الإلكتروليتات كمواد كيميائية معروفة منذ العصور القديمة. ومع ذلك ، فقد غزا معظم مجالات تطبيقهم مؤخرًا نسبيًا. سنناقش المجالات ذات الأولوية القصوى للصناعة لاستخدام هذه المواد ومعرفة ما هي الأخيرة وكيف تختلف عن بعضها البعض. لكن لنبدأ بالبحث في التاريخ.
التاريخ
أقدم الأملاح والأحماض المعروفة هي الأملاح والأحماض المكتشفة في العالم القديم. ومع ذلك ، فقد تطورت الأفكار حول بنية وخصائص الإلكتروليتات بمرور الوقت. تطورت نظريات هذه العمليات منذ ثمانينيات القرن التاسع عشر ، عندما تم إجراء عدد من الاكتشافات المتعلقة بنظريات خصائص الإلكتروليتات. كانت هناك العديد من القفزات النوعية في النظريات التي تصف آليات تفاعل الإلكتروليتات مع الماء (بعد كل شيء ، فقط في المحلول يكتسبون الخصائص التي تُستخدم بسببها في الصناعة).
الآن سنحلل بالتفصيل العديد من النظريات التي كان لها أكبر تأثير على تطوير الأفكار حول الإلكتروليتات وخصائصها. ولنبدأ بالنظرية الأكثر شيوعًا وبساطة التي أخذها كل منا في المدرسة.
نظرية أرهينيوس للتفكك الإلكتروليتي
في عام 1887ابتكر الكيميائي السويدي سفانتي أرهينيوس والكيميائي الروسي الألماني فيلهلم أوستوالد نظرية التفكك الكهربائي. ومع ذلك ، كل شيء ليس بهذه البساطة هنا أيضًا. كان أرينيوس نفسه مؤيدًا لما يسمى بالنظرية الفيزيائية للحلول ، والتي لم تأخذ في الاعتبار تفاعل المواد المكونة مع الماء وجادل بأن هناك جزيئات مشحونة مجانية (أيونات) في المحلول. بالمناسبة ، من مثل هذه المواقف يعتبر التفكك الإلكتروليتي في المدرسة اليوم.
دعنا نتحدث عما تقدمه هذه النظرية وكيف تشرح لنا آلية تفاعل المواد مع الماء. مثل أي شخص آخر ، لديها العديد من الافتراضات التي تستخدمها:
1. عند التفاعل مع الماء تتحلل المادة إلى أيونات (موجبة - موجبة وسالبة - أنيون). تخضع هذه الجسيمات للترطيب: فهي تجذب جزيئات الماء ، والتي ، بالمناسبة ، مشحونة إيجابياً من جانب وشحنة سالبة من الجانب الآخر (تشكل ثنائي القطب) ، ونتيجة لذلك ، تتشكل في مجمعات مائية (مذابة).
2. عملية التفكك قابلة للانعكاس - أي إذا تحطمت المادة إلى أيونات ، فعندها تحت تأثير أي عوامل يمكن أن تتحول مرة أخرى إلى العامل الأصلي.
3. إذا قمت بتوصيل الأقطاب الكهربائية بالمحلول وبدأت تيارًا ، فستبدأ الكاتيونات في التحرك نحو القطب السالب - الكاثود ، والأنيونات باتجاه القطب الموجب الشحنة - الأنود. هذا هو السبب في أن المواد عالية الذوبان في الماء توصل الكهرباء بشكل أفضل من الماء نفسه. يطلق عليهم أيضًا الإلكتروليتات لنفس السبب.
4. تحدد درجة تفكك الإلكتروليت النسبة المئوية للمادة التي خضعت للذوبان. هذهيعتمد المؤشر على خصائص المذيب والمذاب نفسه وعلى تركيز الأخير وعلى درجة الحرارة الخارجية.
هنا ، في الواقع ، وجميع الافتراضات الأساسية لهذه النظرية البسيطة. سنستخدمها في هذه المقالة لوصف ما يحدث في محلول الإلكتروليت. سنقوم بتحليل أمثلة على هذه المركبات بعد قليل ، لكن الآن سننظر في نظرية أخرى.
