Электролиттер химиялық заттар ретінде ерте заманнан белгілі. Дегенмен, олар салыстырмалы түрде жақында өздерінің қолдану салаларының көпшілігін жаулап алды. Біз өнеркәсіп үшін осы заттарды қолданудың ең басым бағыттарын талқылаймыз және соңғысының не екенін және олардың бір-бірінен қалай ерекшеленетінін анықтаймыз. Бірақ тарихқа шолу жасаудан бастайық.
Тарих
Ең көне белгілі электролиттер ежелгі дүниеде табылған тұздар мен қышқылдар. Дегенмен, электролиттердің құрылымы мен қасиеттері туралы идеялар уақыт өте келе дамыды. Бұл процестердің теориялары 1880 жылдардан бастап, электролиттердің қасиеттерінің теорияларына қатысты бірқатар жаңалықтар ашылған кезден бастап дамыды. Электролиттердің сумен әрекеттесу механизмдерін сипаттайтын теорияларда бірнеше сапалы секіріс болды (ақыр соңында олар өнеркәсіпте қолданылатын қасиеттерге тек ерітіндіде ғана ие болады).
Енді біз электролиттер және олардың қасиеттері туралы идеялардың дамуына ең үлкен әсер еткен бірнеше теорияларды егжей-тегжейлі талдаймыз. Әрқайсымыз мектепте қабылдаған ең кең таралған және қарапайым теориядан бастайық.
Аррениустың электролиттік диссоциация теориясы
1887 жШвед химигі Сванте Аррениус пен орыс-неміс химигі Вильгельм Оствальд электролиттік диссоциация теориясын жасады. Дегенмен, мұнда да бәрі оңай емес. Аррениустың өзі ерітінділердің физикалық теориясы деп аталатын теорияның жақтаушысы болды, ол құрамдас заттардың сумен әрекеттесуін есепке алмады және ерітіндіде бос зарядталған бөлшектер (иондар) бар деп дәлелдеді. Айтпақшы, бүгінде мектепте электролиттік диссоциация дәл осындай позициялардан қарастырылады.
Бұл теория не беретінін және заттардың сумен әрекеттесу механизмін бізге қалай түсіндіретінін әлі де айтайық. Басқалар сияқты оның бірнеше постулаттары бар:
1. Сумен әрекеттескенде зат иондарға ыдырайды (оң – катион және теріс – анион). Бұл бөлшектер гидратацияға ұшырайды: олар су молекулаларын тартады, айтпақшы, олар бір жағында оң зарядты, ал екінші жағынан теріс зарядты (диполь құрайды), нәтижесінде олар аква комплекстерге (солваттарға) айналады.
2. Диссоциациялану процесі қайтымды – яғни зат иондарға ыдыраған болса, кез келген факторлардың әсерінен ол қайтадан бастапқыға айналуы мүмкін.
3. Ерітіндіге электродтарды қосып, токты бастаса, онда катиондар теріс электродқа – катодқа, ал аниондар оң зарядталғанға – анодқа қарай жылжи бастайды. Сондықтан суда жақсы еритін заттар судың өзіне қарағанда электр тогын жақсы өткізеді. Дәл сол себепті олар электролиттер деп те аталады.
4. Электролиттің диссоциациялану дәрежесі заттың еріген пайызын сипаттайды. Бұлиндикатор еріткіш пен еріген заттың қасиеттеріне, соңғысының концентрациясына және сыртқы температураға байланысты.
Міне, шын мәнінде және осы қарапайым теорияның барлық негізгі постулаттары. Біз оларды осы мақалада электролит ерітіндісінде не болатынын сипаттау үшін қолданамыз. Бұл қосылыстардың мысалдарын сәл кейінірек талдаймыз, бірақ енді басқа теорияны қарастырамыз.
Қышқылдар мен негіздердің Льюис теориясы
Электролиттік диссоциация теориясына сәйкес қышқыл – құрамында сутегі катионы бар зат, ал негіз – ерітіндіде гидроксид анионына ыдырайтын қосылыс. Атақты химик Гилберт Льюистің атымен аталған тағы бір теория бар. Ол қышқыл мен негіз ұғымын біршама кеңейтуге мүмкіндік береді. Льюис теориясына сәйкес, қышқылдар – бұл еркін электрон орбитальдары бар және басқа молекуладан электрон қабылдауға қабілетті заттың иондары немесе молекулалары. Негіздер бір немесе бірнеше электрондарын қышқылды «пайдалануға» беруге қабілетті бөлшектер болатынын болжау оңай. Бұл жерде электролит ғана емес, сонымен қатар кез келген зат, тіпті суда ерімейтін зат қышқыл немесе негіз бола алатыны өте қызық.
