אלקטרוליטים ככימיקלים ידועים עוד מימי קדם. עם זאת, הם כבשו את רוב תחומי היישום שלהם יחסית לאחרונה. נדון בתחומי העדיפות הגבוהה ביותר של התעשייה לשימוש בחומרים אלה ונבין מה הם האחרונים וכיצד הם שונים זה מזה. אבל בואו נתחיל עם סטייה אל ההיסטוריה.
היסטוריה
האלקטרוליטים העתיקים ביותר הידועים הם מלחים וחומצות שהתגלו בעולם העתיק. עם זאת, רעיונות לגבי המבנה והתכונות של אלקטרוליטים התפתחו עם הזמן. תיאוריות של תהליכים אלו התפתחו מאז שנות ה-80 של המאה ה-19, אז התגלו מספר תגליות הקשורות לתיאוריות של תכונות האלקטרוליטים. היו מספר קפיצות איכות בתיאוריות המתארות את מנגנוני האינטראקציה של אלקטרוליטים עם מים (אחרי הכל, רק בתמיסה הם רוכשים את התכונות שבזכותן הם משמשים בתעשייה).
עכשיו ננתח בפירוט כמה תיאוריות שהשפיעו הכי הרבה על התפתחות רעיונות לגבי אלקטרוליטים ותכונותיהם. ובואו נתחיל מהתיאוריה הנפוצה והפשוטה ביותר שכל אחד מאיתנו למד בבית הספר.
תורת ארניוס של דיסוציאציה אלקטרוליטית
בשנת 1887הכימאי השוודי Svante Arrhenius והכימאי הרוסי-גרמני וילהלם אוסטוולד יצרו את תיאוריית הדיסוציאציה האלקטרוליטית. עם זאת, גם כאן הכל לא כל כך פשוט. ארניוס עצמו היה תומך במה שמכונה התיאוריה הפיזיקלית של פתרונות, שלא לקחה בחשבון את האינטראקציה של החומרים המרכיבים עם מים וטען שיש בתמיסה חלקיקים טעונים חופשיים (יונים). אגב, מתפקידים כאלה נחשב היום בבית הספר דיסוציאציה אלקטרוליטית.
בואו עדיין נדבר על מה שהתיאוריה הזו נותנת ואיך היא מסבירה לנו את מנגנון האינטראקציה של חומרים עם מים. כמו לכולם, יש לה כמה הנחות שבהן היא משתמשת:
1. בעת אינטראקציה עם מים, החומר מתפרק ליונים (חיובי - קטיון ושלילי - אניון). חלקיקים אלו עוברים הידרציה: הם מושכים מולקולות מים, אשר, אגב, טעונות חיובית מצד אחד וטעונות שלילי מצד שני (יוצרות דיפול), כתוצאה מכך הן נוצרות לקומפלקסים אקווה (סולבטים).
2. תהליך הדיסוציאציה הוא הפיך - כלומר, אם החומר התפרק ליונים, אז בהשפעת כל גורם הוא יכול להפוך שוב למקורי.
3. אם מחברים אלקטרודות לתמיסה ומתחילים זרם, אז הקטיונים יתחילו לנוע לעבר האלקטרודה השלילית - הקתודה, והאניונים לכיוון המטען החיובי - האנודה. לכן חומרים שמסיסים מאוד במים מוליכים חשמל טוב יותר מהמים עצמם. הם נקראים גם אלקטרוליטים מאותה סיבה.
4. מידת הפירוק של האלקטרוליט מאפיינת את אחוז החומר שעבר פירוק. זֶההמחוון תלוי בתכונות הממס והמומס עצמו, בריכוז האחרון ובטמפרטורה החיצונית.
הנה, למעשה, וכל ההנחות הבסיסיות של התיאוריה הפשוטה הזו. נשתמש בהם במאמר זה כדי לתאר מה קורה בתמיסת אלקטרוליט. ננתח דוגמאות של תרכובות אלו מעט מאוחר יותר, אך כעת נשקול תיאוריה נוספת.
תורת לואיס של חומצות ובסיסים
לפי תורת הדיסוציאציה האלקטרוליטית, חומצה היא חומר שבו קיים קטיון מימן, ובסיס הוא תרכובת המתפרקת לאניון הידרוקסיד בתמיסה. ישנה תיאוריה נוספת על שם הכימאי המפורסם גילברט לואיס. זה מאפשר לך להרחיב מעט את המושג חומצה ובסיס. לפי תיאוריית לואיס, חומצות הן יונים או מולקולות של חומר שיש להם אורביטלים חופשיים של אלקטרונים ומסוגלים לקבל אלקטרון ממולקולה אחרת. קל לנחש שהבסיסים יהיו חלקיקים כאלה שמסוגלים לתרום אחד או יותר מהאלקטרונים שלהם ל"שימוש" בחומצה. מאוד מעניין כאן שלא רק אלקטרוליט, אלא גם כל חומר, אפילו בלתי מסיס במים, יכול להיות חומצה או בסיס.