نظرية لويس للأحماض والقواعد
وفقًا لنظرية التفكك الإلكتروليتي ، فإن الحمض هو مادة يوجد فيها كاتيون هيدروجين ، والقاعدة عبارة عن مركب يتحلل إلى أنيون هيدروكسيد في محلول. هناك نظرية أخرى سميت على اسم الكيميائي الشهير جيلبرت لويس. يسمح لك بتوسيع مفهوم الحمض والقاعدة إلى حد ما. وفقًا لنظرية لويس ، فإن الأحماض هي أيونات أو جزيئات من مادة لها مدارات إلكترونية حرة وقادرة على قبول إلكترون من جزيء آخر. من السهل تخمين أن القواعد ستكون مثل هذه الجسيمات القادرة على التبرع بواحد أو أكثر من إلكتروناتها لـ "استخدام" الحمض. من المثير للاهتمام هنا أنه ليس فقط المنحل بالكهرباء ، ولكن أيضًا أي مادة ، حتى غير القابلة للذوبان في الماء ، يمكن أن تكون حمضًا أو قاعدة.
نظرية بروتوليتي براندستيد-لوري
في عام 1923 ، وبشكل مستقل عن بعضهما البعض ، اقترح عالمان - J. Bronsted و T. Lowry - نظرية يستخدمها العلماء الآن بنشاط لوصف العمليات الكيميائية. جوهر هذه النظرية هو أنيتم تقليل التفكك إلى انتقال البروتون من حمض إلى قاعدة. وبالتالي ، يُفهم الأخير هنا على أنه متقبل للبروتون. ثم الحمض هو المتبرع بهم. تشرح النظرية أيضًا جيدًا وجود المواد التي تظهر خصائص كل من الأحماض والقواعد. تسمى هذه المركبات مذبذب. في نظرية Bronsted-Lowry ، يستخدم مصطلح ampholytes أيضًا ، بينما تسمى الأحماض أو القواعد عادةً البروتوليت.
لقد وصلنا إلى الجزء التالي من المقال. سنخبرك هنا بمدى اختلاف الإلكتروليتات القوية والضعيفة عن بعضها البعض ومناقشة تأثير العوامل الخارجية على خصائصها. وبعد ذلك سنبدأ في وصف التطبيق العملي.
إلكتروليتات قوية وضعيفة
تتفاعل كل مادة مع الماء بشكل فردي. يذوب البعض فيه جيدًا (على سبيل المثال ، ملح الطعام) ، بينما لا يذوب البعض على الإطلاق (على سبيل المثال ، الطباشير). وبالتالي ، يتم تقسيم جميع المواد إلى إلكتروليتات قوية وضعيفة. هذه الأخيرة هي مواد تتفاعل بشكل سيئ مع الماء وتستقر في قاع المحلول. هذا يعني أن لديهم درجة منخفضة جدًا من التفكك وطاقة رابطة عالية ، والتي في ظل الظروف العادية لا تسمح للجزيء بالتحلل إلى الأيونات المكونة له. يحدث تفكك الإلكتروليتات الضعيفة إما ببطء شديد أو مع زيادة درجة حرارة وتركيز هذه المادة في المحلول.
دعونا نتحدث عن الشوارد القوية. وتشمل هذه جميع الأملاح القابلة للذوبان ، وكذلك الأحماض والقلويات القوية. تتفكك بسهولة إلى أيونات ومن الصعب جدًا جمعها في هطول الأمطار. بالمناسبة ، التيار في الإلكتروليتاتعلى وجه التحديد بسبب الأيونات الموجودة في المحلول. لذلك ، فإن الإلكتروليتات القوية تؤدي التيار الأفضل على الإطلاق. أمثلة على الأخير: الأحماض القوية ، القلويات ، الأملاح الذائبة.
