Elektrolyty jako chemikálie jsou známy již od starověku. Většinu oblastí jejich použití si však podmanily relativně nedávno. Budeme diskutovat o oblastech s nejvyšší prioritou pro průmysl, kde se tyto látky používají, a zjistíme, co jsou ty druhé a jak se od sebe liší. Ale začněme odbočkou do historie.
Historie
Nejstarší známé elektrolyty jsou soli a kyseliny objevené ve starověkém světě. Představy o struktuře a vlastnostech elektrolytů se však postupem času vyvíjely. Teorie těchto procesů se vyvíjely od 80. let 19. století, kdy byla učiněna řada objevů souvisejících s teoriemi vlastností elektrolytů. Došlo k několika kvalitativním skokům v teoriích popisujících mechanismy interakce elektrolytů s vodou (ostatně teprve v roztoku získávají vlastnosti, díky kterým se používají v průmyslu).
Nyní podrobně rozebereme několik teorií, které měly největší vliv na vývoj představ o elektrolytech a jejich vlastnostech. A začněme nejběžnější a nejjednodušší teorií, kterou si každý z nás ve škole vzal.
Arrheniusova teorie elektrolytické disociace
v roce 1887Švédský chemik Svante Arrhenius a rusko-německý chemik Wilhelm Ostwald vytvořili teorii elektrolytické disociace. Ani zde však není vše tak jednoduché. Sám Arrhenius byl zastáncem tzv. fyzikální teorie roztoků, která nebrala v úvahu interakci jednotlivých látek s vodou a tvrdila, že v roztoku jsou volné nabité částice (ionty). Mimochodem, právě z takových pozic se dnes ve škole uvažuje o elektrolytické disociaci.
Ještě si povíme, co tato teorie dává a jak nám vysvětluje mechanismus interakce látek s vodou. Jako všichni ostatní má několik postulátů, které používá:
1. Při interakci s vodou se látka rozkládá na ionty (pozitivní - kationt a negativní - anion). Tyto částice podléhají hydrataci: přitahují molekuly vody, které jsou mimochodem na jedné straně kladně nabité a na druhé záporně nabité (tvoří dipól), v důsledku toho se tvoří akvakomplexy (solváty).
2. Proces disociace je reverzibilní - to znamená, že pokud se látka rozpadla na ionty, pak se pod vlivem jakýchkoli faktorů může znovu změnit na původní.
3. Pokud připojíte elektrody k roztoku a spustíte proud, pak se kationty začnou pohybovat směrem k záporné elektrodě - katodě a anionty směrem ke kladně nabité - anodě. Proto látky, které jsou vysoce rozpustné ve vodě, vedou elektrický proud lépe než samotná voda. Ze stejného důvodu se jim také říká elektrolyty.
4. Stupeň disociace elektrolytu charakterizuje procento látky, která prošla rozpuštěním. Tentoindikátor závisí na vlastnostech rozpouštědla a samotné rozpuštěné látky, na její koncentraci a na vnější teplotě.
Tady, ve skutečnosti, a všechny základní postuláty této jednoduché teorie. Použijeme je v tomto článku k popisu toho, co se děje v roztoku elektrolytu. Příklady těchto sloučenin budeme analyzovat o něco později, ale nyní zvážíme jinou teorii.
Lewisova teorie kyselin a zásad
Podle teorie elektrolytické disociace je kyselina látka, ve které je přítomen vodíkový kationt, a zásada je sloučenina, která se v roztoku rozkládá na hydroxidový aniont. Existuje další teorie pojmenovaná po slavném chemikovi Gilbertu Lewisovi. Umožňuje poněkud rozšířit koncept kyseliny a zásady. Podle Lewisovy teorie jsou kyseliny ionty nebo molekuly látky, které mají volné elektronové orbitaly a jsou schopny přijmout elektron z jiné molekuly. Je snadné odhadnout, že bázemi budou takové částice, které jsou schopny darovat jeden nebo více svých elektronů k „použití“kyseliny. Zde je velmi zajímavé, že nejen elektrolytem, ale také jakoukoli látkou, dokonce i nerozpustnou ve vodě, může být kyselina nebo zásada.
