Elektrolitlər kimyəvi maddələr kimi qədim zamanlardan məlumdur. Bununla belə, onlar nisbətən yaxınlarda tətbiq sahələrinin çoxunu fəth etdilər. Biz sənayenin bu maddələrdən istifadə etməsi üçün ən yüksək prioritet sahələri müzakirə edəcəyik və sonuncuların nə olduğunu və onların bir-birindən nə ilə fərqləndiyini anlayacağıq. Ancaq gəlin tarixə bir ekskursiya ilə başlayaq.
Tarix
Məlum olan ən qədim elektrolitlər qədim dünyada kəşf edilmiş duzlar və turşulardır. Bununla belə, elektrolitlərin quruluşu və xassələri haqqında fikirlər zamanla inkişaf etmişdir. Bu proseslərin nəzəriyyələri 1880-ci illərdən, elektrolitlərin xassələri nəzəriyyələri ilə bağlı bir sıra kəşflərin edildiyi vaxtdan inkişaf etmişdir. Elektrolitlərin su ilə qarşılıqlı təsir mexanizmlərini təsvir edən nəzəriyyələrdə bir neçə keyfiyyət sıçrayışı olmuşdur (hər şeydən sonra onlar sənayedə istifadə olunduğu xassələri yalnız məhlulda əldə edirlər).
İndi biz elektrolitlər və onların xassələri haqqında fikirlərin inkişafına ən böyük təsir göstərmiş bir neçə nəzəriyyəni ətraflı təhlil edəcəyik. Gəlin hər birimizin məktəbdə qəbul etdiyimiz ən ümumi və sadə nəzəriyyə ilə başlayaq.
Arrhenius Elektrolitik Dissosiasiya Nəzəriyyəsi
1887-ci ildəİsveç kimyaçısı Svante Arrhenius və rus-alman kimyaçısı Vilhelm Ostvald elektrolitik dissosiasiya nəzəriyyəsini yaratdılar. Ancaq burada da hər şey o qədər də sadə deyil. Arrhenius özü məhlulların fiziki nəzəriyyəsinin tərəfdarı idi, tərkibindəki maddələrin su ilə qarşılıqlı təsirini nəzərə almadı və məhlulda sərbəst yüklü hissəciklərin (ionların) olduğunu müdafiə etdi. Yeri gəlmişkən, bu gün məktəbdə elektrolitik dissosiasiyaya məhz belə mövqelərdən baxılır.
Gəlin hələ də bu nəzəriyyənin nə verdiyi və maddələrin su ilə qarşılıqlı təsir mexanizmini bizə necə izah etdiyi barədə danışaq. Hamı kimi onun da istifadə etdiyi bir neçə postulat var:
1. Su ilə qarşılıqlı əlaqədə olduqda, maddə ionlara (müsbət - kation və mənfi - anion) parçalanır. Bu hissəciklər nəmlənməyə məruz qalır: onlar su molekullarını cəlb edirlər, yeri gəlmişkən, bir tərəfdən müsbət yüklü, digər tərəfdən isə mənfi yüklü (dipol əmələ gətirir), nəticədə onlar su komplekslərinə (solvatlara) çevrilirlər.
2. Dissosiasiya prosesi geri çevrilir - yəni maddə ionlara parçalanıbsa, hər hansı amillərin təsiri altında yenidən orijinalına çevrilə bilər.
3. Əgər siz elektrodları məhlula bağlasanız və cərəyan başlasanız, onda kationlar mənfi elektroda - katoda, anionlar isə müsbət yüklüyə - anoda doğru hərəkət etməyə başlayacaqlar. Elə buna görə də suda çox həll olan maddələr elektrik cərəyanını suyun özündən daha yaxşı keçir. Eyni səbəbdən onlara elektrolitlər də deyilir.
4. Elektrolitin dissosiasiya dərəcəsi, həll olunan maddənin faizini xarakterizə edir. Bugöstərici həlledicinin və məhlulun özündən, sonuncunun konsentrasiyasından və xarici temperaturdan asılıdır.
