Elektrolit sebagai bahan kimia telah dikenal sejak zaman dahulu. Namun, mereka telah menaklukkan sebagian besar area aplikasi mereka relatif baru-baru ini. Kami akan membahas area prioritas tertinggi bagi industri untuk menggunakan zat ini dan mencari tahu apa yang terakhir dan bagaimana mereka berbeda satu sama lain. Tapi mari kita mulai dengan penyimpangan sejarah.
Sejarah
Elektrolit tertua yang diketahui adalah garam dan asam yang ditemukan di dunia kuno. Namun, ide tentang struktur dan sifat elektrolit telah berkembang dari waktu ke waktu. Teori proses ini telah berkembang sejak tahun 1880-an, ketika sejumlah penemuan dibuat terkait dengan teori sifat-sifat elektrolit. Ada beberapa lompatan kualitatif dalam teori yang menjelaskan mekanisme interaksi elektrolit dengan air (setelah semua, hanya dalam larutan mereka memperoleh sifat yang digunakan dalam industri).
Sekarang kita akan menganalisis secara rinci beberapa teori yang memiliki pengaruh terbesar pada pengembangan gagasan tentang elektrolit dan sifat-sifatnya. Dan mari kita mulai dengan teori paling umum dan sederhana yang kita ambil masing-masing di sekolah.
Teori Disosiasi Elektrolisis Arrhenius
pada tahun 1887Kimiawan Swedia Svante Arrhenius dan kimiawan Rusia-Jerman Wilhelm Ostwald menciptakan teori disosiasi elektrolitik. Namun, semuanya juga tidak begitu sederhana di sini. Arrhenius sendiri adalah pendukung apa yang disebut teori fisika larutan, yang tidak memperhitungkan interaksi zat penyusun dengan air dan berpendapat bahwa ada partikel (ion) bermuatan bebas dalam larutan. Omong-omong, dari posisi seperti itulah disosiasi elektrolitik dipertimbangkan di sekolah hari ini.
Mari kita bicara tentang apa yang diberikan teori ini dan bagaimana teori ini menjelaskan kepada kita mekanisme interaksi zat dengan air. Seperti orang lain, dia memiliki beberapa postulat yang dia gunakan:
1. Saat berinteraksi dengan air, zat terurai menjadi ion (positif - kation dan negatif - anion). Partikel-partikel ini mengalami hidrasi: mereka menarik molekul air, yang, bagaimanapun, bermuatan positif di satu sisi dan bermuatan negatif di sisi lain (membentuk dipol), akibatnya, mereka membentuk kompleks aqua (larutan).
2. Proses disosiasi bersifat reversibel - yaitu, jika suatu zat telah dipecah menjadi ion, maka di bawah pengaruh faktor apa pun ia dapat kembali berubah menjadi yang asli.
3. Jika Anda menghubungkan elektroda ke larutan dan memulai arus, maka kation akan mulai bergerak menuju elektroda negatif - katoda, dan anion menuju muatan positif - anoda. Itulah sebabnya zat yang sangat larut dalam air menghantarkan listrik lebih baik daripada air itu sendiri. Mereka juga disebut elektrolit karena alasan yang sama.
4. Derajat disosiasi elektrolit mencirikan persentase zat yang telah mengalami pembubaran. Iniindikator tergantung pada sifat-sifat pelarut dan zat terlarut itu sendiri, pada konsentrasi yang terakhir dan pada suhu eksternal.
Di sini, pada kenyataannya, dan semua postulat dasar dari teori sederhana ini. Kami akan menggunakannya dalam artikel ini untuk menjelaskan apa yang terjadi dalam larutan elektrolit. Kami akan menganalisis contoh senyawa ini nanti, tetapi sekarang kami akan mempertimbangkan teori lain.