Брендстед-Лоури протолиттік теориясы
1923 жылы бір-бірінен тәуелсіз екі ғалым – Дж. Бронстед пен Т. Лоури – қазір ғалымдар химиялық процестерді сипаттау үшін белсенді түрде қолданатын теорияны ұсынды. Бұл теорияның мәні мынададиссоциация протонның қышқылдан негізге ауысуына дейін төмендейді. Осылайша, соңғысы бұл жерде протонды қабылдаушы ретінде түсініледі. Сонда қышқыл олардың доноры болады. Теория сонымен қатар қышқылдар мен негіздердің қасиеттерін көрсететін заттардың болуын жақсы түсіндіреді. Мұндай қосылыстар амфотерлі деп аталады. Бронстед-Лоури теориясында олар үшін амфолиттер термині де қолданылады, ал қышқылдар немесе негіздер әдетте протолиттер деп аталады.
Біз мақаланың келесі бөліміне келдік. Мұнда біз күшті және әлсіз электролиттердің бір-бірінен қалай ерекшеленетінін айтып, олардың қасиеттеріне сыртқы факторлардың әсерін талқылаймыз. Содан кейін біз олардың практикалық қолданылуын сипаттай бастаймыз.
Күшті және әлсіз электролиттер
Әр зат сумен жеке әрекеттеседі. Кейбіреулер онда жақсы ериді (мысалы, ас тұзы), ал кейбіреулері мүлде ерімейді (мысалы, бор). Осылайша, барлық заттар күшті және әлсіз электролиттер болып бөлінеді. Соңғысы сумен нашар әрекеттесетін және ерітіндінің түбіне шөгетін заттар. Бұл олардың диссоциациялану дәрежесі өте төмен және байланыс энергиясы жоғары екенін білдіреді, бұл қалыпты жағдайда молекуланың оның құрамдас иондарына ыдырауына мүмкіндік бермейді. Әлсіз электролиттердің диссоциациясы не өте баяу, не температура мен ерітіндідегі осы зат концентрациясының жоғарылауымен жүреді.
Күшті электролиттер туралы сөйлесейік. Оларға барлық еритін тұздар, сондай-ақ күшті қышқылдар мен сілтілер жатады. Олар иондарға оңай ыдырайды және оларды жауын-шашында жинау өте қиын. Айтпақшы, электролиттердегі ток өткізіледіерітіндідегі иондарға байланысты. Сондықтан күшті электролиттер токты бәрінен де жақсы өткізеді. Соңғыларының мысалдары: күшті қышқылдар, сілтілер, еритін тұздар.
Электролиттердің әрекетіне әсер ететін факторлар
Енді сыртқы ортадағы өзгерістер заттардың қасиеттеріне қалай әсер ететінін анықтайық. Концентрация электролит диссоциациясының дәрежесіне тікелей әсер етеді. Сонымен қатар, бұл қатынасты математикалық түрде көрсетуге болады. Бұл қатынасты сипаттайтын заң Оствальд сұйылту заңы деп аталады және келесі түрде жазылады: a=(K / c)1/2. Мұндағы а – диссоциациялану дәрежесі (бөлшекпен алынған), К – әр зат үшін әр түрлі болатын диссоциация константасы, с – ерітіндідегі электролит концентрациясы. Бұл формула арқылы сіз зат және оның ерітіндідегі әрекеті туралы көп нәрсені біле аласыз.
Бірақ біз шегініс жасаймыз. Диссоциациялану дәрежесіне концентрациядан басқа электролит температурасы да әсер етеді. Көптеген заттар үшін оны көбейту ерігіштік пен реактивтілікті арттырады. Бұл кейбір реакциялардың тек жоғары температурада пайда болуын түсіндіре алады. Қалыпты жағдайда олар өте баяу немесе екі бағытта да жүреді (мұндай процесс қайтымды деп аталады).
Біз электролит ерітіндісі сияқты жүйенің әрекетін анықтайтын факторларды талдадық. Енді осы, сөзсіз, өте маңызды химиялық заттардың іс жүзінде қолданылуына көшейік.
Өнеркәсіптік пайдалану
Әрине, «электролит» сөзін бәрі естіген.батареяларға қатысты. Автокөлікте электролиті 40% күкірт қышқылы болатын қорғасын-қышқылды аккумуляторлар қолданылады. Бұл заттың не үшін қажет екенін түсіну үшін батареялардың ерекшеліктерін түсінген жөн.
