Les électrolytes en tant que produits chimiques sont connus depuis l'Antiquité. Cependant, ils ont conquis la plupart de leurs domaines d'application relativement récemment. Nous discuterons des domaines les plus prioritaires pour l'industrie dans l'utilisation de ces substances et déterminerons quelles sont ces dernières et en quoi elles diffèrent les unes des autres. Mais commençons par une digression dans l'histoire.
Histoire
Les plus anciens électrolytes connus sont des sels et des acides découverts dans le monde antique. Cependant, les idées sur la structure et les propriétés des électrolytes ont évolué au fil du temps. Les théories de ces processus ont évolué depuis les années 1880, lorsqu'un certain nombre de découvertes ont été faites liées aux théories des propriétés des électrolytes. Il y a eu plusieurs sauts qualitatifs dans les théories décrivant les mécanismes d'interaction des électrolytes avec l'eau (après tout, ce n'est qu'en solution qu'ils acquièrent les propriétés grâce auxquelles ils sont utilisés dans l'industrie).
Nous allons maintenant analyser en détail plusieurs théories qui ont eu la plus grande influence sur le développement des idées sur les électrolytes et leurs propriétés. Et commençons par la théorie la plus courante et la plus simple que chacun de nous a apprise à l'école.
Théorie d'Arrhenius de la dissociation électrolytique
en 1887Le chimiste suédois Svante Arrhenius et le chimiste russo-allemand Wilhelm Ostwald ont créé la théorie de la dissociation électrolytique. Cependant, tout n'est pas si simple ici non plus. Arrhenius lui-même était un partisan de la soi-disant théorie physique des solutions, qui ne tenait pas compte de l'interaction des substances constitutives avec l'eau et soutenait qu'il y avait des particules chargées libres (ions) dans la solution. Soit dit en passant, c'est à partir de telles positions que la dissociation électrolytique est envisagée à l'école aujourd'hui.
Parlons encore de ce que donne cette théorie et comment elle nous explique le mécanisme d'interaction des substances avec l'eau. Comme tout le monde, elle a plusieurs postulats qu'elle utilise:
1. Lors de l'interaction avec l'eau, la substance se décompose en ions (positif - cation et négatif - anion). Ces particules subissent une hydratation: elles attirent les molécules d'eau, qui, soit dit en passant, sont chargées positivement d'un côté et chargées négativement de l'autre (forment un dipôle), par conséquent, elles forment des complexes aqua (solvates).
2. Le processus de dissociation est réversible - c'est-à-dire que si la substance s'est fragmentée en ions, sous l'influence de n'importe quel facteur, elle peut à nouveau se transformer en celle d'origine.
3. Si vous connectez des électrodes à la solution et démarrez un courant, les cations commenceront à se déplacer vers l'électrode négative - la cathode, et les anions vers la charge positive - l'anode. C'est pourquoi les substances très solubles dans l'eau conduisent mieux l'électricité que l'eau elle-même. Ils sont aussi appelés électrolytes pour la même raison.
4. Le degré de dissociation de l'électrolyte caractérise le pourcentage de la substance ayant subi une dissolution. Cettel'indicateur dépend des propriétés du solvant et du soluté lui-même, de la concentration de ce dernier et de la température extérieure.
Voici, en fait, et tous les postulats de base de cette simple théorie. Nous les utiliserons dans cet article pour décrire ce qui se passe dans une solution électrolytique. Nous analyserons des exemples de ces composés un peu plus tard, mais nous allons maintenant considérer une autre théorie.
Théorie de Lewis des acides et des bases
Selon la théorie de la dissociation électrolytique, un acide est une substance dans laquelle un cation hydrogène est présent, et une base est un composé qui se décompose en un anion hydroxyde en solution. Il existe une autre théorie nommée d'après le célèbre chimiste Gilbert Lewis. Cela vous permet d'élargir quelque peu le concept d'acide et de base. Selon la théorie de Lewis, les acides sont des ions ou des molécules d'une substance qui ont des orbitales d'électrons libres et sont capables d'accepter un électron d'une autre molécule. Il est facile de deviner que les bases seront de telles particules capables de donner un ou plusieurs de leurs électrons à "l'utilisation" de l'acide. Il est très intéressant ici que non seulement un électrolyte, mais aussi toute substance, même insoluble dans l'eau, puisse être un acide ou une base.
