Elektrolyte als Chemikalien sind seit der Antike bekannt. Die meisten ihrer Einsatzgebiete haben sie jedoch erst vor relativ kurzer Zeit erobert. Wir werden die Bereiche mit der höchsten Priorität für die Industrie zur Verwendung dieser Substanzen erörtern und herausfinden, was letztere sind und wie sie sich voneinander unterscheiden. Aber beginnen wir mit einem Exkurs in die Geschichte.
Verlauf
Die ältesten bekannten Elektrolyte sind Salze und Säuren, die in der Antike entdeckt wurden. Im Laufe der Zeit haben sich jedoch Vorstellungen über die Struktur und die Eigenschaften von Elektrolyten entwickelt. Theorien dieser Prozesse haben sich seit den 1880er Jahren entwickelt, als eine Reihe von Entdeckungen im Zusammenhang mit Theorien über die Eigenschaften von Elektrolyten gemacht wurden. Es gab mehrere qualitative Sprünge in Theorien, die die Mechanismen der Wechselwirkung von Elektrolyten mit Wasser beschreiben (schließlich erh alten sie nur in Lösung die Eigenschaften, aufgrund derer sie in der Industrie verwendet werden).
Jetzt werden wir einige Theorien im Detail analysieren, die den größten Einfluss auf die Entwicklung von Ideen über Elektrolyte und ihre Eigenschaften hatten. Und fangen wir mit der gängigsten und einfachsten Theorie an, die jeder von uns in der Schule gelernt hat.
Arrhenius-Theorie der elektrolytischen Dissoziation
im Jahr 1887Der schwedische Chemiker Svante Arrhenius und der russisch-deutsche Chemiker Wilhelm Ostwald entwickelten die Theorie der elektrolytischen Dissoziation. Allerdings ist auch hier nicht alles so einfach. Arrhenius selbst war ein Anhänger der sogenannten physikalischen Lösungstheorie, die die Wechselwirkung der Bestandteile mit Wasser nicht berücksichtigte und argumentierte, dass sich in der Lösung freie geladene Teilchen (Ionen) befinden. Aus solchen Positionen wird übrigens heute in der Schule über elektrolytische Dissoziation nachgedacht.
Lassen Sie uns noch darüber sprechen, was diese Theorie liefert und wie sie uns den Mechanismus der Wechselwirkung von Substanzen mit Wasser erklärt. Wie alle anderen hat sie mehrere Postulate, die sie verwendet:
1. Bei der Wechselwirkung mit Wasser zerfällt die Substanz in Ionen (positiv - Kation und negativ - Anion). Diese Partikel werden hydratisiert: Sie ziehen Wassermoleküle an, die übrigens auf der einen Seite positiv und auf der anderen Seite negativ geladen sind (Bildung eines Dipols), wodurch sie sich zu Wasserkomplexen (Solvaten) formen.
2. Der Dissoziationsprozess ist reversibel - das heißt, wenn die Substanz in Ionen zerfallen ist, kann sie sich unter dem Einfluss irgendwelcher Faktoren wieder in die ursprüngliche verwandeln.
3. Wenn Sie Elektroden an die Lösung anschließen und einen Strom anlegen, beginnen sich die Kationen zur negativen Elektrode - der Kathode - und die Anionen zur positiv geladenen - der Anode zu bewegen. Deshalb leiten gut wasserlösliche Stoffe den Strom besser als Wasser selbst. Sie werden aus dem gleichen Grund auch Elektrolyte genannt.
4. Der Dissoziationsgrad des Elektrolyten charakterisiert den prozentualen Anteil der gelösten Substanz. Dasder Indikator hängt von den Eigenschaften des Lösungsmittels und des gelösten Stoffes selbst, von dessen Konzentration und von der Außentemperatur ab.
Hier, in der Tat, und alle grundlegenden Postulate dieser einfachen Theorie. Wir werden sie in diesem Artikel verwenden, um zu beschreiben, was in einer Elektrolytlösung passiert. Wir werden Beispiele dieser Verbindungen etwas später analysieren, aber jetzt betrachten wir eine andere Theorie.
Lewis-Theorie der Säuren und Basen
Nach der Theorie der elektrolytischen Dissoziation ist eine Säure eine Substanz, in der ein Wasserstoffkation vorhanden ist, und eine Base ist eine Verbindung, die sich in Lösung in ein Hydroxidanion zersetzt. Es gibt eine andere Theorie, die nach dem berühmten Chemiker Gilbert Lewis benannt ist. Es ermöglicht Ihnen, das Konzept von Säure und Base etwas zu erweitern. Nach der Lewis-Theorie sind Säuren Ionen oder Moleküle eines Stoffes, die freie Elektronenorbitale haben und in der Lage sind, ein Elektron eines anderen Moleküls aufzunehmen. Es ist leicht zu erraten, dass die Basen solche Teilchen sein werden, die in der Lage sind, ein oder mehrere ihrer Elektronen für die „Nutzung“der Säure abzugeben. Dabei ist sehr interessant, dass nicht nur ein Elektrolyt, sondern jede Substanz, auch in Wasser unlöslich, eine Säure oder Base sein kann.