Brandsted-Lowryho protolitická teorie
V roce 1923, nezávisle na sobě, dva vědci - J. Bronsted a T. Lowry - navrhli teorii, kterou nyní vědci aktivně používají k popisu chemických procesů. Podstatou této teorie je todisociace se redukuje na přenos protonu z kyseliny na zásadu. Posledně jmenovaný je zde tedy chápán jako akceptor protonů. Pak je kyselina jejich dárcem. Teorie také dobře vysvětluje existenci látek, které vykazují vlastnosti kyselin i zásad. Takové sloučeniny se nazývají amfoterní. V Bronsted-Lowryho teorii se pro ně také používá termín amfolyty, zatímco kyseliny nebo zásady se obvykle nazývají protolity.
Dostali jsme se k další části článku. Zde vám řekneme, jak se od sebe liší silné a slabé elektrolyty a probereme vliv vnějších faktorů na jejich vlastnosti. A pak začneme popisovat jejich praktické použití.
Silné a slabé elektrolyty
Každá látka interaguje s vodou individuálně. Některé se v něm dobře rozpouštějí (například kuchyňská sůl), zatímco některé se nerozpouštějí vůbec (například křída). Všechny látky se tedy dělí na silné a slabé elektrolyty. Posledně jmenované jsou látky, které špatně interagují s vodou a usazují se na dně roztoku. To znamená, že mají velmi nízký stupeň disociace a vysokou vazebnou energii, která za normálních podmínek nedovoluje molekule rozložit se na její ionty. K disociaci slabých elektrolytů dochází buď velmi pomalu, nebo se zvýšením teploty a koncentrace této látky v roztoku.
Pojďme mluvit o silných elektrolytech. Patří sem všechny rozpustné soli, stejně jako silné kyseliny a zásady. Snadno se rozpadají na ionty a je velmi obtížné je zachytit ve srážkách. Proud v elektrolytech je mimochodem vedenprávě kvůli iontům obsaženým v roztoku. Proto silné elektrolyty vedou proud nejlépe ze všech. Příklady posledně jmenovaných: silné kyseliny, zásady, rozpustné soli.
Faktory ovlivňující chování elektrolytů
Nyní pojďme zjistit, jak změny ve vnějším prostředí ovlivňují vlastnosti látek. Koncentrace přímo ovlivňuje stupeň disociace elektrolytu. Navíc lze tento poměr vyjádřit matematicky. Zákon popisující tento vztah se nazývá Ostwaldův zákon zředění a je napsán následovně: a=(K / c)1/2. Zde a je stupeň disociace (uváděný ve zlomcích), K je disociační konstanta, která je pro každou látku jiná, a c je koncentrace elektrolytu v roztoku. Pomocí tohoto vzorce se můžete dozvědět mnoho o látce a jejím chování v roztoku.
Ale to jsme odbočili. Stupeň disociace ovlivňuje kromě koncentrace také teplota elektrolytu. U většiny látek jeho zvýšení zvyšuje rozpustnost a reaktivitu. To může vysvětlit výskyt některých reakcí pouze při zvýšených teplotách. Za normálních podmínek jdou buď velmi pomalu, nebo v obou směrech (takový proces se nazývá reverzibilní).
Analyzovali jsme faktory, které určují chování systému, jako je roztok elektrolytu. Nyní přejděme k praktickému použití těchto, bezpochyby velmi důležitých chemikálií.
Průmyslové použití
Samozřejmě každý slyšel slovo „elektrolyt“ve vztahu k bateriím. Vůz používá olověné akumulátory, jejichž elektrolytem je 40% kyselina sírová. Abychom pochopili, proč je tam tato látka vůbec potřeba, stojí za to pochopit vlastnosti baterií.