Théorie protolithique de Brandsted-Lowry
En 1923, indépendamment l'un de l'autre, deux scientifiques - J. Bronsted et T. Lowry - ont proposé une théorie qui est maintenant activement utilisée par les scientifiques pour décrire les processus chimiques. L'essence de cette théorie est quela dissociation se réduit au transfert d'un proton d'un acide à une base. Ainsi, ce dernier est entendu ici comme un accepteur de protons. Alors l'acide est leur donneur. La théorie explique également bien l'existence de substances qui présentent les propriétés des acides et des bases. De tels composés sont appelés amphotères. Dans la théorie de Bronsted-Lowry, le terme ampholytes est également utilisé pour eux, tandis que les acides ou les bases sont généralement appelés protolithes.
Nous sommes arrivés à la prochaine partie de l'article. Ici, nous vous expliquerons en quoi les électrolytes forts et faibles diffèrent les uns des autres et discuterons de l'influence des facteurs externes sur leurs propriétés. Et puis nous commencerons à décrire leur application pratique.
Électrolytes forts et faibles
Chaque substance interagit avec l'eau individuellement. Certains s'y dissolvent bien (par exemple, le sel de table), tandis que d'autres ne s'y dissolvent pas du tout (par exemple, la craie). Ainsi, toutes les substances sont divisées en électrolytes forts et faibles. Ces derniers sont des substances qui interagissent mal avec l'eau et se déposent au fond de la solution. Cela signifie qu'ils ont un très faible degré de dissociation et une énergie de liaison élevée, ce qui, dans des conditions normales, ne permet pas à la molécule de se décomposer en ses ions constitutifs. La dissociation des électrolytes faibles se produit soit très lentement, soit avec une augmentation de la température et de la concentration de cette substance en solution.
Parlons des électrolytes forts. Ceux-ci incluent tous les sels solubles, ainsi que les acides forts et les alcalis. Ils se décomposent facilement en ions et il est très difficile de les collecter dans les précipitations. Soit dit en passant, le courant dans les électrolytes est conduitprécisément à cause des ions contenus dans la solution. Par conséquent, les électrolytes forts conduisent mieux le courant. Exemples de ces derniers: acides forts, alcalis, sels solubles.
Facteurs affectant le comportement des électrolytes
Déterminons maintenant comment les changements dans l'environnement externe affectent les propriétés des substances. La concentration affecte directement le degré de dissociation des électrolytes. De plus, ce rapport peut être exprimé mathématiquement. La loi décrivant cette relation s'appelle la loi de dilution d'Ostwald et s'écrit: a=(K / c)1/2. Ici a est le degré de dissociation (pris en fractions), K est la constante de dissociation, qui est différente pour chaque substance, et c est la concentration de l'électrolyte dans la solution. Grâce à cette formule, vous pouvez en apprendre beaucoup sur la substance et son comportement en solution.
Mais on s'égare. En plus de la concentration, le degré de dissociation est également affecté par la température de l'électrolyte. Pour la plupart des substances, son augmentation augmente la solubilité et la réactivité. Cela peut expliquer l'apparition de certaines réactions uniquement à des températures élevées. Dans des conditions normales, ils vont soit très lentement, soit dans les deux sens (un tel processus est dit réversible).
Nous avons analysé les facteurs qui déterminent le comportement d'un système tel qu'une solution électrolytique. Passons maintenant à l'application pratique de ces produits chimiques sans aucun doute très importants.
Utilisation industrielle
Bien sûr, tout le monde a entendu le mot "électrolyte"par rapport aux piles. La voiture utilise des batteries au plomb, dont l'électrolyte contient 40 % d'acide sulfurique. Pour comprendre pourquoi cette substance est nécessaire là-bas, il convient de comprendre les caractéristiques des batteries.