Budur, əslində və bu sadə nəzəriyyənin bütün əsas postulatları. Elektrolit məhlulunda nə baş verdiyini təsvir etmək üçün bu məqalədə onlardan istifadə edəcəyik. Bu birləşmələrin nümunələrini bir az sonra təhlil edəcəyik, lakin indi başqa bir nəzəriyyəni nəzərdən keçirəcəyik.
Lyuisin turşular və əsaslar nəzəriyyəsi
Elektrolitik dissosiasiya nəzəriyyəsinə görə turşu hidrogen kationunun mövcud olduğu maddə, əsas isə məhlulda hidroksid anionuna parçalanan birləşmədir. Məşhur kimyaçı Gilbert Lewisin adını daşıyan başqa bir nəzəriyyə də var. Bu, turşu və əsas anlayışını bir qədər genişləndirməyə imkan verir. Lyuis nəzəriyyəsinə görə, turşular sərbəst elektron orbitallarına malik olan və başqa bir molekuldan elektron qəbul edə bilən maddənin ionları və ya molekullarıdır. Təxmin etmək asandır ki, əsaslar bir və ya bir neçə elektronunu turşunun "istifadəsi" üçün bağışlaya bilən hissəciklər olacaq. Burada çox maraqlıdır ki, təkcə elektrolit deyil, həm də istənilən maddə, hətta suda həll olunmayan da turşu və ya əsas ola bilər.
Brandsted-Lowry protolit nəzəriyyəsi
1923-cü ildə bir-birindən asılı olmayaraq iki alim - J. Bronsted və T. Lowry - kimyəvi prosesləri təsvir etmək üçün alimlər tərəfindən hazırda fəal şəkildə istifadə olunan bir nəzəriyyə təklif etdilər. Bu nəzəriyyənin mahiyyəti bundan ibarətdirdissosiasiya protonun turşudan əsasa keçməsinə qədər azalır. Beləliklə, sonuncu burada proton qəbuledicisi kimi başa düşülür. Sonra turşu onların donorudur. Nəzəriyyə həm turşuların, həm də əsasların xüsusiyyətlərini nümayiş etdirən maddələrin mövcudluğunu yaxşı izah edir. Belə birləşmələr amfoter adlanır. Bronsted-Lowry nəzəriyyəsində onlar üçün amfolitlər termini də istifadə olunur, turşular və ya əsaslar isə adətən protolitlər adlanır.
Yazının növbəti hissəsinə gəldik. Burada güclü və zəif elektrolitlərin bir-birindən necə fərqləndiyini söyləyəcəyik və xarici amillərin onların xassələrinə təsirini müzakirə edəcəyik. Və sonra onların praktik tətbiqini təsvir etməyə başlayacağıq.
Güclü və zəif elektrolitlər
Hər bir maddə su ilə ayrı-ayrılıqda qarşılıqlı təsir göstərir. Bəziləri onda yaxşı həll olunur (məsələn, yemək duzu), bəziləri isə ümumiyyətlə həll olunmur (məsələn, təbaşir). Beləliklə, bütün maddələr güclü və zəif elektrolitlərə bölünür. Sonuncular su ilə zəif qarşılıqlı əlaqədə olan və məhlulun dibində çökən maddələrdir. Bu o deməkdir ki, onlar çox aşağı dissosiasiya dərəcəsinə və yüksək rabitə enerjisinə malikdirlər ki, bu da normal şəraitdə molekulun onu təşkil edən ionlara parçalanmasına imkan vermir. Zəif elektrolitlərin dissosiasiyası ya çox yavaş, ya da temperaturun və məhlulda bu maddənin konsentrasiyasının artması ilə baş verir.
Güclü elektrolitlərdən danışaq. Bunlara bütün həll olunan duzlar, həmçinin güclü turşular və qələvilər daxildir. Onlar asanlıqla ionlara parçalanır və yağıntıda onları toplamaq çox çətindir. Yeri gəlmişkən, elektrolitlərdə cərəyan aparılırməhz məhlulun tərkibində olan ionlara görə. Buna görə də güclü elektrolitlər cərəyanı ən yaxşı şəkildə keçirir. Sonuncuların nümunələri: güclü turşular, qələvilər, həll olunan duzlar.
