Eletrólitos como produtos químicos são conhecidos desde os tempos antigos. No entanto, eles conquistaram a maioria de suas áreas de aplicação há relativamente pouco tempo. Discutiremos as áreas de maior prioridade para a indústria usar essas substâncias e descobrir quais são as últimas e como elas diferem umas das outras. Mas vamos começar com uma digressão na história.
Histórico
Os mais antigos eletrólitos conhecidos são sais e ácidos descobertos no mundo antigo. No entanto, as ideias sobre a estrutura e as propriedades dos eletrólitos evoluíram ao longo do tempo. As teorias desses processos evoluíram desde a década de 1880, quando várias descobertas foram feitas relacionadas às teorias das propriedades dos eletrólitos. Houve vários s altos qualitativos nas teorias que descrevem os mecanismos de interação dos eletrólitos com a água (afinal, somente em solução eles adquirem as propriedades pelas quais são utilizados na indústria).
Agora vamos analisar detalhadamente várias teorias que tiveram maior influência no desenvolvimento das ideias sobre eletrólitos e suas propriedades. E vamos começar com a teoria mais comum e simples que cada um de nós aprendeu na escola.
Teoria de Dissociação Eletrolítica de Arrhenius
em 1887O químico sueco Svante Arrhenius e o químico russo-alemão Wilhelm Ostwald criaram a teoria da dissociação eletrolítica. No entanto, nem tudo é tão simples aqui. O próprio Arrhenius era um defensor da chamada teoria física das soluções, que não levava em conta a interação das substâncias constituintes com a água e argumentava que existem partículas carregadas livres (íons) na solução. Aliás, é a partir dessas posições que a dissociação eletrolítica é considerada hoje na escola.
Vamos ainda falar sobre o que essa teoria dá e como ela nos explica o mecanismo de interação das substâncias com a água. Como todo mundo, ela tem vários postulados que usa:
1. Ao interagir com a água, a substância se decompõe em íons (positivo - cátion e negativo - ânion). Essas partículas sofrem hidratação: atraem moléculas de água, que, aliás, são carregadas positivamente de um lado e negativamente carregadas do outro (formam um dipolo), como resultado, formam complexos aquáticos (solvatos).
2. O processo de dissociação é reversível - isto é, se a substância se decompôs em íons, sob a influência de quaisquer fatores, ela pode se transformar novamente no original.
3. Se você conectar eletrodos à solução e iniciar uma corrente, os cátions começarão a se mover em direção ao eletrodo negativo - o cátodo, e os ânions em direção ao carregado positivamente - o ânodo. É por isso que substâncias altamente solúveis em água conduzem eletricidade melhor do que a própria água. Eles também são chamados de eletrólitos pelo mesmo motivo.
4. O grau de dissociação do eletrólito caracteriza a porcentagem da substância que sofreu dissolução. Esseo indicador depende das propriedades do solvente e do próprio soluto, da concentração deste último e da temperatura externa.
Aqui, de fato, e todos os postulados básicos desta teoria simples. Vamos usá-los neste artigo para descrever o que acontece em uma solução eletrolítica. Analisaremos exemplos desses compostos um pouco mais tarde, mas agora consideraremos outra teoria.
Teoria Lewis de ácidos e bases
De acordo com a teoria da dissociação eletrolítica, um ácido é uma substância na qual um cátion hidrogênio está presente, e uma base é um composto que se decompõe em um ânion hidróxido em solução. Existe outra teoria com o nome do famoso químico Gilbert Lewis. Ele permite que você expanda um pouco o conceito de ácido e base. De acordo com a teoria de Lewis, ácidos são íons ou moléculas de uma substância que possuem orbitais de elétrons livres e são capazes de aceitar um elétron de outra molécula. É fácil adivinhar que as bases serão aquelas partículas capazes de doar um ou mais de seus elétrons para o "uso" do ácido. É muito interessante aqui que não apenas um eletrólito, mas também qualquer substância, mesmo insolúvel em água, pode ser um ácido ou uma base.
Teoria protolítica de Brandsted-Lowry
Em 1923, independentemente um do outro, dois cientistas - J. Bronsted e T. Lowry - propuseram uma teoria que agora é usada ativamente pelos cientistas para descrever processos químicos. A essência dessa teoria é quea dissociação é reduzida à transferência de um próton de um ácido para uma base. Assim, este último é entendido aqui como um aceptor de prótons. Então o ácido é seu doador. A teoria também explica bem a existência de substâncias que exibem as propriedades de ácidos e bases. Tais compostos são chamados de anfotéricos. Na teoria de Bronsted-Lowry, o termo anfólitos também é usado para eles, enquanto ácidos ou bases são geralmente chamados de protólitos.
Chegamos à próxima parte do artigo. Aqui, mostraremos como os eletrólitos fortes e fracos diferem um do outro e discutiremos a influência de fatores externos em suas propriedades. E então começaremos a descrever sua aplicação prática.