Jaký je tedy princip jakékoli baterie? V nich dochází k vratné reakci přeměny jedné látky na druhou, v důsledku čehož se uvolňují elektrony. Při nabíjení baterie dochází k interakci látek, které za normálních podmínek nedochází. To lze znázornit jako akumulaci elektřiny v látce v důsledku chemické reakce. Když začne vybíjení, začne zpětná transformace, která vede systém do počátečního stavu. Tyto dva procesy dohromady tvoří jeden cyklus nabíjení-vybíjení.
Uvažme výše uvedený proces na konkrétním příkladu – olověné baterii. Jak asi tušíte, tento zdroj proudu se skládá z prvku obsahujícího olovo (a také oxid olovnatý PbO2) a kyselinu. Každá baterie se skládá z elektrod a prostoru mezi nimi, naplněného pouze elektrolytem. Jako poslední, jak jsme již zjistili, je v našem příkladu použita kyselina sírová v koncentraci 40 procent. Katoda takové baterie je vyrobena z oxidu olovnatého a anoda je vyrobena z čistého olova. To vše proto, že na těchto dvou elektrodách probíhají různé reverzibilní reakce za účasti iontů, na které se kyselina disociovala:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(reakce nastávající na záporné elektrodě – katodě).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Reakce na kladné elektrodě – anodě).
Pokud čteme reakce zleva doprava – dostaneme procesy, ke kterým dochází při vybití baterie, a pokud zprava doleva – při nabíjení. V každém chemickém zdroji proudu jsou tyto reakce různé, ale mechanismus jejich vzniku je obecně popsán stejně: probíhají dva procesy, z nichž v jednom jsou elektrony „absorbovány“a ve druhém naopak „ odejít . Nejdůležitější je, aby se počet absorbovaných elektronů rovnal počtu emitovaných.
Ve skutečnosti existuje kromě baterií mnoho aplikací těchto látek. Obecně platí, že elektrolyty, jejichž příklady jsme uvedli, jsou jen zrnkem rozmanitých látek, které jsou pod tímto pojmem spojeny. Obklopují nás všude, všude. Vezměme si například lidské tělo. Myslíte si, že tam tyto látky nejsou? velmi se mýlíte. Jsou v nás všude a největší množství tvoří krevní elektrolyty. Patří mezi ně například ionty železa, které jsou součástí hemoglobinu a pomáhají transportovat kyslík do tkání našeho těla. Krevní elektrolyty také hrají klíčovou roli v regulaci rovnováhy voda-sůl a srdeční funkce. Tuto funkci plní ionty draslíku a sodíku (dokonce v buňkách probíhá proces, který se nazývá pumpa draslíku a sodíku).
Jakákoli látka, kterou můžete i trochu rozpustit, jsou elektrolyty. A není tam žádný takový průmysl a náš život s vámi, kdeať jsou aplikovány jakkoli. Nejde jen o baterie v autech a baterie. Jedná se o jakoukoli chemickou a potravinářskou výrobu, vojenské závody, oděvní továrny a tak dále.
Složení elektrolytu je mimochodem jiné. Je tedy možné rozlišit kyselý a alkalický elektrolyt. Zásadně se liší svými vlastnostmi: jak jsme již řekli, kyseliny jsou donory protonů a zásady akceptory. Ale postupem času se složení elektrolytu mění kvůli ztrátě části látky, koncentrace buď klesá, nebo stoupá (vše závisí na tom, co se ztratí, voda nebo elektrolyt).
Setkáváme se s nimi každý den, ale málokdo zná přesnou definici takového pojmu jako elektrolyty. Probrali jsme příklady konkrétních látek, takže přejdeme k trochu složitějším pojmům.
