الکترولیت ها به عنوان مواد شیمیایی از زمان های قدیم شناخته شده اند. با این حال، آنها اکثر حوزه های کاربردی خود را نسبتاً اخیراً فتح کرده اند. ما در مورد اولویت های صنعت برای استفاده از این مواد بحث خواهیم کرد و متوجه خواهیم شد که این مواد چیست و چگونه با یکدیگر تفاوت دارند. اما اجازه دهید با انحراف در تاریخ شروع کنیم.
تاریخ
قدیمی ترین الکترولیت های شناخته شده نمک ها و اسیدهای کشف شده در دنیای باستان هستند. با این حال، ایده ها در مورد ساختار و خواص الکترولیت ها در طول زمان تکامل یافته است. نظریه های این فرآیندها از دهه 1880، زمانی که تعدادی اکتشافات مربوط به نظریه های خواص الکترولیت ها انجام شد، تکامل یافته است. چندین جهش کیفی در تئوری‌هایی که مکانیسم‌های برهمکنش الکترولیتها با آب را توصیف می‌کنند وجود داشته است (در نهایت، آنها فقط در محلول خواصی را به دست می‌آورند که به واسطه آن در صنعت استفاده می‌شوند).
اکنون چندین نظریه را که بیشترین تأثیر را در توسعه ایده‌ها در مورد الکترولیتها و خواص آنها داشته‌اند، به تفصیل تجزیه و تحلیل می‌کنیم. و بیایید با رایج‌ترین و ساده‌ترین نظریه‌ای که هر یک از ما در مدرسه قبول کردیم شروع کنیم.
نظریه تفکیک الکترولیتی آرنیوس
در سال 1887سوانته آرنیوس شیمیدان سوئدی و ویلهلم استوالد شیمیدان روسی-آلمانی تئوری تفکیک الکترولیتی را ایجاد کردند. با این حال، همه چیز در اینجا نیز به این سادگی نیست. خود آرنیوس از طرفداران به اصطلاح نظریه فیزیکی محلول ها بود که برهمکنش مواد تشکیل دهنده با آب را در نظر نمی گرفت و استدلال می کرد که ذرات باردار آزاد (یون ها) در محلول وجود دارد. به هر حال، امروزه در مدرسه تفکیک الکترولیتی از چنین موقعیت هایی در نظر گرفته می شود.
بیایید هنوز در مورد آنچه این نظریه می دهد صحبت کنیم و چگونه مکانیسم برهمکنش مواد با آب را برای ما توضیح می دهد. او مانند همه افراد دیگر چندین فرض دارد که از آنها استفاده می کند:
1. هنگام تعامل با آب، این ماده به یون ها (مثبت - کاتیون و منفی - آنیون) تجزیه می شود. این ذرات تحت هیدراته شدن قرار می‌گیرند: مولکول‌های آب را جذب می‌کنند که اتفاقاً از یک طرف دارای بار مثبت و از طرف دیگر بار منفی دارند (یک دوقطبی تشکیل می‌دهند)، در نتیجه به کمپلکس‌های آبی (محلول‌ها) تبدیل می‌شوند.
2. فرآیند تفکیک برگشت پذیر است - یعنی اگر ماده به یون تجزیه شود، تحت تأثیر هر عاملی می تواند دوباره به اصلی تبدیل شود.
3. اگر الکترودها را به محلول متصل کنید و جریانی را شروع کنید، کاتیون ها شروع به حرکت به سمت الکترود منفی - کاتد و آنیون ها به سمت بار مثبت - آند می کنند. به همین دلیل است که موادی که در آب بسیار محلول هستند جریان الکتریسیته را بهتر از خود آب هدایت می کنند. آنها همچنین به همین دلیل الکترولیت نامیده می شوند.
4. درجه تفکیک الکترولیت مشخص کننده درصد ماده ای است که تحت انحلال قرار گرفته است. ایناین شاخص به خواص حلال و خود املاح، به غلظت دومی و دمای خارجی بستگی دارد.