Elektrolitlərin davranışına təsir edən amillər
İndi isə xarici mühitdəki dəyişikliklərin maddələrin xassələrinə necə təsir etdiyini anlayaq. Konsentrasiyası birbaşa elektrolit dissosiasiya dərəcəsinə təsir göstərir. Üstəlik, bu nisbət riyazi şəkildə ifadə edilə bilər. Bu əlaqəni təsvir edən qanun Ostwald qatılma qanunu adlanır və aşağıdakı kimi yazılır: a=(K / c)1/2. Burada a dissosiasiya dərəcəsidir (kəsrlərlə götürülür), K hər bir maddə üçün fərqli olan dissosiasiya sabitidir, c isə məhluldakı elektrolitin konsentrasiyasıdır. Bu düsturla siz maddə və onun məhluldakı davranışı haqqında çox şey öyrənə bilərsiniz.
Ancaq biz kənara çəkilirik. Konsentrasiyadan əlavə, dissosiasiya dərəcəsinə elektrolitin temperaturu da təsir göstərir. Əksər maddələr üçün onun artırılması həllolma qabiliyyətini və reaktivliyi artırır. Bu, bəzi reaksiyaların yalnız yüksək temperaturda baş verməsini izah edə bilər. Normal şəraitdə onlar ya çox yavaş, ya da hər iki istiqamətdə gedirlər (belə proses geri çevrilən adlanır).
Biz elektrolit məhlulu kimi sistemin davranışını təyin edən amilləri təhlil etdik. İndi gəlin bu, şübhəsiz ki, çox vacib kimyəvi maddələrin praktik tətbiqinə keçək.
Sənaye istifadəsi
Təbii ki, hər kəs "elektrolit" sözünü eşitmişdirbatareyalara münasibətdə. Avtomobildə elektrolit 40% sulfat turşusu olan qurğuşun-turşu akkumulyatorlarından istifadə edilir. Bu maddənin ümumiyyətlə orada nə üçün lazım olduğunu başa düşmək üçün batareyaların xüsusiyyətlərini başa düşməyə dəyər.
Bəs hər hansı bir batareyanın prinsipi nədir? Onlarda bir maddənin digərinə çevrilməsinin əks reaksiyası baş verir, bunun nəticəsində elektronlar buraxılır. Batareya doldurulduqda, normal şəraitdə əldə edilməyən maddələrin qarşılıqlı təsiri baş verir. Bu, kimyəvi reaksiya nəticəsində maddədə elektrik cərəyanının yığılması kimi təqdim edilə bilər. Boş altma başlayanda, sistemi ilkin vəziyyətə aparan tərs çevrilmə başlayır. Bu iki proses birlikdə bir şarj-boş altma dövrü təşkil edir.
Yuxarıdakı prosesi konkret misalda - qurğuşun-turşu akkumulyatorunda nəzərdən keçirək. Təxmin etdiyiniz kimi, bu cari mənbə qurğuşun (həmçinin qurğuşun dioksidi PbO2) və turşu olan elementdən ibarətdir. Hər hansı bir batareya elektrodlardan və onların arasındakı boşluqdan ibarətdir, yalnız elektrolitlə doldurulur. Sonuncu olaraq, artıq aşkar etdiyimiz kimi, nümunəmizdə sulfat turşusu 40 faiz konsentrasiyada istifadə olunur. Belə batareyanın katodu qurğuşun dioksiddən, anod isə təmiz qurğuşundan hazırlanır. Bütün bunlar, turşunun dissosiasiya olunduğu ionların iştirakı ilə bu iki elektrodda müxtəlif geri çevrilən reaksiyaların baş verməsidir:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(mənfi elektrodda - katodda baş verən reaksiya).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Müsbət elektrodda reaksiya - anod).