Protolithische Theorie nach Brandsted-Lowry
Im Jahr 1923 schlugen zwei Wissenschaftler - J. Bronsted und T. Lowry - unabhängig voneinander eine Theorie vor, die heute von Wissenschaftlern aktiv zur Beschreibung chemischer Prozesse verwendet wird. Das Wesentliche dieser Theorie ist dasDissoziation wird auf die Übertragung eines Protons von einer Säure auf eine Base reduziert. Letzteres wird hier also als Protonenakzeptor verstanden. Dann ist die Säure ihr Spender. Die Theorie erklärt auch gut die Existenz von Substanzen, die die Eigenschaften von Säuren und Basen aufweisen. Solche Verbindungen werden als amphoter bezeichnet. In der Bronsted-Lowry-Theorie wird für sie auch der Begriff Ampholyte verwendet, während Säuren oder Basen meist als Protolithen bezeichnet werden.
Wir sind beim nächsten Teil des Artikels angelangt. Hier erklären wir Ihnen, wie sich starke und schwache Elektrolyte voneinander unterscheiden und diskutieren den Einfluss äußerer Faktoren auf ihre Eigenschaften. Und dann werden wir beginnen, ihre praktische Anwendung zu beschreiben.
Starke und schwache Elektrolyte
Jede Substanz interagiert individuell mit Wasser. Manche lösen sich darin gut auf (z. B. Kochsalz), andere gar nicht (z. B. Kreide). Somit werden alle Substanzen in starke und schwache Elektrolyte eingeteilt. Letztere sind Substanzen, die schlecht mit Wasser wechselwirken und sich am Boden der Lösung absetzen. Das bedeutet, dass sie einen sehr geringen Dissoziationsgrad und eine hohe Bindungsenergie aufweisen, die es dem Molekül unter normalen Bedingungen nicht erlaubt, in seine konstituierenden Ionen zu zerfallen. Die Dissoziation von schwachen Elektrolyten erfolgt entweder sehr langsam oder mit einem Anstieg der Temperatur und Konzentration dieser Substanz in Lösung.
Reden wir über starke Elektrolyte. Dazu gehören alle löslichen Salze sowie starke Säuren und Laugen. Sie zerfallen leicht in Ionen und es ist sehr schwierig, sie im Niederschlag zu sammeln. Der Strom in den Elektrolyten wird übrigens geleitetgerade wegen der in der Lösung enth altenen Ionen. Daher leiten starke Elektrolyte den Strom am besten. Beispiele für letztere: starke Säuren, Laugen, lösliche Salze.
Faktoren, die das Verh alten von Elektrolyten beeinflussen
Lassen Sie uns nun herausfinden, wie sich Änderungen in der äußeren Umgebung auf die Eigenschaften von Substanzen auswirken. Die Konzentration beeinflusst direkt den Grad der Elektrolytdissoziation. Darüber hinaus kann dieses Verhältnis mathematisch ausgedrückt werden. Das diesen Zusammenhang beschreibende Gesetz heißt Ostwaldsches Verdünnungsgesetz und schreibt sich wie folgt: a=(K / c)1/2. Dabei ist a der Dissoziationsgrad (in Bruchteilen), K die Dissoziationskonstante, die für jede Substanz unterschiedlich ist, und c die Konzentration des Elektrolyten in der Lösung. Anhand dieser Formel können Sie viel über die Substanz und ihr Verh alten in Lösung lernen.
Aber wir schweifen ab. Neben der Konzentration wird der Dissoziationsgrad auch von der Temperatur des Elektrolyten beeinflusst. Bei den meisten Substanzen erhöht eine Erhöhung die Löslichkeit und Reaktivität. Dies kann das Auftreten einiger Reaktionen nur bei erhöhten Temperaturen erklären. Unter normalen Bedingungen verlaufen sie entweder sehr langsam oder in beide Richtungen (ein solcher Vorgang wird als reversibel bezeichnet).
Wir haben die Faktoren analysiert, die das Verh alten eines Systems wie einer Elektrolytlösung bestimmen. Kommen wir nun zur praktischen Anwendung dieser zweifellos sehr wichtigen Chemikalien.
Industrielle Nutzung
Natürlich hat jeder schon einmal das Wort "Elektrolyt" gehörtin Bezug auf Batterien. Das Auto verwendet Blei-Säure-Batterien, deren Elektrolyt zu 40 % aus Schwefelsäure besteht. Um zu verstehen, warum dieser Stoff dort überhaupt benötigt wird, lohnt es sich, die Eigenschaften der Batterien zu verstehen.