התיאוריה הפרוטוליתית של ברנדסטד-לאורי
בשנת 1923, ללא תלות זה בזה, הציעו שני מדענים - ג'יי ברונסטד וטי לורי - תיאוריה שכיום משתמשים בה באופן פעיל על ידי מדענים לתיאור תהליכים כימיים. המהות של התיאוריה הזו היא כךהדיסוציאציה מצטמצמת להעברת פרוטון מחומצה לבסיס. לפיכך, האחרון מובן כאן כמקבל פרוטונים. ואז החומצה היא התורם שלהם. התיאוריה גם מסבירה היטב את קיומם של חומרים המציגים תכונות של חומצות ובסיסים כאחד. תרכובות כאלה נקראות אמפוטריות. בתורת ברונסטד-לורי, המונח אמפוליטים משמש גם עבורם, בעוד שחומצות או בסיסים נקראים בדרך כלל פרוטוליטים.
הגענו לחלק הבא של המאמר. כאן נספר לכם כיצד נבדלים אלקטרוליטים חזקים וחלשים זה מזה ונדון בהשפעת גורמים חיצוניים על תכונותיהם. ואז נתחיל לתאר את היישום המעשי שלהם.
אלקטרוליטים חזקים וחלשים
כל חומר יוצר אינטראקציה עם מים בנפרד. חלקם מתמוססים בו היטב (למשל מלח שולחן), בעוד חלקם אינם מתמוססים כלל (למשל גיר). לפיכך, כל החומרים מחולקים לאלקטרוליטים חזקים וחלשים. האחרונים הם חומרים המשפיעים על אינטראקציה גרועה עם מים ומתיישבים בתחתית התמיסה. המשמעות היא שיש להם דרגת ניתוק נמוכה מאוד ואנרגיית קשר גבוהה, שבתנאים רגילים אינה מאפשרת למולקולה להתפרק ליונים המרכיבים אותה. ההתנתקות של אלקטרוליטים חלשים מתרחשת או לאט מאוד, או עם עלייה בטמפרטורה ובריכוז של חומר זה בתמיסה.
בוא נדבר על אלקטרוליטים חזקים. אלה כוללים את כל המלחים המסיסים, כמו גם חומצות חזקות ואלקליות. הם מתפרקים בקלות ליונים וקשה מאוד לאסוף אותם במשקעים. הזרם באלקטרוליטים, אגב, מוליךבדיוק בגלל היונים המצויים בתמיסה. לכן, אלקטרוליטים חזקים מוליכים את הזרם הטוב מכולם. דוגמאות לאחרונים: חומצות חזקות, אלקליות, מלחים מסיסים.
גורמים המשפיעים על התנהגות האלקטרוליטים
עכשיו בואו נבין כיצד שינויים בסביבה החיצונית משפיעים על תכונות החומרים. הריכוז משפיע ישירות על מידת פירוק האלקטרוליטים. יתרה מכך, יחס זה יכול לבוא לידי ביטוי מתמטי. החוק המתאר קשר זה נקרא חוק דילול אוסטוולד והוא כתוב כך: a=(K / c)1/2. כאן a היא מידת הניתוק (נלקחת בשברים), K הוא קבוע הניתוק, השונה עבור כל חומר, ו-c הוא ריכוז האלקטרוליט בתמיסה. לפי נוסחה זו, אתה יכול ללמוד הרבה על החומר והתנהגותו בתמיסה.
אבל אנחנו מתרחקים. בנוסף לריכוז, מידת הדיסוציאציה מושפעת גם מטמפרטורת האלקטרוליט. עבור רוב החומרים, הגדלת זה מגבירה את המסיסות והתגובתיות. זה יכול להסביר את התרחשותן של תגובות מסוימות רק בטמפרטורות גבוהות. בתנאים רגילים, הם הולכים לאט מאוד, או לשני הכיוונים (תהליך כזה נקרא הפיך).
ניתחנו את הגורמים הקובעים את ההתנהגות של מערכת כמו תמיסת אלקטרוליט. כעת נעבור ליישום המעשי של חומרים כימיים חשובים מאוד אלה, ללא ספק.
שימוש תעשייתי
כמובן, כולם שמעו את המילה "אלקטרוליט"ביחס לסוללות. המכונית משתמשת בסוללות עופרת, שהאלקטרוליט שבהן הוא 40% חומצה גופרתית. כדי להבין למה בכלל צריך שם את החומר הזה, כדאי להבין את תכונות הסוללות.