Teori Lewis tentang asam dan basa
Menurut teori disosiasi elektrolit, asam adalah zat yang mengandung kation hidrogen, dan basa adalah senyawa yang terurai menjadi anion hidroksida dalam larutan. Ada teori lain yang dinamai ahli kimia terkenal Gilbert Lewis. Ini memungkinkan Anda untuk sedikit memperluas konsep asam dan basa. Menurut teori Lewis, asam adalah ion atau molekul suatu zat yang memiliki orbital elektron bebas dan mampu menerima elektron dari molekul lain. Mudah ditebak bahwa basa akan menjadi partikel yang mampu menyumbangkan satu atau lebih elektronnya untuk "penggunaan" asam. Sangat menarik di sini bahwa tidak hanya elektrolit, tetapi juga zat apa pun, bahkan tidak larut dalam air, dapat berupa asam atau basa.
teori protolitik Brandsted-Lowry
Pada tahun 1923, secara independen satu sama lain, dua ilmuwan - J. Bronsted dan T. Lowry - mengajukan teori yang sekarang digunakan secara aktif oleh para ilmuwan untuk menjelaskan proses kimia. Inti dari teori ini adalah bahwadisosiasi direduksi menjadi transfer proton dari asam ke basa. Jadi, yang terakhir dipahami di sini sebagai akseptor proton. Kemudian asam adalah donor mereka. Teori ini juga menjelaskan dengan baik keberadaan zat yang menunjukkan sifat asam dan basa. Senyawa seperti itu disebut amfoter. Dalam teori Bronsted-Lowry, istilah amfolit juga digunakan, sedangkan asam atau basa biasanya disebut protolit.
Kita telah sampai pada bagian artikel selanjutnya. Di sini kami akan memberi tahu Anda bagaimana elektrolit kuat dan lemah berbeda satu sama lain dan membahas pengaruh faktor eksternal pada sifatnya. Dan kemudian kita akan mulai menjelaskan aplikasi praktisnya.
Elektrolit kuat dan lemah
Setiap zat berinteraksi dengan air satu per satu. Beberapa larut dengan baik di dalamnya (misalnya, garam meja), sementara beberapa tidak larut sama sekali (misalnya, kapur). Dengan demikian, semua zat dibagi menjadi elektrolit kuat dan lemah. Yang terakhir adalah zat yang berinteraksi buruk dengan air dan mengendap di dasar larutan. Ini berarti bahwa mereka memiliki tingkat disosiasi yang sangat rendah dan energi ikatan yang tinggi, yang dalam kondisi normal tidak memungkinkan molekul terurai menjadi ion-ion penyusunnya. Disosiasi elektrolit lemah terjadi sangat lambat, atau dengan peningkatan suhu dan konsentrasi zat ini dalam larutan.
Mari kita bicara tentang elektrolit kuat. Ini termasuk semua garam larut, serta asam kuat dan alkali. Mereka mudah pecah menjadi ion dan sangat sulit untuk mengumpulkannya dalam presipitasi. Arus dalam elektrolit, omong-omong, dilakukanjustru karena ion yang terkandung dalam larutan. Oleh karena itu, elektrolit kuat menghantarkan arus dengan baik. Contoh yang terakhir: asam kuat, alkali, garam larut.
Faktor yang mempengaruhi perilaku elektrolit
Sekarang mari kita cari tahu bagaimana perubahan lingkungan luar mempengaruhi sifat-sifat zat. Konsentrasi secara langsung mempengaruhi derajat disosiasi elektrolit. Selain itu, rasio ini dapat dinyatakan secara matematis. Hukum yang menjelaskan hubungan ini disebut hukum pengenceran Ostwald dan ditulis sebagai berikut: a=(K / c)1/2. Di sini a adalah derajat disosiasi (diambil dalam pecahan), K adalah konstanta disosiasi, yang berbeda untuk setiap zat, dan c adalah konsentrasi elektrolit dalam larutan. Dengan rumus ini, Anda dapat belajar banyak tentang zat dan perilakunya dalam larutan.
Tapi kita ngelantur. Selain konsentrasi, derajat disosiasi juga dipengaruhi oleh suhu elektrolit. Untuk sebagian besar zat, meningkatkannya meningkatkan kelarutan dan reaktivitas. Ini dapat menjelaskan terjadinya beberapa reaksi hanya pada suhu tinggi. Dalam kondisi normal, mereka berjalan sangat lambat, atau dalam dua arah (proses seperti itu disebut reversibel).
Kami telah menganalisis faktor-faktor yang menentukan perilaku sistem seperti larutan elektrolit. Sekarang mari kita beralih ke aplikasi praktis dari bahan kimia yang sangat penting ini, tidak diragukan lagi.
Penggunaan industri
Tentu saja, semua orang pernah mendengar kata "elektrolit"dalam kaitannya dengan baterai. Mobil menggunakan baterai timbal-asam, elektrolit di mana asam sulfat 40%. Untuk memahami mengapa zat ini diperlukan di sana, ada baiknya memahami fitur baterai.