Сонымен кез келген аккумулятордың принципі қандай? Оларда бір заттың екінші затқа айналуының қайтымды реакциясы жүреді, нәтижесінде электрондар бөлінеді. Батарея зарядталған кезде заттардың өзара әрекеттесуі орын алады, ол қалыпты жағдайда алынбайды. Мұны химиялық реакция нәтижесінде затта электр энергиясының жинақталуы ретінде көрсетуге болады. Разряд басталған кезде жүйені бастапқы күйге әкелетін кері түрлендіру басталады. Бұл екі процесс бірге бір зарядтау-разряд циклін құрайды.
Жоғарыдағы процесті нақты мысалда қарастырайық - қорғасын-қышқылды аккумулятор. Сіз болжағандай, бұл ток көзі қорғасын (сонымен қатар қорғасын диоксиді PbO2) және қышқылдан тұратын элементтен тұрады. Кез келген аккумулятор электродтардан және олардың арасындағы бос кеңістіктен тұрады, тек электролитпен толтырылады. Соңғысы ретінде, біз бұрыннан белгілі болғандай, біздің мысалда күкірт қышқылы 40 пайыздық концентрацияда қолданылады. Мұндай аккумулятордың катоды қорғасын диоксидінен, ал анод таза қорғасыннан жасалған. Мұның бәрі қышқыл диссоциацияланған иондардың қатысуымен осы екі электродта әртүрлі қайтымды реакциялар жүретіндіктен:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(теріс электрод – катодта болатын реакция).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Оң электродтағы реакция - анод).
Егер реакцияларды солдан оңға қарай оқысақ - батарея заряды таусылғанда, ал оңнан солға қарай зарядтау кезінде болатын процестерді аламыз. Әрбір химиялық ток көзінде бұл реакциялар әртүрлі, бірақ олардың пайда болу механизмі жалпы түрде бірдей сипатталған: екі процесс жүреді, олардың бірінде электрондар «жұтылады», ал екіншісінде, керісінше, олар « кету». Ең бастысы, жұтылған электрондар саны шығарылатын электрондар санына тең.
Негізінде, батареялардан басқа, бұл заттардың көптеген қолданбалары бар. Жалпы, біз мысалдар келтірген электролиттер осы терминмен біріктірілген заттардың алуан түрлілігінің түйіршіктері ғана. Олар бізді барлық жерде, барлық жерде қоршап тұр. Мысалы, адам денесін алайық. Сіз бұл заттар жоқ деп ойлайсыз ба? Сіз қатты қателесесіз. Олар біздің барлық жерде, ал ең көп мөлшері - қан электролиттері. Оларға, мысалы, гемоглобиннің бөлігі болып табылатын және біздің денеміздің тіндеріне оттегін тасымалдауға көмектесетін темір иондары кіреді. Қандағы электролиттер су-тұз балансын және жүрек қызметін реттеуде де маңызды рөл атқарады. Бұл функцияны калий және натрий иондары орындайды (тіпті жасушаларда пайда болатын процесс калий-натрий сорғысы деп аталады).
Аз болса да еріте алатын кез келген зат электролиттер болып табылады. Ал ондай сала жоқ және сізбен біздің өміріміз, қайдаолар қандай болса да қолданылады. Бұл автомобильдер мен аккумуляторлардағы аккумуляторлар ғана емес. Бұл кез келген химиялық және азық-түлік өндірісі, әскери зауыттар, киім фабрикалары және т.б.
Электролиттің құрамы, айтпақшы, әртүрлі. Сонымен, қышқылды және сілтілі электролиттерді ажыратуға болады. Олар қасиеттері бойынша түбегейлі ерекшеленеді: жоғарыда айтқанымыздай, қышқылдар протон донорлары, ал сілтілер акцепторлар болып табылады. Бірақ уақыт өте келе заттың бір бөлігінің жоғалуына байланысты электролит құрамы өзгереді, концентрациясы не төмендейді, не жоғарылайды (бәрі жоғалған нәрсеге, суға немесе электролитке байланысты).
Біз олармен күн сайын кездесеміз, бірақ электролиттер сияқты терминнің анықтамасын нақты білетін адамдар аз. Біз нақты заттардың мысалдарын қарастырдық, сондықтан сәл күрделірек ұғымдарға көшейік.
Электролиттердің физикалық қасиеттері
Енді физика туралы. Бұл тақырыпты оқып-үйрену кезінде түсіну керек ең маңызды нәрсе - токтың электролиттерде қалай өтетіні. Бұл ретте иондар шешуші рөл атқарады. Бұл зарядталған бөлшектер зарядты ерітіндінің бір бөлігінен екіншісіне тасымалдай алады. Сонымен, аниондар әрқашан оң электродқа, ал катиондар - теріске бейім. Осылайша, электр тогы бар ерітіндіге әсер ете отырып, біз жүйенің әртүрлі жағындағы зарядтарды бөлеміз.