אז מה העיקרון של כל סוללה? אצלם מתרחשת תגובה הפיכה של הפיכת חומר אחד למשנהו, וכתוצאה מכך משתחררים אלקטרונים. כאשר הסוללה נטענת מתרחשת אינטראקציה של חומרים, שאינה מתקבלת בתנאים רגילים. זה יכול להיות מיוצג כהצטברות חשמל בחומר כתוצאה מתגובה כימית. כאשר הפריקה מתחילה, מתחילה הטרנספורמציה ההפוכה, המובילה את המערכת למצב ההתחלתי. שני התהליכים הללו יחד מהווים מחזור טעינה-פריקה אחד.
בואו נשקול את התהליך לעיל על דוגמה ספציפית - סוללת עופרת-חומצה. כפי שניתן לנחש, מקור נוכחי זה מורכב מיסוד המכיל עופרת (כמו גם עופרת דו-חמצנית PbO2) וחומצה. כל סוללה מורכבת מאלקטרודות והמרווח ביניהן, מלא רק באלקטרוליט. כאחרון, כפי שכבר גילינו, בדוגמה שלנו משתמשים בחומצה גופרתית בריכוז של 40 אחוז. הקתודה של סוללה כזו עשויה מעופרת דו-חמצנית, והאנודה עשויה מעופרת טהורה. כל זאת מכיוון שמתרחשות תגובות הפיכות שונות על שתי האלקטרודות הללו בהשתתפות יונים שלתוכם התפרקה החומצה:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(תגובה מתרחשת באלקטרודה השלילית - קתודה).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (תגובה באלקטרודה החיובית - אנודה).
אם נקרא את התגובות משמאל לימין - נקבל את התהליכים המתרחשים כשהסוללה מתרוקנת, ואם מימין לשמאל - בעת הטעינה. בכל מקור זרם כימי תגובות אלו שונות, אך מנגנון התרחשותן מתואר בדרך כלל באותו אופן: שני תהליכים מתרחשים, באחד מהם "נספגים" אלקטרונים, ובשני, להיפך, הם " לעזוב". הדבר החשוב ביותר הוא שמספר האלקטרונים הנקלטים שווה למספר הנפלטים.
למעשה, בנוסף לסוללות, ישנם יישומים רבים של חומרים אלה. באופן כללי, אלקטרוליטים, שדוגמאות להם הבאנו, הם רק גרגר ממגוון החומרים המשולבים במונח זה. הם מקיפים אותנו בכל מקום, בכל מקום. קח, למשל, את גוף האדם. אתה חושב שהחומרים האלה לא קיימים? אתה טועה מאוד. הם נמצאים בכל מקום בנו, והכמות הגדולה ביותר היא אלקטרוליטים בדם. אלה כוללים, למשל, יוני ברזל, שהם חלק מההמוגלובין ומסייעים בהעברת חמצן לרקמות הגוף שלנו. אלקטרוליטים בדם ממלאים גם תפקיד מפתח בוויסות איזון מים-מלח ותפקוד הלב. פונקציה זו מבוצעת על ידי יוני אשלגן ונתרן (יש אפילו תהליך שמתרחש בתאים, שנקרא משאבת אשלגן-נתרן).
כל חומר שאפשר להמיס אפילו מעט הוא אלקטרוליטים. ואין תעשייה כזו והחיים שלנו איתך, איפהמה שהם מיושמים. זה לא רק מצברים במכוניות ובסוללות. זה כל ייצור כימיקלים ומזון, מפעלים צבאיים, מפעלי בגדים וכן הלאה.
הרכב האלקטרוליט, אגב, שונה. אז אפשר להבחין בין אלקטרוליט חומצי ובסיסי. הם שונים באופן מהותי בתכונותיהם: כפי שכבר אמרנו, חומצות הן תורמות פרוטונים, ואלקליות הן מקבלות. אבל עם הזמן, הרכב האלקטרוליט משתנה עקב איבוד חלק מהחומר, הריכוז או יורד או עולה (הכל תלוי במה שאבד, מים או אלקטרוליט).
אנחנו נתקלים בהם כל יום, אבל מעטים האנשים יודעים בדיוק את ההגדרה של מונח כזה כמו אלקטרוליטים. כיסינו דוגמאות לחומרים ספציפיים, אז בואו נעבור למושגים קצת יותר מורכבים.
