Chất điện giải là chất hóa học đã được biết đến từ thời cổ đại. Tuy nhiên, họ đã chinh phục hầu hết các lĩnh vực ứng dụng của họ gần đây. Chúng tôi sẽ thảo luận về các lĩnh vực ưu tiên cao nhất của ngành công nghiệp sử dụng các chất này và tìm hiểu xem chúng là gì và chúng khác nhau như thế nào. Nhưng hãy bắt đầu với việc tìm hiểu sâu về lịch sử.
Lịch sử
Chất điện phân lâu đời nhất được biết đến là muối và axit được phát hiện trong thế giới cổ đại. Tuy nhiên, những ý tưởng về cấu trúc và tính chất của chất điện phân đã phát triển theo thời gian. Các lý thuyết về các quá trình này đã phát triển từ những năm 1880, khi một số khám phá được thực hiện liên quan đến các lý thuyết về đặc tính của chất điện phân. Đã có một số bước nhảy vọt về chất trong lý thuyết mô tả cơ chế tương tác của chất điện phân với nước (xét cho cùng, chỉ trong dung dịch, chúng mới có được các đặc tính mà chúng được sử dụng trong công nghiệp).
Bây giờ chúng ta sẽ phân tích chi tiết một số lý thuyết có ảnh hưởng lớn nhất đến sự phát triển của các ý tưởng về chất điện phân và các đặc tính của chúng. Và hãy bắt đầu với lý thuyết phổ biến và đơn giản nhất mà mỗi chúng ta đã học ở trường.
Thuyết Arrhenius về Phân ly Điện ly
vào năm 1887Nhà hóa học Thụy Điển Svante Arrhenius và nhà hóa học người Đức gốc Nga Wilhelm Ostwald đã tạo ra lý thuyết về sự điện ly. Tuy nhiên, mọi thứ ở đây cũng không đơn giản như vậy. Bản thân Arrhenius là người ủng hộ cái gọi là lý thuyết vật lý về dung dịch, vốn không tính đến sự tương tác của các chất cấu thành với nước và cho rằng có các hạt (ion) mang điện tự do trong dung dịch. Nhân tiện, chính từ những vị trí như vậy mà sự phân ly điện phân được coi là ở trường học ngày nay.
Hãy vẫn nói về những gì lý thuyết này đưa ra và cách nó giải thích cho chúng ta cơ chế tương tác của các chất với nước. Giống như những người khác, cô ấy có một số định đề mà cô ấy sử dụng:
1. Khi tương tác với nước, chất này bị phân hủy thành các ion (cation dương và anion âm). Các hạt này trải qua quá trình hydrat hóa: chúng hút các phân tử nước, bằng cách này, ở một bên mang điện tích dương và mang điện tích âm ở bên kia (tạo thành lưỡng cực), kết quả là chúng tạo thành phức chất nước (solvat hóa).
2. Quá trình phân ly có thể đảo ngược - nghĩa là, nếu một chất đã bị phân tách thành ion, thì dưới tác động của bất kỳ yếu tố nào, nó có thể trở lại thành chất ban đầu.
3. Nếu bạn kết nối các điện cực với dung dịch và bắt đầu xuất hiện dòng điện, thì các cation sẽ bắt đầu di chuyển về phía điện cực âm - cực âm, và các anion về phía cực dương - cực dương. Đó là lý do tại sao các chất dễ hòa tan trong nước dẫn điện tốt hơn bản thân nước. Chúng cũng được gọi là chất điện giải vì lý do tương tự.
4. Mức độ phân ly của chất điện ly đặc trưng cho phần trăm của chất đã trải qua sự hòa tan. Cái nàychất chỉ thị phụ thuộc vào đặc tính của dung môi và bản thân chất tan, vào nồng độ của chất sau và nhiệt độ bên ngoài.
Đây, trên thực tế, và tất cả các định đề cơ bản của lý thuyết đơn giản này. Chúng tôi sẽ sử dụng chúng trong bài viết này để mô tả những gì xảy ra trong dung dịch điện phân. Chúng ta sẽ phân tích các ví dụ về các hợp chất này sau một chút, nhưng bây giờ chúng ta sẽ xem xét một giả thuyết khác.
Thuyết Lewis về axit và bazơ
Theo thuyết điện li, axit là chất trong đó có cation hiđro, còn bazơ là hợp chất phân hủy thành anion hiđroxit trong dung dịch. Có một lý thuyết khác được đặt theo tên của nhà hóa học nổi tiếng Gilbert Lewis. Nó cho phép bạn mở rộng phần nào khái niệm về axit và bazơ. Theo lý thuyết Lewis, axit là các ion hoặc phân tử của một chất có obitan electron tự do và có thể nhận electron từ phân tử khác. Có thể dễ dàng đoán được rằng các bazơ sẽ là những hạt có khả năng hiến tặng một hoặc nhiều electron của chúng để "sử dụng" axit. Điều rất thú vị ở đây là không chỉ chất điện phân, mà bất kỳ chất nào, thậm chí không tan trong nước, đều có thể là axit hoặc bazơ.