اینجا، در واقع، و تمام اصول اساسی این نظریه ساده. ما در این مقاله از آنها برای توصیف آنچه در محلول الکترولیت اتفاق می افتد استفاده خواهیم کرد. نمونه هایی از این ترکیبات را کمی بعد تحلیل خواهیم کرد، اما اکنون نظریه دیگری را در نظر خواهیم گرفت.
نظریه اسیدها و بازهای لوئیس
طبق تئوری تفکیک الکترولیتی، اسید ماده ای است که در آن کاتیون هیدروژن وجود دارد و باز ترکیبی است که در محلول به آنیون هیدروکسید تجزیه می شود. نظریه دیگری به نام شیمیدان معروف گیلبرت لوئیس وجود دارد. این به شما اجازه می دهد تا مفهوم اسید و باز را تا حدودی گسترش دهید. طبق نظریه لوئیس، اسیدها یون ها یا مولکول های یک ماده هستند که دارای اوربیتال های الکترون آزاد هستند و قادر به پذیرش الکترون از مولکول دیگر هستند. به راحتی می توان حدس زد که بازها ذراتی باشند که قادرند یک یا چند الکترون خود را به "استفاده" از اسید اهدا کنند. در اینجا بسیار جالب است که نه تنها یک الکترولیت، بلکه هر ماده ای حتی نامحلول در آب نیز می تواند اسید یا باز باشد.
نظریه سنگ اولیه برندستد-لوری
در سال 1923، مستقل از یکدیگر، دو دانشمند - J. Bronsted و T. Lowry - نظریه ای را ارائه کردند که اکنون به طور فعال توسط دانشمندان برای توصیف فرآیندهای شیمیایی استفاده می شود. ماهیت این نظریه این است کهتفکیک به انتقال یک پروتون از یک اسید به یک باز کاهش می یابد. بنابراین، دومی در اینجا به عنوان یک گیرنده پروتون درک می شود. سپس اسید اهداکننده آنهاست. این نظریه همچنین وجود موادی را به خوبی توضیح می‌دهد که خواص اسیدها و بازها را نشان می‌دهند. به چنین ترکیباتی آمفوتریک می گویند. در تئوری برونستد-لوری، اصطلاح آمفولیت ها نیز برای آنها استفاده می شود، در حالی که اسیدها یا بازها را معمولاً پروتولیت می نامند.
به قسمت بعدی مقاله رسیدیم. در اینجا به شما خواهیم گفت که الکترولیت های قوی و ضعیف چقدر با یکدیگر تفاوت دارند و تأثیر عوامل خارجی بر خواص آنها را مورد بحث قرار می دهیم. و سپس ما شروع به توصیف کاربرد عملی آنها خواهیم کرد.
الکترولیت های قوی و ضعیف
هر ماده به طور جداگانه با آب تعامل دارد. برخی به خوبی در آن حل می شوند (مثلاً نمک خوراکی)، در حالی که برخی اصلاً حل نمی شوند (مثلاً گچ). بنابراین، تمام مواد به الکترولیت های قوی و ضعیف تقسیم می شوند. دومی موادی هستند که برهمکنش ضعیفی با آب دارند و در ته محلول می نشینند. این بدان معنی است که آنها دارای درجه تفکیک بسیار پایین و انرژی پیوند بالایی هستند که در شرایط عادی اجازه نمی دهد مولکول به یون های تشکیل دهنده خود تجزیه شود. تفکیک الکترولیت‌های ضعیف یا بسیار آهسته یا با افزایش دما و غلظت این ماده در محلول اتفاق می‌افتد.
بیایید در مورد الکترولیت های قوی صحبت کنیم. اینها شامل تمام نمکهای محلول و همچنین اسیدهای قوی و قلیایی می شود. آنها به راحتی به یون تجزیه می شوند و جمع آوری آنها در بارش بسیار دشوار است. جریان در الکترولیت ها، به هر حال، هدایت می شوددقیقا به دلیل یون های موجود در محلول. بنابراین، الکترولیت های قوی جریان را بهتر از همه هدایت می کنند. نمونه هایی از دومی: اسیدهای قوی، قلیایی ها، نمک های محلول.