Reaksiyaları soldan sağa oxusaq - akkumulyator boşaldıqda, sağdan sola olarsa - şarj edərkən baş verən prosesləri alırıq. Hər bir kimyəvi cərəyan mənbəyində bu reaksiyalar fərqlidir, lakin onların baş vermə mexanizmi ümumiyyətlə eyni şəkildə təsvir olunur: iki proses baş verir, onlardan birində elektronlar "udulur", digərində isə əksinə, onlar " tərk et”. Ən əsası odur ki, udulan elektronların sayı buraxılanların sayına bərabər olsun.
Əslində, batareyalardan əlavə, bu maddələrin bir çox tətbiqi var. Ümumiyyətlə, nümunələri verdiyimiz elektrolitlər bu termin altında birləşən müxtəlif maddələrin sadəcə bir dənəsidir. Bizi hər yerdə, hər yerdə əhatə edirlər. Məsələn, insan bədənini götürək. Sizcə bu maddələr yoxdur? Çox yanılırsan. Onlar bizim hər yerdə var və ən böyük miqdar qan elektrolitləridir. Bunlara, məsələn, hemoglobinin bir hissəsi olan və oksigeni bədənimizin toxumalarına nəql etməyə kömək edən dəmir ionları daxildir. Qan elektrolitləri də su-duz balansının və ürəyin işinin tənzimlənməsində əsas rol oynayır. Bu funksiyanı kalium və natrium ionları yerinə yetirir (hətta hüceyrələrdə baş verən bir proses var ki, buna kalium-natrium nasosu deyilir).
Bir az da olsa həll edə bildiyiniz hər hansı maddə elektrolitlərdir. Və belə bir sənaye və sizinlə həyatımız yoxdur, haradanə tətbiq olunursa. Bu təkcə avtomobillərdəki akkumulyatorlar və akkumulyatorlar deyil. Bu, istənilən kimyəvi və qida istehsalı, hərbi zavodlar, geyim fabrikləri və s.dir.
Yeri gəlmişkən, elektrolitin tərkibi fərqlidir. Beləliklə, turşu və qələvi elektroliti ayırd etmək mümkündür. Onlar xassələrinə görə əsaslı şəkildə fərqlənirlər: artıq dediyimiz kimi, turşular proton donorları, qələvilər isə qəbuledicilərdir. Lakin zaman keçdikcə maddənin bir hissəsinin itirilməsi səbəbindən elektrolitin tərkibi dəyişir, konsentrasiyası ya azalır, ya da artır (hər şey itiriləndən, sudan və ya elektrolitdən asılıdır).
Biz onlarla hər gün qarşılaşırıq, lakin elektrolitlər kimi bir terminin tərifini tam olaraq az adam bilir. Biz konkret maddələrin nümunələrini əhatə etdik, ona görə də gəlin bir az daha mürəkkəb anlayışlara keçək.
Elektrolitlərin fiziki xassələri
İndi fizika haqqında. Bu mövzunu öyrənərkən başa düşmək üçün ən vacib şey, elektrolitlərdə cərəyanın necə ötürülməsidir. Bunda ionlar həlledici rol oynayır. Bu yüklü hissəciklər yükü məhlulun bir hissəsindən digərinə ötürə bilər. Beləliklə, anionlar həmişə müsbət elektroda, kationlar isə mənfiyə meyllidirlər. Beləliklə, elektrik cərəyanı ilə həll üzərində hərəkət edərək, sistemin müxtəlif tərəflərindəki yükləri ayırırıq.