Lý thuyết bảo hộ Brandsted-Lowry
Năm 1923, độc lập với nhau, hai nhà khoa học - J. Bronsted và T. Lowry - đã đề xuất một lý thuyết hiện đang được các nhà khoa học tích cực sử dụng để mô tả các quá trình hóa học. Bản chất của lý thuyết này làsự phân ly được giảm xuống để chuyển một proton từ axit thành bazơ. Do đó, chất sau được hiểu ở đây là chất nhận proton. Sau đó, axit là nhà tài trợ của họ. Lý thuyết cũng giải thích tốt sự tồn tại của các chất thể hiện tính chất của cả axit và bazơ. Những hợp chất như vậy được gọi là chất lưỡng tính. Trong lý thuyết Bronsted-Lowry, thuật ngữ ampholyte cũng được sử dụng cho chúng, trong khi axit hoặc bazơ thường được gọi là nguyên sinh chất.
Chúng ta đến với phần tiếp theo của bài viết. Sau đây chúng tôi sẽ cho bạn biết các chất điện ly mạnh và yếu khác nhau như thế nào và thảo luận về ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài đến tính chất của chúng. Và sau đó chúng tôi sẽ bắt đầu mô tả ứng dụng thực tế của chúng.
Chất điện giải mạnh và yếu
Mỗi chất tương tác với nước riêng lẻ. Một số hòa tan tốt trong nó (ví dụ, muối ăn), trong khi một số hoàn toàn không hòa tan (ví dụ, phấn). Như vậy, tất cả các chất đều được chia thành chất điện li mạnh và chất điện li yếu. Sau đó là những chất tương tác kém với nước và lắng xuống dưới đáy dung dịch. Điều này có nghĩa là chúng có mức độ phân ly rất thấp và năng lượng liên kết cao, mà ở điều kiện bình thường không cho phép phân tử phân hủy thành các ion cấu thành của nó. Sự phân ly của các chất điện ly yếu xảy ra rất chậm hoặc khi nhiệt độ và nồng độ của chất này trong dung dịch tăng lên.
Hãy nói về chất điện ly mạnh. Chúng bao gồm tất cả các muối hòa tan, cũng như axit và kiềm mạnh. Chúng dễ dàng phân tách thành các ion và rất khó thu thập chúng ở dạng kết tủa. Nhân tiện, dòng điện trong chất điện phân được dẫnchính xác là do các ion có trong dung dịch. Do đó, chất điện ly mạnh dẫn điện tốt nhất. Ví dụ về sau: axit mạnh, kiềm, muối hòa tan.
Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của chất điện giải
Bây giờ chúng ta hãy tìm hiểu xem những thay đổi của môi trường bên ngoài ảnh hưởng như thế nào đến tính chất của các chất. Nồng độ ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ phân ly chất điện ly. Hơn nữa, tỷ lệ này có thể được biểu thị bằng toán học. Luật mô tả mối quan hệ này được gọi là luật pha loãng Ostwald và được viết như sau: a=(K / c)1/2. Ở đây a là độ phân ly (lấy ở dạng phân số), K là hằng số phân ly, khác nhau đối với từng chất, và c là nồng độ của chất điện ly trong dung dịch. Bằng công thức này, bạn có thể học được nhiều điều về chất và hành vi của nó trong dung dịch.
Nhưng chúng ta lạc đề. Ngoài nồng độ, mức độ phân ly còn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ của chất điện ly. Đối với hầu hết các chất, tăng nó làm tăng khả năng hòa tan và khả năng phản ứng. Điều này có thể giải thích sự xuất hiện của một số phản ứng chỉ ở nhiệt độ cao. Trong điều kiện bình thường, chúng đi rất chậm hoặc theo cả hai hướng (quá trình như vậy được gọi là có thể đảo ngược).
Chúng tôi đã phân tích các yếu tố quyết định hoạt động của một hệ thống chẳng hạn như dung dịch điện phân. Bây giờ chúng ta hãy chuyển sang ứng dụng thực tế của những hóa chất rất quan trọng này.
Sử dụng công nghiệp
Tất nhiên, ai cũng đã từng nghe đến từ "điện giải"liên quan đến pin. Xe sử dụng ắc quy axit-chì, chất điện phân trong đó là axit sunfuric 40%. Để hiểu tại sao chất này lại cần ở đó, bạn cần hiểu rõ các tính năng của pin.