عوامل مؤثر بر رفتار الکترولیت ها
حالا بیایید بفهمیم که چگونه تغییرات در محیط خارجی بر خواص مواد تأثیر می گذارد. غلظت به طور مستقیم بر درجه تفکیک الکترولیت تأثیر می گذارد. علاوه بر این، این نسبت را می توان به صورت ریاضی بیان کرد. قانونی که این رابطه را توصیف می کند، قانون رقیق سازی استوالد نامیده می شود و به صورت زیر نوشته می شود: a=(K / c)1/2. در اینجا a درجه تفکیک (به صورت کسری) K ثابت تفکیک است که برای هر ماده متفاوت است و c غلظت الکترولیت در محلول است. با این فرمول، می توانید چیزهای زیادی در مورد ماده و رفتار آن در محلول بیاموزید.
اما ما منحرف می شویم. علاوه بر غلظت، درجه تفکیک نیز تحت تأثیر دمای الکترولیت است. برای اکثر مواد، افزایش آن حلالیت و واکنش پذیری را افزایش می دهد. این می تواند وقوع برخی واکنش ها را فقط در دماهای بالا توضیح دهد. در شرایط عادی، آنها یا بسیار آهسته پیش می روند یا در هر دو جهت (چنین فرآیندی برگشت پذیر نامیده می شود).
ما عوامل تعیین کننده رفتار یک سیستم مانند محلول الکترولیت را تجزیه و تحلیل کرده ایم. حالا بیایید به سراغ کاربرد عملی این مواد شیمیایی بسیار مهم برویم.
کاربرد صنعتی
البته همه کلمه "الکترولیت" را شنیده اند.در رابطه با باتری ها این خودرو از باتری های سرب اسیدی استفاده می کند که الکترولیت آن 40 درصد اسید سولفوریک است. برای درک اینکه چرا اصلاً این ماده در آنجا مورد نیاز است، ارزش درک ویژگی های باتری ها را دارد.
پس اصل هر باتری چیست؟ در آنها یک واکنش برگشت پذیر از تبدیل یک ماده به ماده دیگر رخ می دهد که در نتیجه الکترون ها آزاد می شوند. هنگامی که باتری شارژ می شود، فعل و انفعال مواد روی می دهد که در شرایط عادی به دست نمی آید. این را می توان به عنوان تجمع الکتریسیته در یک ماده در نتیجه یک واکنش شیمیایی نشان داد. هنگامی که تخلیه شروع می شود، تبدیل معکوس شروع می شود و سیستم را به حالت اولیه هدایت می کند. این دو فرآیند با هم یک چرخه شارژ-تخلیه را تشکیل می دهند.
بیایید فرآیند فوق را در یک مثال خاص در نظر بگیریم - باتری سرب اسید. همانطور که ممکن است حدس بزنید، این منبع فعلی از یک عنصر حاوی سرب (و همچنین دی اکسید سرب PbO2) و اسید تشکیل شده است. هر باتری از الکترودها و فضای بین آنها تشکیل شده است که فقط با الکترولیت پر شده است. به عنوان آخرین، همانطور که قبلا متوجه شدیم، در مثال ما، اسید سولفوریک با غلظت 40 درصد استفاده می شود. کاتد چنین باتری از دی اکسید سرب و آند از سرب خالص ساخته شده است. همه اینها به این دلیل است که واکنش‌های برگشت‌پذیر متفاوتی روی این دو الکترود با مشارکت یون‌هایی که اسید در آنها جدا شده است رخ می‌دهد:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(واکنش در الکترود منفی - کاتد رخ می دهد).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (واکنش در الکترود مثبت - آند).