Alors, quel est le principe d'une batterie ? En eux, une réaction réversible de transformation d'une substance en une autre se produit, à la suite de laquelle des électrons sont libérés. Lorsque la batterie est chargée, une interaction de substances se produit, ce qui n'est pas obtenu dans des conditions normales. Cela peut être représenté comme l'accumulation d'électricité dans une substance à la suite d'une réaction chimique. Lorsque la décharge commence, la transformation inverse commence, conduisant le système à l'état initial. Ces deux processus constituent ensemble un cycle de charge-décharge.
Considérons le processus ci-dessus sur un exemple spécifique - une batterie au plomb. Comme vous pouvez le deviner, cette source de courant est constituée d'un élément contenant du plomb (ainsi que du dioxyde de plomb PbO2) et de l'acide. Toute batterie est constituée d'électrodes et de l'espace entre elles, rempli uniquement d'électrolyte. Comme dernier, comme nous l'avons déjà découvert, dans notre exemple, l'acide sulfurique est utilisé à une concentration de 40%. La cathode d'une telle batterie est en dioxyde de plomb et l'anode est en plomb pur. Tout cela est dû au fait que différentes réactions réversibles se produisent sur ces deux électrodes avec la participation d'ions dans lesquels l'acide s'est dissocié:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(réaction se produisant au niveau de l'électrode négative - cathode).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Réaction à l'électrode positive - anode).
Si nous lisons les réactions de gauche à droite - nous obtenons les processus qui se produisent lorsque la batterie est déchargée, et si de droite à gauche - lors de la charge. Dans chaque source de courant chimique, ces réactions sont différentes, mais le mécanisme de leur apparition est généralement décrit de la même manière: deux processus se produisent, dans l'un desquels les électrons sont "absorbés", et dans l'autre, au contraire, ils " laisser". Le plus important est que le nombre d'électrons absorbés soit égal au nombre d'électrons émis.
En fait, outre les piles, ces substances ont de nombreuses applications. En général, les électrolytes, dont nous avons donné des exemples, ne sont qu'un grain de la variété des substances qui sont combinées sous ce terme. Ils nous entourent partout, partout. Prenons, par exemple, le corps humain. Pensez-vous que ces substances ne sont pas là? Vous vous trompez beaucoup. Ils sont partout en nous, et la plus grande quantité est constituée d'électrolytes sanguins. Ceux-ci incluent, par exemple, les ions de fer, qui font partie de l'hémoglobine et aident à transporter l'oxygène vers les tissus de notre corps. Les électrolytes sanguins jouent également un rôle clé dans la régulation de l'équilibre eau-sel et de la fonction cardiaque. Cette fonction est assurée par les ions potassium et sodium (il existe même un processus qui se produit dans les cellules, appelé pompe potassium-sodium).
Toute substance que vous pouvez dissoudre même un peu est un électrolyte. Et il n'y a pas une telle industrie et notre vie avec toi, oùquelles qu'elles soient appliquées. Il ne s'agit pas seulement des batteries dans les voitures et des batteries. Il s'agit de toute production chimique et alimentaire, d'usines militaires, d'usines de vêtements, etc.
La composition de l'électrolyte, soit dit en passant, est différente. Ainsi, il est possible de distinguer les électrolytes acides et alcalins. Ils diffèrent fondamentalement par leurs propriétés: comme nous l'avons déjà dit, les acides sont des donneurs de protons et les alcalis sont des accepteurs. Mais avec le temps, la composition de l'électrolyte change en raison de la perte d'une partie de la substance, la concentration diminue ou augmente (tout dépend de ce qui est perdu, de l'eau ou de l'électrolyte).
Nous les rencontrons tous les jours, mais peu de gens connaissent exactement la définition d'un terme tel que les électrolytes. Nous avons couvert des exemples de substances spécifiques, passons donc à des concepts un peu plus complexes.