Eletrólitos fortes e fracos
Cada substância interage com a água individualmente. Alguns se dissolvem bem nele (por exemplo, sal de mesa), enquanto alguns não se dissolvem (por exemplo, giz). Assim, todas as substâncias são divididas em eletrólitos fortes e fracos. Estas últimas são substâncias que interagem mal com a água e se depositam no fundo da solução. Isso significa que eles têm um grau de dissociação muito baixo e uma alta energia de ligação, o que em condições normais não permite que a molécula se decomponha em seus íons constituintes. A dissociação de eletrólitos fracos ocorre muito lentamente, ou com aumento da temperatura e concentração dessa substância em solução.
Vamos falar sobre eletrólitos fortes. Estes incluem todos os sais solúveis, bem como ácidos fortes e álcalis. Eles facilmente se quebram em íons e é muito difícil coletá-los na precipitação. A corrente nos eletrólitos, a propósito, é conduzidaprecisamente por causa dos íons contidos na solução. Portanto, eletrólitos fortes conduzem melhor a corrente. Exemplos deste último: ácidos fortes, álcalis, sais solúveis.
Fatores que afetam o comportamento dos eletrólitos
Agora vamos descobrir como as mudanças no ambiente externo afetam as propriedades das substâncias. A concentração afeta diretamente o grau de dissociação eletrolítica. Além disso, essa razão pode ser expressa matematicamente. A lei que descreve essa relação é chamada de lei de diluição de Ostwald e é escrita da seguinte forma: a=(K / c)1/2. Aqui a é o grau de dissociação (em frações), K é a constante de dissociação, que é diferente para cada substância e c é a concentração do eletrólito na solução. Por esta fórmula, você pode aprender muito sobre a substância e seu comportamento em solução.
Mas nós divagamos. Além da concentração, o grau de dissociação também é afetado pela temperatura do eletrólito. Para a maioria das substâncias, aumentá-lo aumenta a solubilidade e a reatividade. Isso pode explicar a ocorrência de algumas reações apenas em temperaturas elevadas. Sob condições normais, eles vão muito lentamente ou em ambas as direções (tal processo é chamado de reversível).
Analisamos os fatores que determinam o comportamento de um sistema como uma solução eletrolítica. Agora vamos passar para a aplicação prática desses produtos químicos, sem dúvida muito importantes.
Uso Industrial
Claro, todo mundo já ouviu a palavra "eletrólito"em relação às baterias. O carro usa baterias de chumbo-ácido, cujo eletrólito é 40% de ácido sulfúrico. Para entender por que essa substância é necessária, vale a pena entender as características das baterias.
Então qual é o princípio de qualquer bateria? Neles, ocorre uma reação reversível da transformação de uma substância em outra, como resultado da liberação de elétrons. Quando a bateria é carregada, ocorre uma interação de substâncias, que não é obtida em condições normais. Isso pode ser representado como o acúmulo de eletricidade em uma substância como resultado de uma reação química. Quando a descarga começa, inicia-se a transformação inversa, levando o sistema ao estado inicial. Esses dois processos juntos constituem um ciclo de carga-descarga.
Vamos considerar o processo acima em um exemplo específico - uma bateria de chumbo-ácido. Como você pode imaginar, esta fonte de corrente consiste em um elemento contendo chumbo (assim como dióxido de chumbo PbO2) e ácido. Qualquer bateria é composta por eletrodos e o espaço entre eles, preenchido apenas com eletrólito. Como último, como já descobrimos, em nosso exemplo, o ácido sulfúrico é usado na concentração de 40%. O cátodo dessa bateria é feito de dióxido de chumbo e o ânodo é feito de chumbo puro. Tudo isso porque diferentes reações reversíveis ocorrem nesses dois eletrodos com a participação de íons nos quais o ácido se dissociou:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(reação que ocorre no eletrodo negativo - cátodo).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Reação no eletrodo positivo - ânodo).
Se lermos as reações da esquerda para a direita - obtemos os processos que ocorrem quando a bateria está descarregada, e se da direita para a esquerda - ao carregar. Em cada fonte de corrente química, essas reações são diferentes, mas o mecanismo de sua ocorrência geralmente é descrito da mesma maneira: ocorrem dois processos, em um dos quais os elétrons são "absorvidos" e no outro, ao contrário, " deixar". O mais importante é que o número de elétrons absorvidos seja igual ao número de elétrons emitidos.
Na verdade, além das baterias, existem muitas aplicações dessas substâncias. Em geral, os eletrólitos, dos quais demos exemplos, são apenas um grão da variedade de substâncias que são combinadas sob esse termo. Eles nos cercam em todos os lugares, em todos os lugares. Tomemos, por exemplo, o corpo humano. Você acha que essas substâncias não estão lá? Você está muito enganado. Eles estão por toda parte em nós, e a maior quantidade é de eletrólitos no sangue. Estes incluem, por exemplo, os íons de ferro, que fazem parte da hemoglobina e ajudam a transportar oxigênio para os tecidos do nosso corpo. Os eletrólitos do sangue também desempenham um papel fundamental na regulação do equilíbrio salino-água e na função cardíaca. Essa função é realizada pelos íons potássio e sódio (existe até um processo que ocorre nas células, que é chamado de bomba potássio-sódio).