اگر واکنش‌ها را از چپ به راست بخوانیم - فرآیندهایی را دریافت می‌کنیم که هنگام تخلیه باتری و اگر از راست به چپ - هنگام شارژ شدن اتفاق می‌افتند. در هر منبع جریان شیمیایی، این واکنش ها متفاوت است، اما مکانیسم وقوع آنها به طور کلی به یک شکل توصیف می شود: دو فرآیند رخ می دهد، که در یکی از آنها الکترون ها "جذب می شوند" و در دیگری، برعکس، آنها " ترک کردن". مهمترین چیز این است که تعداد الکترونهای جذب شده با تعداد الکترونهای گسیل شده برابر است.
در واقع، علاوه بر باتری، کاربردهای زیادی از این مواد وجود دارد. به طور کلی، الکترولیتها، که نمونه‌هایی از آنها را آورده‌ایم، تنها دانه‌ای از انواع موادی هستند که تحت این اصطلاح ترکیب می‌شوند. آنها ما را در همه جا، همه جا احاطه کرده اند. برای مثال بدن انسان را در نظر بگیرید. به نظر شما این مواد وجود ندارند؟ شما خیلی در اشتباهید. آنها در همه جای ما هستند و بیشترین مقدار الکترولیت های خون است. برای مثال، یون‌های آهن که بخشی از هموگلوبین هستند و به انتقال اکسیژن به بافت‌های بدن ما کمک می‌کنند، می‌شوند. الکترولیت های خون نیز نقش کلیدی در تنظیم تعادل آب و نمک و عملکرد قلب دارند. این عملکرد توسط یون های پتاسیم و سدیم انجام می شود (حتی فرآیندی در سلول ها رخ می دهد که به آن پمپ پتاسیم سدیم می گویند).
هر ماده ای که بتوانید حتی اندکی آن را حل کنید الکترولیت است. و چنین صنعت و زندگی ما با تو نیست، کجاهر چه اعمال شوند این فقط باتری در اتومبیل ها و باتری ها نیست. این هر گونه تولید مواد شیمیایی و غذایی، کارخانه های نظامی، کارخانه های پوشاک و غیره است.
ترکیب الکترولیت، به هر حال، متفاوت است. بنابراین، می توان الکترولیت اسیدی و قلیایی را تشخیص داد. آنها اساساً در خواص آنها متفاوت هستند: همانطور که قبلاً گفتیم، اسیدها دهنده پروتون هستند و قلیایی ها پذیرنده هستند. اما با گذشت زمان، ترکیب الکترولیت به دلیل از دست دادن بخشی از ماده تغییر می کند، غلظت یا کاهش می یابد یا افزایش می یابد (این همه بستگی به چیزی دارد که از دست می رود، آب یا الکترولیت).
ما هر روز با آنها روبرو می شویم، اما تعداد کمی از مردم دقیقاً تعریف چنین اصطلاحی به عنوان الکترولیت را می دانند. ما نمونه هایی از مواد خاص را پوشش داده ایم، بنابراین اجازه دهید به مفاهیم کمی پیچیده تر برویم.
خواص فیزیکی الکترولیت ها
حالا در مورد فیزیک. مهمترین چیزی که هنگام مطالعه این موضوع باید درک کنید این است که چگونه جریان در الکترولیت ها منتقل می شود. یون ها در این امر نقش تعیین کننده ای دارند. این ذرات باردار می توانند بار را از قسمتی از محلول به قسمت دیگر منتقل کنند. بنابراین، آنیون ها همیشه به الکترود مثبت و کاتیون ها به سمت منفی تمایل دارند. بنابراین، با اثرگذاری بر روی محلول با جریان الکتریکی، بارها را در طرف‌های مختلف سیستم جدا می‌کنیم.