Vậy nguyên lý hoạt động của pin là gì? Trong chúng, xảy ra phản ứng thuận nghịch chuyển hóa chất này thành chất khác, do đó các electron được giải phóng. Khi pin được sạc, sẽ xảy ra tương tác giữa các chất, điều này không thu được ở điều kiện bình thường. Điều này có thể được biểu thị bằng sự tích tụ điện trong một chất do phản ứng hóa học. Khi quá trình phóng điện bắt đầu, quá trình chuyển hóa ngược lại bắt đầu, dẫn hệ thống về trạng thái ban đầu. Hai quá trình này cùng nhau tạo thành một chu kỳ sạc-xả.
Hãy xem xét quá trình trên trên một ví dụ cụ thể - pin axit-chì. Như bạn có thể đoán, nguồn hiện tại này bao gồm một nguyên tố có chứa chì (cũng như chì đioxit PbO2) và axit. Bất kỳ pin nào cũng bao gồm các điện cực và không gian giữa chúng chỉ chứa đầy chất điện phân. Cuối cùng, như chúng ta đã tìm hiểu, trong ví dụ của chúng ta, axit sulfuric được sử dụng ở nồng độ 40%. Cực âm của pin như vậy được làm bằng chì điôxít, và cực dương được làm bằng chì nguyên chất. Tất cả điều này là do các phản ứng thuận nghịch khác nhau xảy ra trên hai điện cực này với sự tham gia của các ion mà axit đã phân ly:
- PbO2+ SO42-+ 4H++ 2e-=PbSO4+ 2H2O(phản ứng xảy ra ở điện cực âm - cực âm).
- Pb + SO42-- 2e-=PbSO4(Phản ứng ở cực dương - cực dương).
Nếu chúng ta đọc các phản ứng từ trái sang phải - chúng ta sẽ nhận được các quá trình xảy ra khi pin được xả và nếu từ phải sang trái - khi sạc. Trong mỗi nguồn dòng điện hóa học, các phản ứng này khác nhau, nhưng cơ chế xảy ra chúng thường được mô tả theo cùng một cách: xảy ra hai quá trình, trong đó một quá trình bị "hấp thụ", và ngược lại, chúng " rời bỏ". Điều quan trọng nhất là số electron bị hấp thụ bằng số electron phát ra.
Thực ra ngoài pin còn có rất nhiều ứng dụng của các chất này. Nói chung, các chất điện giải, ví dụ mà chúng tôi đã đưa ra, chỉ là một phần của nhiều loại chất được kết hợp theo thuật ngữ này. Chúng bao quanh chúng ta ở mọi nơi, mọi nơi. Lấy ví dụ, cơ thể con người. Bạn nghĩ rằng những chất này không có ở đó? Bạn đang rất nhầm. Chúng có ở khắp mọi nơi trong chúng ta, và số lượng lớn nhất là chất điện giải trong máu. Chúng bao gồm, ví dụ, các ion sắt, là một phần của hemoglobin và giúp vận chuyển oxy đến các mô của cơ thể chúng ta. Các chất điện giải trong máu cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh cân bằng nước-muối và chức năng tim. Chức năng này được thực hiện bởi các ion kali và natri (thậm chí còn có một quá trình xảy ra trong tế bào, được gọi là bơm kali-natri).
Bất kỳ chất nào bạn có thể hòa tan dù chỉ một chút đều là chất điện giải. Và không có ngành công nghiệp như vậy và cuộc sống của chúng tôi với bạn, nơibất cứ điều gì chúng được áp dụng. Đây không chỉ là ắc quy trên ô tô và ắc quy. Đây là bất kỳ sản xuất hóa chất và thực phẩm, nhà máy quân sự, nhà máy sản xuất quần áo, v.v.
Nhân tiện, thành phần của chất điện phân là khác nhau. Vì vậy, có thể phân biệt được chất điện li có tính axit và chất kiềm. Về cơ bản chúng khác nhau về tính chất: như chúng ta đã nói, axit là chất cho proton và kiềm là chất nhận. Nhưng theo thời gian, thành phần của chất điện giải thay đổi do mất một phần chất, nồng độ giảm hoặc tăng (tất cả phụ thuộc vào chất bị mất, nước hay chất điện giải).
Chúng ta gặp chúng hàng ngày, nhưng ít người biết chính xác định nghĩa của thuật ngữ như chất điện giải. Chúng tôi đã đề cập đến các ví dụ về các chất cụ thể, vì vậy hãy chuyển sang các khái niệm phức tạp hơn một chút.
Tính chất vật lý của chất điện ly
Bây giờ là về vật lý. Điều quan trọng nhất cần hiểu khi nghiên cứu chủ đề này là dòng điện truyền trong chất điện phân như thế nào. Các ion đóng một vai trò quyết định trong việc này. Các hạt mang điện này có thể chuyển điện tích từ phần này sang phần khác của dung dịch. Vì vậy, các anion luôn có xu hướng về điện cực dương và các cation - về điện cực âm. Do đó, tác dụng lên dung dịch bằng dòng điện, chúng ta tách các điện tích trên các mặt khác nhau của hệ thống.