Jadi apa prinsip baterai? Di dalamnya, reaksi reversibel dari transformasi satu zat menjadi zat lain terjadi, sebagai akibatnya elektron dilepaskan. Saat baterai diisi, interaksi zat terjadi, yang tidak diperoleh dalam kondisi normal. Ini dapat direpresentasikan sebagai akumulasi listrik dalam suatu zat sebagai akibat dari reaksi kimia. Ketika pelepasan dimulai, transformasi terbalik dimulai, mengarahkan sistem ke keadaan awal. Kedua proses ini bersama-sama membentuk satu siklus pengisian-pengosongan.
Mari kita pertimbangkan proses di atas pada contoh spesifik - baterai timbal-asam. Seperti yang Anda duga, sumber arus ini terdiri dari unsur yang mengandung timbal (serta timbal dioksida PbO2) dan asam. Setiap baterai terdiri dari elektroda dan ruang di antara mereka, diisi hanya dengan elektrolit. Sebagai yang terakhir, seperti yang telah kita ketahui, dalam contoh kita, asam sulfat digunakan pada konsentrasi 40 persen. Katoda baterai semacam itu terbuat dari timbal dioksida, dan anoda terbuat dari timbal murni. Semua ini karena reaksi reversibel yang berbeda terjadi pada kedua elektroda ini dengan partisipasi ion-ion di mana asam telah berdisosiasi:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(reaksi terjadi pada elektroda negatif - katoda).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Reaksi pada elektroda positif - anoda).
Jika kita membaca reaksi dari kiri ke kanan - kita mendapatkan proses yang terjadi saat baterai habis, dan jika dari kanan ke kiri - saat mengisi daya. Di setiap sumber arus kimia, reaksi-reaksi ini berbeda, tetapi mekanisme kemunculannya secara umum dijelaskan dengan cara yang sama: dua proses terjadi, di mana salah satunya elektron "diserap", dan yang lain, sebaliknya, mereka " meninggalkan". Yang terpenting adalah jumlah elektron yang diserap sama dengan jumlah elektron yang dipancarkan.
Sebenarnya, selain baterai, ada banyak aplikasi zat ini. Secara umum, elektrolit, contoh yang telah kami berikan, hanyalah sebutir dari berbagai zat yang digabungkan di bawah istilah ini. Mereka mengelilingi kita di mana-mana, di mana-mana. Ambil contoh, tubuh manusia. Apakah menurut Anda zat-zat ini tidak ada? Anda sangat keliru. Mereka ada di mana-mana di dalam kita, dan jumlah terbesar adalah elektrolit darah. Ini termasuk, misalnya, ion besi, yang merupakan bagian dari hemoglobin dan membantu mengangkut oksigen ke jaringan tubuh kita. Elektrolit darah juga memainkan peran kunci dalam pengaturan keseimbangan air-garam dan fungsi jantung. Fungsi ini dilakukan oleh ion kalium dan natrium (bahkan ada proses yang terjadi di dalam sel, yang disebut pompa kalium-natrium).
Bahan apa pun yang dapat Anda larutkan meskipun sedikit adalah elektrolit. Dan tidak ada industri seperti itu dan hidup kami bersamamu, di manaapapun yang diterapkan. Ini bukan hanya baterai di mobil dan baterai. Ini adalah produksi kimia dan makanan, pabrik militer, pabrik pakaian dan sebagainya.
Komposisi elektrolitnya, omong-omong, berbeda. Jadi, adalah mungkin untuk membedakan elektrolit asam dan basa. Mereka pada dasarnya berbeda dalam sifat mereka: seperti yang telah kita katakan, asam adalah donor proton, dan alkali adalah akseptor. Namun seiring berjalannya waktu, komposisi elektrolit berubah karena hilangnya sebagian zat, konsentrasinya berkurang atau bertambah (semuanya tergantung pada apa yang hilang, air atau elektrolit).
Kami menemuinya setiap hari, tetapi hanya sedikit orang yang tahu persis definisi istilah seperti elektrolit. Kami telah membahas contoh zat tertentu, jadi mari beralih ke konsep yang sedikit lebih kompleks.