מאפיינים פיזיים של אלקטרוליטים
עכשיו לגבי פיזיקה. הדבר החשוב ביותר שיש להבין כאשר לומדים נושא זה הוא כיצד מועבר זרם באלקטרוליטים. ליונים יש תפקיד מכריע בכך. חלקיקים טעונים אלה יכולים להעביר מטען מחלק אחד של התמיסה לאחר. אז, אניונים תמיד נוטים לאלקטרודה החיובית, וקטיונים - לשלילה. לפיכך, פועלים על הפתרון באמצעות זרם חשמלי, אנו מפרידים את המטענים בצדדים שונים של המערכת.
מאוד מעניין הוא מאפיין פיזי כמו צפיפות. תכונות רבות של התרכובות בהן אנו דנים תלויות בו. והשאלה צצה לעתים קרובות: "איך להעלות את צפיפות האלקטרוליט?" למעשה, התשובה פשוטה: אתה צריך לשדרג לאחור את התוכןמים בתמיסה. מכיוון שצפיפות האלקטרוליט נקבעת במידה רבה על ידי הצפיפות של חומצה גופרתית, היא תלויה במידה רבה בריכוז האחרון. ישנן שתי דרכים לבצע את התוכנית. הראשון הוא די פשוט: להרתיח את האלקטרוליט הכלול בסוללה. כדי לעשות זאת, אתה צריך לטעון אותו כך שהטמפרטורה בפנים תעלה מעט מעל מאה מעלות צלזיוס. אם שיטה זו לא עוזרת, אל תדאג, יש עוד אחת: פשוט החלף את האלקטרוליט הישן בחדש. לשם כך, רוקנו את התמיסה הישנה, נקו את החלק הפנימי משאריות חומצה גופרתית במים מזוקקים, ואז יוצקים מנה חדשה. ככלל, פתרונות אלקטרוליטים באיכות גבוהה יש מיד את הריכוז הרצוי. לאחר ההחלפה, אתה יכול לשכוח להרבה זמן איך להגביר את צפיפות האלקטרוליט.
הרכב האלקטרוליט קובע במידה רבה את תכונותיו. מאפיינים כמו מוליכות חשמלית וצפיפות, למשל, תלויים מאוד באופי המומס ובריכוזו. יש שאלה נפרדת לגבי כמה אלקטרוליט יכול להיות בסוללה. למעשה, נפחו קשור ישירות להספק המוצהר של המוצר. ככל שיש יותר חומצה גופרתית בתוך הסוללה, כך היא חזקה יותר, כלומר היא יכולה לייצר יותר מתח.
איפה זה שימושי?
אם אתה חובב רכב או סתם בעניין של מכוניות, אז אתה בעצמך מבין הכל. בטח אתה אפילו יודע איך לקבוע כמה אלקטרוליט יש בסוללה עכשיו. ואם אתה רחוק ממכוניות, אז ידעתכונות החומרים הללו, היישומים שלהם והאופן שבו הם מתקשרים זה עם זה לא יהיו מיותרים כלל. בידיעה זאת, לא תהיו אובדי עצות אם תתבקשו לומר איזה אלקטרוליט יש בסוללה. אמנם גם אם אתם לא חובבי רכב, אבל יש לכם רכב, אז הכרת מכשיר המצבר לא מיותרת כלל ותעזור לכם בתיקונים. יהיה הרבה יותר קל וזול לעשות הכל בעצמך מאשר ללכת למרכז הרכב.
ועל מנת ללמוד טוב יותר נושא זה, אנו ממליצים לקרוא ספר לימוד כימיה לבתי ספר ואוניברסיטאות. אם אתה מכיר את המדע הזה היטב וקראת מספיק ספרי לימוד, "מקורות זרם כימיים" של Varypaev תהיה האפשרות הטובה ביותר. הוא מתאר בפירוט את כל התיאוריה של פעולת סוללות, סוללות שונות ותאי מימן.
מסקנה
הגענו לסוף. בואו נסכם. לעיל, ניתחנו כל מה שקשור למושג כמו אלקטרוליטים: דוגמאות, תיאוריה של מבנה ומאפיינים, פונקציות ויישומים. שוב כדאי לומר שהתרכובות הללו הן חלק מהחיים שלנו, שבלעדיהם הגוף שלנו וכל תחומי התעשייה לא היו יכולים להתקיים. אתה זוכר אלקטרוליטים בדם? בזכותם אנחנו חיים. מה עם המכוניות שלנו? עם הידע הזה, נוכל לתקן כל בעיה הקשורה לסוללה, שכן כעת אנו מבינים כיצד להגביר את צפיפות האלקטרוליט בה.
אי אפשר לספר הכל, ולא קבענו יעד כזה. אחרי הכל, זה לא כל מה שאפשר להגיד על החומרים המדהימים האלה.