Rất thú vị là một đặc tính vật lý như mật độ. Nhiều thuộc tính của các hợp chất mà chúng ta đang thảo luận phụ thuộc vào nó. Và câu hỏi thường bật lên: "Làm thế nào để nâng cao mật độ của chất điện phân?" Trên thực tế, câu trả lời rất đơn giản: bạn cần hạ cấp nội dungnước trong dung dịch. Vì khối lượng riêng của chất điện ly phần lớn được xác định bởi khối lượng riêng của axit sulfuric, nên nó phụ thuộc phần lớn vào nồng độ của chất điện ly. Có hai cách để thực hiện kế hoạch. Cách đầu tiên khá đơn giản: đun sôi chất điện phân có trong pin. Để làm được điều này, bạn cần sạc pin để nhiệt độ bên trong tăng lên trên 100 độ C. Nếu phương pháp này không giúp ích, đừng lo lắng, có một phương pháp khác: chỉ cần thay bình điện phân cũ bằng bình điện phân mới. Để làm điều này, hãy rút hết dung dịch cũ, làm sạch bên trong cặn axit sunfuric bằng nước cất, sau đó đổ phần mới vào. Theo quy luật, dung dịch điện phân chất lượng cao ngay lập tức có nồng độ mong muốn. Sau khi thay thế, bạn có thể quên mất một thời gian dài về cách tăng mật độ chất điện phân.
Thành phần của chất điện phân quyết định phần lớn tính chất của nó. Ví dụ, các đặc tính như độ dẫn điện và mật độ phụ thuộc nhiều vào bản chất của chất tan và nồng độ của nó. Có một câu hỏi riêng về lượng chất điện phân có thể có trong pin. Trên thực tế, khối lượng của nó liên quan trực tiếp đến sức mạnh được tuyên bố của sản phẩm. Càng có nhiều axit sulfuric bên trong pin, nó càng mạnh, tức là nó có thể tạo ra nhiều điện áp hơn.
Nó có ích ở đâu?
Nếu bạn là một người đam mê ô tô hoặc chỉ mê xe, thì bản thân bạn cũng hiểu tất cả. Chắc chắn bạn thậm chí biết cách xác định có bao nhiêu chất điện phân trong pin bây giờ. Và nếu bạn đang ở xa ô tô, thì kiến thứcđặc tính của các chất này, ứng dụng của chúng và cách chúng tương tác với nhau sẽ không thừa chút nào. Biết được điều này, bạn sẽ không bị hụt hẫng nếu được yêu cầu cho biết chất điện phân nào trong pin. Dù bạn không phải là một người đam mê ô tô nhưng bạn đã có một chiếc ô tô thì việc hiểu biết về thiết bị ắc quy sẽ không thừa chút nào và sẽ giúp ích cho bạn trong việc sửa chữa. Tự làm mọi thứ sẽ dễ dàng và rẻ hơn nhiều so với việc đến trung tâm ô tô.
Và để học tốt hơn chủ đề này, chúng tôi khuyên bạn nên đọc sách giáo khoa hóa học dành cho các trường phổ thông và đại học. Nếu bạn biết rõ về khoa học này và đã đọc đủ sách giáo khoa, thì "Nguồn hiện tại hóa học" của Varypaev sẽ là lựa chọn tốt nhất. Nó phác thảo chi tiết toàn bộ lý thuyết về hoạt động của pin, nhiều loại pin và tế bào hydro.
Kết
Chúng tôi đã đi đến cùng. Hãy tóm tắt lại. Trên đây, chúng tôi đã phân tích tất cả mọi thứ liên quan đến một khái niệm như chất điện phân: ví dụ, lý thuyết về cấu trúc và tính chất, chức năng và ứng dụng. Một lần nữa, điều đáng nói là những hợp chất này là một phần của cuộc sống của chúng ta, nếu không có nó, cơ thể chúng ta và tất cả các lĩnh vực công nghiệp không thể tồn tại. Bạn có nhớ điện giải máu không? Nhờ họ mà chúng tôi sống. Còn những chiếc xe của chúng ta thì sao? Với kiến thức này, chúng tôi sẽ có thể khắc phục mọi sự cố liên quan đến pin, vì bây giờ chúng tôi hiểu cách tăng mật độ chất điện phân trong đó.
Không thể kể hết mọi thứ, và chúng tôi đã không đặt ra mục tiêu như vậy. Rốt cuộc, đây không phải là tất cả những gì có thể nói về những chất tuyệt vời này.