العوامل المؤثرة في سلوك الإلكتروليتات
الآن دعنا نتعرف على كيفية تأثير التغييرات في البيئة الخارجية على خصائص المواد. يؤثر التركيز بشكل مباشر على درجة تفكك الإلكتروليت. علاوة على ذلك ، يمكن التعبير عن هذه النسبة رياضيًا. يُطلق على القانون الذي يصف هذه العلاقة قانون تخفيف أوستوالد ويتم كتابته على النحو التالي: أ=(ك / ج)1/2. هنا أ هي درجة التفكك (تؤخذ في الكسور) ، K هو ثابت التفكك ، والذي يختلف لكل مادة ، و ج هو تركيز الإلكتروليت في المحلول. من خلال هذه الصيغة ، يمكنك معرفة الكثير عن المادة وسلوكها في الحل.
لكننا استطرادا. بالإضافة إلى التركيز ، تتأثر درجة التفكك أيضًا بدرجة حرارة الإلكتروليت. بالنسبة لمعظم المواد ، فإن زيادتها يزيد من قابلية الذوبان والتفاعل. هذا يمكن أن يفسر حدوث بعض التفاعلات فقط في درجات حرارة مرتفعة. في ظل الظروف العادية ، يذهبون إما ببطء شديد ، أو في كلا الاتجاهين (تسمى هذه العملية قابلة للعكس).
لقد قمنا بتحليل العوامل التي تحدد سلوك نظام مثل محلول الإلكتروليت. الآن دعنا ننتقل إلى التطبيق العملي لهذه ، بلا شك ، المواد الكيميائية المهمة جدًا.
الاستخدام الصناعي
بالطبع الجميع قد سمعوا كلمة "إلكتروليت"فيما يتعلق بالبطاريات. تستخدم السيارة بطاريات الرصاص الحمضية ، والإلكتروليت الذي يحتوي على 40٪ حمض الكبريتيك. لفهم سبب الحاجة إلى هذه المادة هناك على الإطلاق ، يجدر فهم ميزات البطاريات.
إذن ما هو مبدأ أي بطارية؟ في نفوسهم ، يحدث تفاعل عكسي لتحويل مادة إلى أخرى ، ونتيجة لذلك يتم إطلاق الإلكترونات. عندما يتم شحن البطارية ، يحدث تفاعل بين المواد ، والذي لا يتم الحصول عليه في ظل الظروف العادية. يمكن تمثيل ذلك على أنه تراكم للكهرباء في مادة نتيجة تفاعل كيميائي. عندما يبدأ التفريغ ، يبدأ التحول العكسي ، مما يؤدي بالنظام إلى الحالة الأولية. تشكل هاتان العمليتان معًا دورة شحن وتفريغ واحدة.
لنفكر في العملية المذكورة أعلاه في مثال محدد - بطارية الرصاص الحمضية. كما قد تتخيل ، يتكون هذا المصدر الحالي من عنصر يحتوي على الرصاص (وكذلك ثاني أكسيد الرصاص PbO2) وحمض. تتكون أي بطارية من أقطاب كهربائية والمسافة بينهما مملوءة بالكهرباء فقط. كأخير ، كما اكتشفنا بالفعل ، في مثالنا ، يتم استخدام حمض الكبريتيك بتركيز 40 في المائة. يتكون الكاثود الخاص بهذه البطارية من ثاني أكسيد الرصاص ، ويتكون القطب الموجب من الرصاص النقي. كل هذا بسبب حدوث تفاعلات عكوسة مختلفة على هذين القطبين بمشاركة الأيونات التي تفكك فيها الحمض:
- PbO2+ SO42-+ 4H++ 2e-=PbSO4+ 2H2O(يحدث التفاعل عند القطب السالب - الكاثود).
- Pb + SO42-- 2e-=PbSO4(رد فعل عند القطب الموجب - الأنود).
