chini ya neno hili. Wanatuzunguka kila mahali, kila mahali. Chukua, kwa mfano, mwili wa mwanadamu. Je, unadhani vitu hivi havipo? Umekosea sana. Wao ni kila mahali ndani yetu, na kiasi kikubwa ni electrolytes ya damu. Hizi ni pamoja na, kwa mfano, ioni za chuma, ambazo ni sehemu ya hemoglobini na kusaidia kusafirisha oksijeni kwa tishu za mwili wetu. Elektroliti za damu pia zina jukumu muhimu katika udhibiti wa usawa wa chumvi-maji na kazi ya moyo. Utendaji huu unafanywa na ioni za potasiamu na sodiamu (kuna hata mchakato unaotokea kwenye seli, unaoitwa pampu ya potasiamu-sodiamu).
Kitu chochote ambacho unaweza kuyeyusha hata kidogo ni elektroliti. Na hakuna tasnia kama hiyo na maisha yetu na wewe, wapichochote wanachotumiwa. Hii si tu betri katika magari na betri. Huu ni uzalishaji wowote wa kemikali na chakula, mitambo ya kijeshi, viwanda vya nguo na kadhalika.
Muundo wa elektroliti, kwa njia, ni tofauti. Kwa hivyo, inawezekana kutofautisha elektroliti tindikali na alkali. Zinatofautiana kimsingi katika mali zao: kama tulivyokwisha sema, asidi ni wafadhili wa protoni, na alkali ni wapokeaji. Lakini baada ya muda, muundo wa elektroliti hubadilika kutokana na upotevu wa sehemu ya dutu hii, ukolezi hupungua au kuongezeka (yote inategemea kile kinachopotea, maji au electrolyte).
Tunakutana nazo kila siku, lakini watu wachache wanajua hasa ufafanuzi wa neno kama vile elektroliti. Tumeangazia mifano ya dutu mahususi, kwa hivyo hebu tuendelee hadi kwa dhana changamano zaidi.
Tabia za kimwili za elektroliti
Sasa kuhusu fizikia. Jambo muhimu zaidi kuelewa wakati wa kusoma mada hii ni jinsi sasa inavyopitishwa katika elektroliti. Ions huchukua jukumu muhimu katika hili. Chembe hizi zinazochajiwa zinaweza kuhamisha chaji kutoka sehemu moja ya suluhu hadi nyingine. Kwa hivyo, anions daima huwa na electrode nzuri, na cations - kwa hasi. Kwa hivyo, tukishughulikia suluhisho kwa mkondo wa umeme, tunatenganisha malipo kwenye pande tofauti za mfumo.
Inavutia sana ni sifa ya kimaumbile kama vile msongamano. Sifa nyingi za misombo tunayojadili hutegemea. Na swali mara nyingi hujitokeza: "Jinsi ya kuongeza wiani wa electrolyte?" Kwa kweli, jibu ni rahisi: unahitaji kupunguza maudhuimaji katika suluhisho. Kwa kuwa wiani wa electrolyte kwa kiasi kikubwa huamua na wiani wa asidi ya sulfuriki, kwa kiasi kikubwa inategemea mkusanyiko wa mwisho. Kuna njia mbili za kutekeleza mpango. Ya kwanza ni rahisi sana: chemsha elektroliti iliyomo kwenye betri. Ili kufanya hivyo, unahitaji kuichaji ili hali ya joto ndani inaongezeka kidogo juu ya digrii mia moja za Celsius. Ikiwa njia hii haisaidii, usijali, kuna nyingine: badilisha tu elektroliti ya zamani na mpya. Ili kufanya hivyo, futa suluhisho la zamani, safi ndani ya mabaki ya asidi ya sulfuri na maji yaliyotengenezwa, na kisha uimimine sehemu mpya. Kama sheria, suluhisho za elektroliti za hali ya juu mara moja huwa na mkusanyiko unaohitajika. Baada ya uingizwaji, unaweza kusahau kwa muda mrefu kuhusu jinsi ya kuongeza msongamano wa elektroliti.
Muundo wa elektroliti kwa kiasi kikubwa huamua sifa zake. Tabia kama vile conductivity ya umeme na msongamano, kwa mfano, inategemea sana asili ya solute na mkusanyiko wake. Kuna swali tofauti kuhusu ni kiasi gani cha elektroliti kinaweza kuwa kwenye betri. Kwa kweli, kiasi chake kinahusiana moja kwa moja na nguvu iliyotangazwa ya bidhaa. Kadiri asidi ya sulfuriki inavyozidi ndani ya betri, ndivyo inavyokuwa na nguvu zaidi, yaani, ndivyo voltage inavyoweza kutoa.
Inapatikana wapi?
Kama wewe ni shabiki wa magari au unapenda magari tu, basi wewe mwenyewe unaelewa kila kitu. Hakika hata unajua jinsi ya kuamua ni kiasi gani electrolyte iko kwenye betri sasa. Na ikiwa uko mbali na magari, basi maarifamali ya dutu hizi, matumizi yao na jinsi ya kuingiliana na kila mmoja haitakuwa superfluous wakati wote. Kujua hili, huwezi kuwa na hasara ikiwa utaulizwa kusema ni electrolyte gani kwenye betri. Ingawa hata kama wewe sio shabiki wa gari, lakini unayo gari, basi kujua kifaa cha betri hakutakuwa mbaya hata kidogo na itakusaidia kwa ukarabati. Itakuwa rahisi na nafuu kufanya kila kitu mwenyewe kuliko kwenda kituo cha magari.
Na ili kujifunza mada hii vyema, tunapendekeza usome kitabu cha kemia kwa shule na vyuo vikuu. Ikiwa unajua sayansi hii vizuri na umesoma vitabu vya kutosha, Varypaev "Vyanzo vya Sasa vya Kemikali" itakuwa chaguo bora zaidi. Inaeleza kwa kina nadharia nzima ya uendeshaji wa betri, betri mbalimbali na seli za hidrojeni.
Hitimisho
Tumefika mwisho. Hebu tufanye muhtasari. Hapo juu, tumechambua kila kitu kinachohusiana na dhana kama vile elektroliti: mifano, nadharia ya muundo na mali, kazi na matumizi. Kwa mara nyingine tena inafaa kusema kuwa misombo hii ni sehemu ya maisha yetu, bila ambayo miili yetu na maeneo yote ya tasnia hayangeweza kuwepo. Je, unakumbuka elektroliti za damu? Shukrani kwao tunaishi. Vipi kuhusu magari yetu? Kwa ujuzi huu, tutaweza kurekebisha tatizo lolote linalohusiana na betri, kwani sasa tunaelewa jinsi ya kuongeza msongamano wa elektroliti ndani yake.
Haiwezekani kusema kila kitu, na hatukuweka lengo kama hilo. Baada ya yote, hii sio yote inayoweza kusemwa kuhusu dutu hizi za kushangaza.