خیلی جالب است ویژگی فیزیکی مانند چگالی. بسیاری از خواص ترکیبات مورد بحث ما به آن بستگی دارد. و اغلب این سوال مطرح می شود: "چگونه چگالی الکترولیت را افزایش دهیم؟" در واقع، پاسخ ساده است: شما باید محتوا را کاهش دهیدآب در محلول از آنجایی که چگالی الکترولیت تا حد زیادی توسط چگالی اسید سولفوریک تعیین می شود، تا حد زیادی به غلظت اسید سولفوریک بستگی دارد. دو راه برای اجرای طرح وجود دارد. اولین مورد بسیار ساده است: الکترولیت موجود در باتری را بجوشانید. برای این کار باید آن را شارژ کنید تا دمای داخل آن کمی بالاتر از صد درجه سانتیگراد باشد. اگر این روش کمکی نکرد، نگران نباشید، روش دیگری وجود دارد: به سادگی الکترولیت قدیمی را با یک الکترولیت جدید جایگزین کنید. برای انجام این کار، محلول قدیمی را تخلیه کنید، داخل باقی مانده های اسید سولفوریک را با آب مقطر تمیز کنید و سپس در قسمت جدید بریزید. به عنوان یک قاعده، محلول های الکترولیت با کیفیت بالا بلافاصله غلظت مورد نظر را دارند. پس از تعویض، می توانید برای مدت طولانی نحوه افزایش چگالی الکترولیت را فراموش کنید.
ترکیب الکترولیت تا حد زیادی خواص آن را تعیین می کند. برای مثال، ویژگی هایی مانند رسانایی الکتریکی و چگالی، به شدت به ماهیت املاح و غلظت آن بستگی دارد. یک سوال جداگانه در مورد مقدار الکترولیت در باتری وجود دارد. در واقع حجم آن ارتباط مستقیمی با توان اعلامی محصول دارد. هرچه اسید سولفوریک داخل باتری بیشتر باشد، قوی‌تر است، یعنی ولتاژ بیشتری می‌تواند تولید کند.
از کجا به کار می آید؟
اگر عاشق ماشین هستید یا فقط به ماشین علاقه دارید، پس خودتان همه چیز را می فهمید. مطمئنا شما حتی می دانید که چگونه می توانید میزان الکترولیت را در باتری تعیین کنید. و اگر از ماشین دور هستید، پس دانشخواص این مواد، کاربردهای آنها و نحوه تعامل آنها با یکدیگر به هیچ وجه اضافی نخواهد بود. با دانستن این موضوع، اگر از شما خواسته شود که بگویید کدام الکترولیت در باتری است، ضرر نخواهید کرد. اگر چه حتی اگر از علاقه مندان به ماشین نیستید اما ماشین دارید، پس دانستن دستگاه باطری اصلاً اضافی نخواهد بود و به شما در تعمیر کمک می کند. انجام همه کارها خودتان بسیار ساده تر و ارزان تر از رفتن به مرکز خودرو خواهد بود.
و برای مطالعه بهتر این مبحث مطالعه کتاب شیمی مدارس و دانشگاه ها را توصیه می کنیم. اگر این علم را به خوبی می دانید و کتاب های درسی کافی خوانده اید، «منابع جریان شیمیایی» وریپاف بهترین گزینه خواهد بود. این به طور مفصل کل تئوری عملکرد باتری ها، باتری های مختلف و سلول های هیدروژنی را تشریح می کند.
نتیجه گیری
به پایان رسیدیم. بیایید خلاصه کنیم. در بالا، ما همه چیز مربوط به چنین مفهومی مانند الکترولیت ها را تجزیه و تحلیل کرده ایم: مثال ها، نظریه ساختار و خواص، توابع و کاربردها. یک بار دیگر شایان ذکر است که این ترکیبات بخشی از زندگی ما هستند که بدون آنها بدن ما و همه بخش های صنعت نمی توانند وجود داشته باشند. آیا الکترولیت خون را به خاطر دارید؟ ما به لطف آنها زندگی می کنیم. ماشین های ما چطور؟ با این دانش، ما قادر خواهیم بود هر مشکلی در رابطه با باتری را برطرف کنیم، زیرا اکنون می‌دانیم که چگونه چگالی الکترولیت موجود در آن را افزایش دهیم.
گفتن همه چیز غیرممکن است و ما چنین هدفی را تعیین نکردیم. به هر حال، این تمام چیزی نیست که می توان در مورد این مواد شگفت انگیز گفت.