إذا قرأنا ردود الفعل من اليسار إلى اليمين - نحصل على العمليات التي تحدث عند تفريغ البطارية ، وإذا كانت من اليمين إلى اليسار - عند الشحن. تختلف هذه التفاعلات في كل مصدر تيار كيميائي ، ولكن يتم وصف آلية حدوثها عمومًا بالطريقة نفسها: تحدث عمليتان ، إحداهما "تُمتص" الإلكترونات ، وفي الأخرى ، على العكس ، " غادر". والأهم أن عدد الإلكترونات الممتصة يساوي عدد الإلكترونات المنبعثة.
في الواقع ، بالإضافة إلى البطاريات ، هناك العديد من التطبيقات لهذه المواد. بشكل عام ، تعتبر الإلكتروليتات ، التي قدمنا أمثلة عليها ، مجرد حبة من مجموعة متنوعة من المواد التي يتم دمجها تحت هذا المصطلح. إنهم يحيطون بنا في كل مكان وفي كل مكان. خذ على سبيل المثال جسم الإنسان. هل تعتقد أن هذه المواد غير موجودة؟ أنت مخطئ جدا. إنها موجودة في كل مكان فينا ، وأكبر كمية هي شوارد الدم. وتشمل هذه ، على سبيل المثال ، أيونات الحديد ، التي تعد جزءًا من الهيموجلوبين وتساعد في نقل الأكسجين إلى أنسجة الجسم. تلعب شوارد الدم أيضًا دورًا رئيسيًا في تنظيم توازن الماء والملح ووظيفة القلب. يتم تنفيذ هذه الوظيفة عن طريق أيونات البوتاسيوم والصوديوم (حتى أن هناك عملية تحدث في الخلايا تسمى مضخة البوتاسيوم الصوديوم).
أي مادة يمكنك إذابتها ولو قليلاً هي إلكتروليتات. ولا توجد مثل هذه الصناعة وحياتنا معك أينمهما تم تطبيقها. هذه ليست فقط بطاريات في السيارات والبطاريات. هذا هو أي إنتاج مواد كيميائية وغذائية ، ومصانع عسكرية ، ومصانع ملابس وما إلى ذلك.
بالمناسبة تكوين المنحل بالكهرباء مختلف. لذلك ، من الممكن التمييز بين المنحل بالكهرباء الحمضية والقلوية. إنها تختلف اختلافًا جوهريًا في خصائصها: كما قلنا سابقًا ، فإن الأحماض مانحة للبروتون ، والقلويات متقبلات. لكن بمرور الوقت ، يتغير تكوين الإلكتروليت بسبب فقدان جزء من المادة ، إما أن ينخفض التركيز أو يزيد (كل هذا يتوقف على ما فقده ، الماء أو الإلكتروليت).
نواجهها كل يوم ، لكن قلة من الناس يعرفون بالضبط تعريف مصطلح مثل الإلكتروليتات. لقد غطينا أمثلة على مواد معينة ، لذلك دعونا ننتقل إلى مفاهيم أكثر تعقيدًا.
الخصائص الفيزيائية للكهارل
الآن عن الفيزياء. أهم شيء يجب فهمه عند دراسة هذا الموضوع هو كيفية انتقال التيار في الإلكتروليتات. تلعب الأيونات دورًا حاسمًا في هذا. يمكن لهذه الجسيمات المشحونة نقل الشحنة من جزء من المحلول إلى آخر. لذلك ، تميل الأنيونات دائمًا إلى القطب الموجب ، والكاتيونات - إلى السالب. وبالتالي ، بالعمل على المحلول بالتيار الكهربائي ، نقوم بفصل الشحنات على جوانب مختلفة من النظام.