Sıxlıq kimi fiziki xüsusiyyət çox maraqlıdır. Müzakirə etdiyimiz birləşmələrin bir çox xassələri ondan asılıdır. Və sual tez-tez ortaya çıxır: "Elektrolitin sıxlığını necə artırmaq olar?" Əslində cavab sadədir: məzmunu aşağı salmaq lazımdırməhlulda su. Elektrolitin sıxlığı əsasən sulfat turşusunun sıxlığı ilə təyin olunduğundan, bu, əsasən sonuncunun konsentrasiyasından asılıdır. Planı həyata keçirməyin iki yolu var. Birincisi olduqca sadədir: batareyada olan elektroliti qaynadın. Bunu etmək üçün onu doldurmaq lazımdır ki, içəridəki temperatur yüz dərəcə Selsidən bir qədər yuxarı qalxsın. Bu üsul kömək etmirsə, narahat olmayın, başqa biri var: sadəcə köhnə elektroliti yenisi ilə əvəz edin. Bunu etmək üçün köhnə məhlulu boş altın, sulfat turşusu qalıqlarının içini distillə edilmiş su ilə təmizləyin və sonra yeni bir hissəyə tökün. Bir qayda olaraq, yüksək keyfiyyətli elektrolit məhlulları dərhal istənilən konsentrasiyaya malikdir. Dəyişdirildikdən sonra elektrolitin sıxlığını necə artıracağınızı uzun müddət unuda bilərsiniz.
Elektrolitin tərkibi əsasən onun xassələrini müəyyən edir. Məsələn, elektrik keçiriciliyi və sıxlıq kimi xüsusiyyətlər məhlulun təbiətindən və onun konsentrasiyasından çox asılıdır. Batareyada nə qədər elektrolitin ola biləcəyi ilə bağlı ayrı bir sual var. Əslində, onun həcmi məhsulun elan edilmiş gücü ilə birbaşa bağlıdır. Akkumulyatorun içərisində nə qədər çox sulfat turşusu varsa, o, bir o qədər güclüdür, yəni daha çox gərginlik yarada bilər.
Bu, harda faydalıdır?
Əgər siz avtomobil həvəskarısınızsa və ya sadəcə avtomobil həvəskarısınızsa, o zaman özünüz hər şeyi başa düşürsünüz. Şübhəsiz ki, indi batareyada nə qədər elektrolitin olduğunu necə təyin edəcəyinizi də bilirsiniz. Əgər avtomobillərdən uzaqsınızsa, o zaman bilikbu maddələrin xassələri, tətbiqləri və bir-biri ilə qarşılıqlı əlaqəsi heç də artıq olmaz. Bunu bilə-bilə, sizdən akkumulyatorda hansı elektrolitin olduğunu söyləməyiniz istənilsə, itkisiz olmayacaqsınız. Baxmayaraq ki, avtomobil həvəskarı deyilsinizsə, ancaq avtomobiliniz varsa, akkumulyator cihazını bilmək heç də artıq olmayacaq və təmirdə sizə kömək edəcəkdir. Avtomatik mərkəzə getməkdənsə, hər şeyi özünüz etmək daha asan və daha ucuz olacaq.
Və bu mövzunu daha yaxşı öyrənmək üçün məktəblər və universitetlər üçün kimya dərsliyini oxumağı tövsiyə edirik. Əgər siz bu elmi yaxşı bilirsinizsə və kifayət qədər dərslik oxumusunuzsa, Varypaevin “Kimyəvi cərəyan mənbələri” əsəri ən yaxşı variant olardı. O, batareyaların, müxtəlif akkumulyatorların və hidrogen elementlərinin işinin bütün nəzəriyyəsini ətraflı təsvir edir.
Nəticə
Sona çatdıq. Gəlin ümumiləşdirək. Yuxarıda, elektrolitlər kimi bir anlayışla əlaqəli hər şeyi təhlil etdik: nümunələr, quruluş və xassələr nəzəriyyəsi, funksiyalar və tətbiqlər. Bir daha qeyd etmək lazımdır ki, bu birləşmələr həyatımızın bir hissəsidir, onsuz bədənimiz və sənayenin bütün sahələri mövcud ola bilməz. Qan elektrolitlərini xatırlayırsınız? Onların sayəsində yaşayırıq. Bəs bizim maşınlarımız? Bu biliklə biz batareya ilə bağlı istənilən problemi həll edə biləcəyik, çünki indi onun içindəki elektrolitin sıxlığını necə artıracağımızı başa düşürük.
Hər şeyi demək mümkün deyil və biz belə bir məqsəd qoymamışıq. Axı bu heyrətamiz maddələr haqqında deyilə biləcək təkcə bu deyil.