Propriétés physiques des électrolytes
Parlons maintenant de physique. La chose la plus importante à comprendre lors de l'étude de ce sujet est la façon dont le courant est transmis dans les électrolytes. Les ions y jouent un rôle décisif. Ces particules chargées peuvent transférer la charge d'une partie de la solution à une autre. Ainsi, les anions ont toujours tendance à l'électrode positive et les cations - au négatif. Ainsi, en agissant sur la solution avec un courant électrique, nous séparons les charges de différents côtés du système.
Très intéressante est une caractéristique physique telle que la densité. De nombreuses propriétés des composés dont nous discutons en dépendent. Et la question revient souvent: "Comment augmenter la densité de l'électrolyte?" En fait, la réponse est simple: vous devez rétrograder le contenueau en solution. La densité de l'électrolyte étant en grande partie déterminée par la densité de l'acide sulfurique, elle dépend en grande partie de la concentration de ce dernier. Il y a deux façons de réaliser le plan. La première est assez simple: faire bouillir l'électrolyte contenu dans la batterie. Pour ce faire, vous devez le charger afin que la température à l'intérieur dépasse légèrement les cent degrés Celsius. Si cette méthode ne vous aide pas, ne vous inquiétez pas, il en existe une autre: remplacez simplement l'ancien électrolyte par un nouveau. Pour ce faire, vidangez l'ancienne solution, nettoyez l'intérieur des résidus d'acide sulfurique avec de l'eau distillée, puis versez une nouvelle portion. En règle générale, les solutions d'électrolytes de haute qualité ont immédiatement la concentration souhaitée. Après le remplacement, vous pouvez oublier pendant longtemps comment augmenter la densité de l'électrolyte.
La composition de l'électrolyte détermine en grande partie ses propriétés. Des caractéristiques telles que la conductivité électrique et la densité, par exemple, dépendent fortement de la nature du soluté et de sa concentration. Il y a une question distincte sur la quantité d'électrolyte qui peut se trouver dans la batterie. En effet, son volume est directement lié à la puissance déclarée du produit. Plus il y a d'acide sulfurique à l'intérieur de la batterie, plus elle est puissante, c'est-à-dire plus elle peut produire de tension.
Où est-ce utile ?
Si vous êtes un passionné de voitures ou que vous aimez simplement les voitures, alors vous comprenez tout vous-même. Vous savez sûrement même comment déterminer la quantité d'électrolyte dans la batterie maintenant. Et si vous êtes loin des voitures, alors la connaissanceles propriétés de ces substances, leurs applications et la façon dont elles interagissent les unes avec les autres ne seront pas du tout superflues. Sachant cela, vous ne serez pas perdu si on vous demande de dire quel électrolyte se trouve dans la batterie. Bien que même si vous n'êtes pas un passionné de voiture, mais que vous avez une voiture, connaître le dispositif de batterie ne sera pas du tout superflu et vous aidera dans les réparations. Il sera beaucoup plus facile et moins cher de tout faire soi-même que d'aller au centre auto.
Et afin de mieux étudier ce sujet, nous vous recommandons de lire un manuel de chimie pour les écoles et les universités. Si vous connaissez bien cette science et avez lu suffisamment de manuels, les "Sources de courant chimique" de Varypaev seraient la meilleure option. Il décrit en détail toute la théorie du fonctionnement des batteries, des diverses batteries et des piles à hydrogène.
Conclusion
Nous sommes arrivés à la fin. Résumons. Ci-dessus, nous avons analysé tout ce qui concerne un concept tel que les électrolytes: exemples, théorie de la structure et des propriétés, fonctions et applications. Encore une fois, il vaut la peine de dire que ces composés font partie de notre vie, sans lesquels notre corps et tous les domaines de l'industrie ne pourraient pas exister. Vous souvenez-vous des électrolytes sanguins ? Grâce à eux nous vivons. Et nos voitures ? Avec cette connaissance, nous serons en mesure de résoudre tout problème lié à la batterie, car nous comprenons maintenant comment augmenter la densité de l'électrolyte qu'elle contient.
Il est impossible de tout dire, et nous ne nous sommes pas fixé un tel objectif. Après tout, ce n'est pas tout ce que l'on peut dire sur ces substances étonnantes.