المثير للاهتمام للغاية هو خاصية فيزيائية مثل الكثافة. تعتمد العديد من خصائص المركبات التي نناقشها على ذلك. وكثيرا ما يطرح السؤال: "كيف ترفع كثافة الإلكتروليت؟" في الواقع ، الإجابة بسيطة: تحتاج إلى خفض مستوى المحتوىالماء في المحلول. نظرًا لأن كثافة المنحل بالكهرباء يتم تحديدها إلى حد كبير بواسطة كثافة حامض الكبريتيك ، فإنها تعتمد إلى حد كبير على تركيز الأخير. هناك طريقتان لتنفيذ الخطة. الأول بسيط للغاية: قم بغلي الإلكتروليت الموجود في البطارية. للقيام بذلك ، تحتاج إلى شحنه بحيث ترتفع درجة الحرارة بالداخل قليلاً عن مائة درجة مئوية. إذا لم تساعد هذه الطريقة ، فلا داعي للقلق ، فهناك طريقة أخرى: ببساطة استبدل المنحل بالكهرباء القديم بآخر جديد. للقيام بذلك ، قم بتصريف المحلول القديم ، ونظف الأجزاء الداخلية من بقايا حمض الكبريتيك بالماء المقطر ، ثم اسكب جزءًا جديدًا. كقاعدة عامة ، يكون لمحاليل الإلكتروليت عالية الجودة التركيز المطلوب على الفور. بعد الاستبدال ، يمكنك أن تنسى لفترة طويلة كيفية زيادة كثافة المنحل بالكهرباء.
يحدد تكوين المنحل بالكهرباء خصائصه إلى حد كبير. خصائص مثل التوصيل والكثافة الكهربائية ، على سبيل المثال ، تعتمد بشكل كبير على طبيعة المادة المذابة وتركيزها. هناك سؤال منفصل حول مقدار الإلكتروليت الذي يمكن أن يكون في البطارية. في الواقع ، يرتبط حجمه ارتباطًا مباشرًا بالقوة المعلنة للمنتج. كلما زاد حمض الكبريتيك داخل البطارية ، زادت قوتها ، أي كلما زاد الجهد الذي يمكن أن تنتجه.
أين هو مفيد؟
إذا كنت من عشاق السيارات أو مجرد سيارات ، فأنت نفسك تفهم كل شيء. من المؤكد أنك تعرف حتى كيفية تحديد مقدار الإلكتروليت الموجود في البطارية الآن. وإذا كنت بعيدًا عن السيارات ، فعندئذ المعرفةخصائص هذه المواد وتطبيقاتها وكيفية تفاعلها مع بعضها البعض لن تكون غير ضرورية على الإطلاق. بمعرفة ذلك ، لن تكون في حيرة إذا طُلب منك تحديد أي من الإلكتروليت موجود في البطارية. على الرغم من أنك حتى لو لم تكن من عشاق السيارات ، ولكن لديك سيارة ، فإن معرفة جهاز البطارية لن يكون ضروريًا على الإطلاق وسيساعدك في الإصلاحات. سيكون من الأسهل والأرخص بكثير أن تفعل كل شيء بنفسك من الذهاب إلى مركز السيارات.
ومن أجل دراسة هذا الموضوع بشكل أفضل ، نوصي بقراءة كتاب الكيمياء للمدارس والجامعات. إذا كنت تعرف هذا العلم جيدًا وقد قرأت عددًا كافيًا من الكتب المدرسية ، فإن "مصادر التيار الكيميائي" لـ Varypaev ستكون الخيار الأفضل. إنه يوضح بالتفصيل النظرية الكاملة لتشغيل البطاريات والبطاريات المختلفة وخلايا الهيدروجين.
الخلاصة
وصلنا إلى النهاية. دعونا نلخص. أعلاه ، قمنا بتحليل كل ما يتعلق بمفهوم مثل الإلكتروليتات: أمثلة ، نظرية التركيب والخصائص ، الوظائف والتطبيقات. مرة أخرى ، يجدر القول أن هذه المركبات هي جزء من حياتنا ، والتي بدونها لا يمكن لأجسادنا وجميع مجالات الصناعة أن توجد. هل تتذكر شوارد الدم؟ شكرا لهم نحن نعيش. ماذا عن سياراتنا؟ بهذه المعرفة سنتمكن من إصلاح أي مشكلة تتعلق بالبطارية ، حيث نفهم الآن كيفية زيادة كثافة الإلكتروليت فيها.
من المستحيل معرفة كل شيء ، ولم نحدد مثل هذا الهدف. بعد كل شيء ، هذا ليس كل ما يمكن أن يقال عن هذه المواد المدهشة.