Also, was ist das Prinzip jeder Batterie? In ihnen tritt eine reversible Reaktion der Umwandlung einer Substanz in eine andere auf, wodurch Elektronen freigesetzt werden. Beim Laden der Batterie findet eine Wechselwirkung von Stoffen statt, die unter normalen Bedingungen nicht gegeben ist. Dies kann als Ansammlung von Elektrizität in einem Stoff als Ergebnis einer chemischen Reaktion dargestellt werden. Wenn die Entladung beginnt, beginnt die Rücktransformation, die das System in den Anfangszustand führt. Diese beiden Prozesse bilden zusammen einen Lade-Entlade-Zyklus.
Betrachten wir den obigen Vorgang an einem konkreten Beispiel - einer Blei-Säure-Batterie. Wie Sie sich vorstellen können, besteht diese Stromquelle aus einem Element, das Blei (sowie Bleidioxid PbO2) und Säure enthält. Jede Batterie besteht aus Elektroden und dem Zwischenraum, der nur mit Elektrolyt gefüllt ist. Als letztes wird, wie wir bereits herausgefunden haben, in unserem Beispiel Schwefelsäure in einer Konzentration von 40 Prozent verwendet. Die Kathode einer solchen Batterie besteht aus Bleidioxid und die Anode aus reinem Blei. All dies liegt daran, dass an diesen beiden Elektroden unter Beteiligung von Ionen, in die die Säure dissoziiert ist, verschiedene reversible Reaktionen ablaufen:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(Reaktion an der negativen Elektrode - Kathode).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Reaktion an der positiven Elektrode - Anode).
Wenn wir die Reaktionen von links nach rechts lesen, erh alten wir die Prozesse, die beim Entladen der Batterie auftreten, und wenn wir von rechts nach links - beim Laden. In jeder chemischen Stromquelle sind diese Reaktionen unterschiedlich, aber der Mechanismus ihres Ablaufs wird im Allgemeinen auf die gleiche Weise beschrieben: Es laufen zwei Prozesse ab, bei denen Elektronen "absorbiert" werden und bei dem anderen umgekehrt " verlassen". Das Wichtigste ist, dass die Anzahl der absorbierten Elektronen gleich der Anzahl der emittierten ist.
Tatsächlich gibt es neben Batterien viele Anwendungen dieser Stoffe. Im Allgemeinen sind Elektrolyte, von denen wir Beispiele genannt haben, nur ein Körnchen aus der Vielf alt der Substanzen, die unter diesem Begriff zusammengefasst werden. Sie umgeben uns überall, überall. Nehmen wir zum Beispiel den menschlichen Körper. Glaubst du, diese Substanzen sind nicht da? Sie irren sich sehr. Sie sind überall in uns, und die größte Menge sind Blutelektrolyte. Dazu gehören zum Beispiel Eisenionen, die Teil des Hämoglobins sind und helfen, Sauerstoff in das Gewebe unseres Körpers zu transportieren. Blutelektrolyte spielen auch eine Schlüsselrolle bei der Regulierung des Wasser-Salz-Haush altes und der Herzfunktion. Diese Funktion wird von Kalium- und Natriumionen übernommen (es gibt sogar einen Prozess, der in Zellen abläuft, die Kalium-Natrium-Pumpe genannt wird).
Jede Substanz, die du auch nur ein wenig auflösen kannst, sind Elektrolyte. Und es gibt keine solche Industrie und unser Leben mit Ihnen, wowas auch immer sie angewendet werden. Dies sind nicht nur Batterien in Autos und Batterien. Dies ist jede Chemie- und Lebensmittelproduktion, Militäranlagen, Bekleidungsfabriken und so weiter.
Die Zusammensetzung des Elektrolyten ist übrigens anders. So ist es möglich, saure und alkalische Elektrolyte zu unterscheiden. Sie unterscheiden sich grundlegend in ihren Eigenschaften: Säuren sind, wie gesagt, Protonenspender und Laugen Akzeptoren. Aber im Laufe der Zeit ändert sich die Zusammensetzung des Elektrolyts aufgrund des Verlusts eines Teils der Substanz, die Konzentration nimmt entweder ab oder zu (es hängt alles davon ab, was verloren geht, Wasser oder Elektrolyt).
Wir begegnen ihnen jeden Tag, aber nur wenige Menschen kennen die genaue Definition eines solchen Begriffs wie Elektrolyte. Wir haben Beispiele für bestimmte Substanzen behandelt, also gehen wir zu etwas komplexeren Konzepten über.