Тығыздық сияқты физикалық сипаттама өте қызықты. Біз қарастырып отырған қосылыстардың көптеген қасиеттері осыған байланысты. Және сұрақ жиі пайда болады: «Электролиттің тығыздығын қалай көтеруге болады?» Шындығында, жауап қарапайым: мазмұнды төмендету керекерітіндідегі су. Электролиттің тығыздығы көп жағдайда күкірт қышқылының тығыздығымен анықталатындықтан, ол көбінесе соңғысының концентрациясына байланысты. Жоспарды жүзеге асырудың екі жолы бар. Біріншісі өте қарапайым: аккумулятордағы электролитті қайнатыңыз. Мұны істеу үшін оны ішіндегі температура Цельсий бойынша жүз градустан сәл жоғары болатындай зарядтау керек. Егер бұл әдіс көмектеспесе, алаңдамаңыз, тағы біреуі бар: ескі электролитті жаңасымен ауыстырыңыз. Мұны істеу үшін ескі ерітіндіні төгіп тастаңыз, күкірт қышқылының қалдықтарының ішін тазартылған сумен тазалаңыз, содан кейін жаңа бөлікке құйыңыз. Әдетте, жоғары сапалы электролит ерітінділері бірден қажетті концентрацияға ие болады. Ауыстырудан кейін электролиттің тығыздығын арттыру жолын ұзақ уақыт ұмыта аласыз.
Электролиттің құрамы негізінен оның қасиеттерін анықтайды. Мысалы, электр өткізгіштік пен тығыздық сияқты сипаттамалар еріген заттың табиғатына және оның концентрациясына өте тәуелді. Батареяда қанша электролит болуы мүмкін екендігі туралы бөлек сұрақ бар. Шын мәнінде, оның көлемі өнімнің мәлімделген қуатына тікелей байланысты. Батареяның ішінде күкірт қышқылы неғұрлым көп болса, соғұрлым оның қуаттылығы жоғары болады, яғни ол соғұрлым көп кернеу шығара алады.
Бұл қай жерде пайдалы?
Егер сіз көлік әуесқойы болсаңыз немесе жай ғана көлікке құмар болсаңыз, онда сіз бәрін өзіңіз түсінесіз. Сіз қазір аккумуляторда қанша электролит бар екенін қалай анықтауға болатынын білесіз. Ал егер сіз көліктен алыс болсаңыз, онда білімбұл заттардың қасиеттері, олардың қолданылуы және бір-бірімен өзара әрекеттесуі мүлдем артық болмайды. Осыны біле тұра, сізден аккумуляторда қандай электролит бар екенін айтуды сұраса, сіз жоғалтпайсыз. Сіз автокөлік әуесқойы болмасаңыз да, бірақ сізде көлігі бар болса да, аккумуляторлық құрылғыны білу мүлдем артық болмайды және жөндеуге көмектеседі. Автоорталыққа барғаннан гөрі бәрін өзіңіз жасау әлдеқайда оңай әрі арзанырақ болады.
Ал бұл тақырыпты жақсырақ зерттеу үшін мектептер мен университеттерге арналған химия оқулығын оқуды ұсынамыз. Егер сіз бұл ғылымды жақсы білсеңіз және жеткілікті оқулықтарды оқысаңыз, Варыпаевтың «Химиялық ток көздері» ең жақсы нұсқа болар еді. Ол батареялардың, әртүрлі батареялардың және сутегі элементтерінің жұмысының бүкіл теориясын егжей-тегжейлі сипаттайды.
Қорытынды
Соңына да жеттік. Жинақтау. Жоғарыда біз электролиттер сияқты тұжырымдамаға қатысты барлық нәрсені талдадық: мысалдар, құрылым мен қасиеттер теориясы, функциялар мен қолданбалар. Тағы да айта кету керек, бұл қосылыстар біздің өміріміздің бір бөлігі, оларсыз біздің денеміз және өнеркәсіптің барлық салалары өмір сүре алмайды. Қанның электролиттері есіңізде ме? Солардың арқасында өмір сүріп жатырмыз. Біздің көліктер ше? Осы білім арқылы біз аккумуляторға қатысты кез келген мәселені шеше аламыз, өйткені енді ондағы электролиттің тығыздығын қалай арттыру керектігін түсінеміз.
Бәрін айтып жеткізу мүмкін емес, біз ондай мақсат қойған жоқпыз. Ақыр соңында, бұл таңғажайып заттар туралы айту мүмкін емес.