Qualquer substância que você pode dissolver mesmo que um pouco é eletrólitos. E não existe tal indústria e nossa vida com você, ondesejam quais forem aplicados. Isso não é apenas baterias em carros e baterias. Isso é qualquer produção química e de alimentos, fábricas militares, fábricas de roupas e assim por diante.
A composição do eletrólito, aliás, é diferente. Assim, é possível distinguir eletrólito ácido e alcalino. Eles diferem fundamentalmente em suas propriedades: como já dissemos, os ácidos são doadores de prótons e os álcalis são receptores. Mas com o tempo, a composição do eletrólito muda devido à perda de parte da substância, a concentração diminui ou aumenta (tudo depende do que é perdido, água ou eletrólito).
Nós os encontramos todos os dias, mas poucas pessoas sabem exatamente a definição de um termo como eletrólitos. Cobrimos exemplos de substâncias específicas, então vamos passar para conceitos um pouco mais complexos.
Propriedades físicas dos eletrólitos
Agora sobre física. A coisa mais importante a entender ao estudar este tópico é como a corrente é transmitida nos eletrólitos. Os íons desempenham um papel decisivo nisso. Essas partículas carregadas podem transferir carga de uma parte da solução para outra. Assim, os ânions sempre tendem ao eletrodo positivo e os cátions - ao negativo. Assim, agindo sobre a solução com uma corrente elétrica, separamos as cargas em diferentes lados do sistema.
Muito interessante é uma característica física como a densidade. Muitas propriedades dos compostos que estamos discutindo dependem disso. E muitas vezes surge a pergunta: "Como aumentar a densidade do eletrólito?" Na verdade, a resposta é simples: você precisa fazer o downgrade do conteúdoágua em solução. Como a densidade do eletrólito é amplamente determinada pela densidade do ácido sulfúrico, depende em grande parte da concentração deste último. Existem duas maneiras de executar o plano. A primeira é bem simples: ferva o eletrólito contido na bateria. Para fazer isso, você precisa carregá-lo para que a temperatura interna suba ligeiramente acima de cem graus Celsius. Se este método não ajudar, não se preocupe, existe outro: basta substituir o eletrólito antigo por um novo. Para fazer isso, drene a solução antiga, limpe o interior dos resíduos de ácido sulfúrico com água destilada e despeje uma nova porção. Como regra, soluções eletrolíticas de alta qualidade têm imediatamente a concentração desejada. Após a substituição, você pode esquecer por muito tempo como aumentar a densidade do eletrólito.
A composição do eletrólito determina em grande parte suas propriedades. Características como condutividade elétrica e densidade, por exemplo, são altamente dependentes da natureza do soluto e de sua concentração. Há uma pergunta separada sobre quanto eletrólito pode estar na bateria. De fato, seu volume está diretamente relacionado à potência declarada do produto. Quanto mais ácido sulfúrico dentro da bateria, mais poderosa ela é, ou seja, mais voltagem ela pode produzir.
Onde é útil?
Se você é um entusiasta de carros ou apenas em carros, então você mesmo entende tudo. Certamente você sabe até como determinar quanto eletrólito está na bateria agora. E se você está longe dos carros, então o conhecimentopropriedades dessas substâncias, suas aplicações e como elas interagem umas com as outras não serão supérfluas. Sabendo disso, você não ficará perdido se for solicitado a dizer qual eletrólito está na bateria. Embora, mesmo que você não seja um entusiasta do carro, mas tenha um carro, conhecer o dispositivo da bateria não será supérfluo e o ajudará nos reparos. Será muito mais fácil e barato fazer tudo sozinho do que ir ao auto center.
E para melhor estudar este tema, recomendamos a leitura de um livro didático de química para escolas e universidades. Se você conhece bem essa ciência e leu livros suficientes, as "Fontes de Correntes Químicas" de Varypaev seriam a melhor opção. Ele descreve em detalhes toda a teoria do funcionamento das baterias, várias baterias e células de hidrogênio.
Conclusão
Chegamos ao fim. Vamos resumir. Acima, analisamos tudo relacionado a um conceito como eletrólitos: exemplos, teoria de estrutura e propriedades, funções e aplicações. Mais uma vez vale dizer que esses compostos fazem parte da nossa vida, sem os quais nossos corpos e todas as áreas da indústria não poderiam existir. Você se lembra dos eletrólitos do sangue? Graças a eles vivemos. E nossos carros? Com esse conhecimento, poderemos resolver qualquer problema relacionado à bateria, pois agora entendemos como aumentar a densidade do eletrólito nela.
É impossível contar tudo, e não estabelecemos essa meta. Afinal, isso não é tudo o que se pode dizer sobre essas substâncias incríveis.