Physikalische Eigenschaften von Elektrolyten
Jetzt zur Physik. Das Wichtigste, was man beim Studium dieses Themas verstehen muss, ist, wie Strom in Elektrolyten übertragen wird. Ionen spielen dabei eine entscheidende Rolle. Diese geladenen Teilchen können Ladung von einem Teil der Lösung auf einen anderen übertragen. Anionen tendieren also immer zur positiven Elektrode und Kationen - zur negativen. Wenn wir also einen elektrischen Strom auf die Lösung einwirken, trennen wir die Ladungen auf verschiedenen Seiten des Systems.
Sehr interessant ist eine physikalische Eigenschaft wie die Dichte. Viele Eigenschaften der Verbindungen, die wir diskutieren, hängen davon ab. Und oft taucht die Frage auf: "Wie kann man die Dichte des Elektrolyten erhöhen?" Tatsächlich ist die Antwort einfach: Sie müssen den Inh alt herabstufenWasser in Lösung. Da die Dichte des Elektrolyten maßgeblich von der Dichte der Schwefelsäure bestimmt wird, hängt sie maßgeblich von deren Konzentration ab. Es gibt zwei Möglichkeiten, den Plan auszuführen. Die erste ist ganz einfach: Kochen Sie den in der Batterie enth altenen Elektrolyten. Dazu müssen Sie es aufladen, damit die Temperatur im Inneren leicht über hundert Grad Celsius steigt. Wenn diese Methode nicht hilft, keine Sorge, es gibt noch eine andere: Ersetzen Sie einfach den alten Elektrolyten durch einen neuen. Lassen Sie dazu die alte Lösung ab, reinigen Sie die Innenseiten von Schwefelsäureresten mit destilliertem Wasser und gießen Sie dann eine neue Portion ein. Hochwertige Elektrolytlösungen haben in der Regel sofort die gewünschte Konzentration. Nach dem Austausch können Sie lange vergessen, wie Sie die Dichte des Elektrolyts erhöhen.
Die Zusammensetzung des Elektrolyten bestimmt maßgeblich seine Eigenschaften. Eigenschaften wie zum Beispiel elektrische Leitfähigkeit und Dichte hängen stark von der Art des gelösten Stoffes und seiner Konzentration ab. Es gibt eine separate Frage, wie viel Elektrolyt in der Batterie sein kann. Tatsächlich steht sein Volumen in direktem Zusammenhang mit der deklarierten Leistung des Produkts. Je mehr Schwefelsäure in der Batterie ist, desto leistungsfähiger ist sie, d.h. desto mehr Spannung kann sie erzeugen.
Wo ist es nützlich?
Wenn du ein Auto-Enthusiast bist oder einfach nur auf Autos stehst, dann verstehst du selbst alles. Sicherlich wissen Sie jetzt sogar, wie Sie feststellen können, wie viel Elektrolyt in der Batterie ist. Und wenn Sie weit weg von Autos sind, dann WissenEigenschaften dieser Substanzen, ihre Anwendungen und wie sie miteinander interagieren, werden keinesfalls überflüssig sein. Mit diesem Wissen sind Sie nicht verlegen, wenn Sie gefragt werden, welcher Elektrolyt in der Batterie ist. Auch wenn Sie kein Autoliebhaber sind, aber ein Auto haben, ist die Kenntnis des Batteriegeräts überhaupt nicht überflüssig und hilft Ihnen bei Reparaturen. Es wird viel einfacher und billiger sein, alles selbst zu machen, als zum Autocenter zu gehen.
Und um dieses Thema besser zu studieren, empfehlen wir die Lektüre eines Chemie-Lehrbuchs für Schulen und Universitäten. Wenn Sie diese Wissenschaft gut kennen und genügend Lehrbücher gelesen haben, wäre Varypaevs "Chemical Current Sources" die beste Option. Es beschreibt detailliert die gesamte Theorie des Betriebs von Batterien, verschiedenen Batterien und Wasserstoffzellen.
Schlussfolgerung
Wir sind am Ende angelangt. Fassen wir zusammen. Oben haben wir alles analysiert, was mit einem solchen Konzept wie Elektrolyten zu tun hat: Beispiele, Theorie der Struktur und Eigenschaften, Funktionen und Anwendungen. Noch einmal sei gesagt, dass diese Verbindungen Teil unseres Lebens sind, ohne die unser Körper und alle Bereiche der Industrie nicht existieren könnten. Erinnern Sie sich an Blutelektrolyte? Dank ihnen leben wir. Was ist mit unseren Autos? Mit diesem Wissen können wir jedes Problem im Zusammenhang mit der Batterie beheben, da wir jetzt verstehen, wie die Dichte des darin enth altenen Elektrolyten erhöht werden kann.
Es ist unmöglich, alles zu sagen, und wir haben uns kein solches Ziel gesetzt. Das ist schließlich noch nicht alles, was man über diese erstaunlichen Substanzen sagen kann.