Fyzikální vlastnosti elektrolytů
Nyní o fyzice. Při studiu tohoto tématu je nejdůležitější pochopit, jak se proud přenáší v elektrolytech. Rozhodující roli v tom hrají ionty. Tyto nabité částice mohou přenášet náboj z jedné části roztoku do druhé. Anionty mají tedy vždy sklon ke kladné elektrodě a kationty k záporné elektrodě. Působením elektrického proudu na roztok oddělujeme náboje na různých stranách systému.
Velmi zajímavá je taková fyzikální charakteristika, jako je hustota. Na tom závisí mnoho vlastností sloučenin, o kterých diskutujeme. A často se objevuje otázka: "Jak zvýšit hustotu elektrolytu?" Ve skutečnosti je odpověď jednoduchá: musíte snížit verzi obsahuvoda v roztoku. Protože hustota elektrolytu je do značné míry určena hustotou kyseliny sírové, závisí do značné míry na koncentraci kyseliny sírové. Plán lze realizovat dvěma způsoby. První je docela jednoduchý: vyvařte elektrolyt obsažený v baterii. K tomu je potřeba jej nabít tak, aby teplota uvnitř stoupla lehce nad sto stupňů Celsia. Pokud tato metoda nepomůže, nebojte se, existuje další: jednoduše vyměňte starý elektrolyt za nový. Chcete-li to provést, vypusťte starý roztok, vyčistěte vnitřek zbytků kyseliny sírové destilovanou vodou a poté nalijte novou porci. Vysoce kvalitní roztoky elektrolytů mají zpravidla okamžitě požadovanou koncentraci. Po výměně můžete na dlouhou dobu zapomenout na to, jak zvýšit hustotu elektrolytu.
Složení elektrolytu do značné míry určuje jeho vlastnosti. Charakteristiky, jako je elektrická vodivost a hustota, například, jsou vysoce závislé na povaze rozpuštěné látky a její koncentraci. Existuje samostatná otázka, kolik elektrolytu může být v baterii. Ve skutečnosti jeho objem přímo souvisí s deklarovaným výkonem produktu. Čím více kyseliny sírové je uvnitř baterie, tím je výkonnější, tj. čím větší napětí dokáže vyrobit.
Kde se to hodí?
Jste-li automobilovým nadšencem nebo jen auty, pak sami všemu rozumíte. Určitě dokonce víte, jak zjistit, kolik elektrolytu je nyní v baterii. A pokud máte k autům daleko, tak znalostivlastnosti těchto látek, jejich aplikace a to, jak na sebe vzájemně působí, nebudou vůbec zbytečné. Když to víte, nebudete v rozpacích, pokud budete požádáni, abyste řekli, který elektrolyt je v baterii. Přestože i když nejste nadšenec do aut, ale máte auto, znalost bateriového zařízení nebude vůbec zbytečná a pomůže vám s opravami. Bude mnohem snazší a levnější dělat vše sami, než chodit do autocentra.
Abyste si toto téma lépe prostudovali, doporučujeme přečíst si učebnici chemie pro školy a univerzity. Pokud tuto vědu dobře znáte a máte načteno dostatek učebnic, Varypajevovy „Chemické proudové zdroje“by byly nejlepší volbou. Podrobně nastiňuje celou teorii fungování baterií, různých baterií a vodíkových článků.
Závěr
Došli jsme ke konci. Pojďme si to shrnout. Výše jsme analyzovali vše, co souvisí s takovým konceptem, jako jsou elektrolyty: příklady, teorie struktury a vlastností, funkce a aplikace. Ještě jednou stojí za to říci, že tyto sloučeniny jsou součástí našeho života, bez které by naše těla a všechny oblasti průmyslu nemohly existovat. Pamatujete si krevní elektrolyty? Díky nim žijeme. A co naše auta? S těmito znalostmi budeme schopni opravit jakýkoli problém související s baterií, protože nyní chápeme, jak zvýšit hustotu elektrolytu v ní.
Nelze říct všechno a takový cíl jsme si nestanovili. Ostatně to není vše, co lze o těchto úžasných látkách říci.