Sifat fisika elektrolit
Sekarang tentang fisika. Hal yang paling penting untuk dipahami ketika mempelajari topik ini adalah bagaimana arus ditransmisikan dalam elektrolit. Ion memainkan peran yang menentukan dalam hal ini. Partikel bermuatan ini dapat mentransfer muatan dari satu bagian larutan ke bagian lain. Jadi, anion selalu cenderung ke elektroda positif, dan kation - ke negatif. Jadi, bekerja pada larutan dengan arus listrik, kami memisahkan muatan pada sisi yang berbeda dari sistem.
Sangat menarik karakteristik fisik seperti kepadatan. Banyak sifat senyawa yang kita diskusikan bergantung padanya. Dan pertanyaan yang sering muncul: "Bagaimana cara menaikkan densitas elektrolit?" Faktanya, jawabannya sederhana: Anda perlu menurunkan kontenair dalam larutan. Karena densitas elektrolit sangat ditentukan oleh densitas asam sulfat, maka sangat bergantung pada konsentrasi yang terakhir. Ada dua cara untuk melaksanakan rencana tersebut. Yang pertama cukup sederhana: rebus elektrolit yang ada di baterai. Untuk melakukan ini, Anda perlu mengisinya agar suhu di dalam naik sedikit di atas seratus derajat Celcius. Jika metode ini tidak membantu, jangan khawatir, ada satu lagi: cukup ganti elektrolit lama dengan yang baru. Untuk melakukan ini, tiriskan larutan lama, bersihkan bagian dalam residu asam sulfat dengan air suling, lalu tuangkan dalam porsi baru. Sebagai aturan, larutan elektrolit berkualitas tinggi segera memiliki konsentrasi yang diinginkan. Setelah penggantian, Anda bisa lupa untuk waktu yang lama tentang cara meningkatkan kerapatan elektrolit.
Komposisi elektrolit sangat menentukan sifat-sifatnya. Karakteristik seperti konduktivitas dan densitas listrik, misalnya, sangat bergantung pada sifat zat terlarut dan konsentrasinya. Ada pertanyaan terpisah tentang berapa banyak elektrolit yang bisa ada di baterai. Faktanya, volumenya terkait langsung dengan kekuatan produk yang dinyatakan. Semakin banyak asam sulfat di dalam baterai, semakin kuat dayanya, yaitu semakin besar tegangan yang dapat dihasilkan.
Di mana itu berguna?
Jika Anda adalah penggemar mobil atau hanya menyukai mobil, maka Anda sendiri yang mengerti segalanya. Tentunya Anda bahkan tahu cara menentukan berapa banyak elektrolit yang ada di baterai sekarang. Dan jika Anda jauh dari mobil, maka pengetahuansifat-sifat zat ini, aplikasinya dan bagaimana mereka berinteraksi satu sama lain tidak akan berlebihan sama sekali. Mengetahui hal ini, Anda tidak akan bingung jika diminta menyebutkan elektrolit mana yang ada di dalam baterai. Meskipun Anda bukan penggemar mobil, tetapi Anda memiliki mobil, mengetahui perangkat baterai tidak akan berlebihan sama sekali dan akan membantu Anda dalam perbaikan. Akan jauh lebih mudah dan lebih murah untuk melakukan semuanya sendiri daripada pergi ke pusat otomatis.
Dan untuk mempelajari topik ini dengan lebih baik, kami sarankan untuk membaca buku teks kimia untuk sekolah dan universitas. Jika Anda mengetahui ilmu ini dengan baik dan telah membaca cukup banyak buku teks, "Sumber Bahan Kimia" Varypaev akan menjadi pilihan terbaik. Ini menguraikan secara rinci seluruh teori pengoperasian baterai, berbagai baterai dan sel hidrogen.
Kesimpulan
Kita telah sampai pada akhir. Mari kita rangkum. Di atas, kami telah menganalisis segala sesuatu yang berkaitan dengan konsep seperti elektrolit: contoh, teori struktur dan sifat, fungsi dan aplikasi. Sekali lagi perlu dikatakan bahwa senyawa ini adalah bagian dari kehidupan kita, yang tanpanya tubuh kita dan semua bidang industri tidak akan ada. Apakah Anda ingat elektrolit darah? Berkat mereka kita hidup. Bagaimana dengan mobil kita? Dengan pengetahuan ini, kita akan dapat memperbaiki masalah apa pun yang terkait dengan baterai, karena sekarang kita memahami cara meningkatkan kerapatan elektrolit di dalamnya.
Tidak mungkin untuk mengatakan semuanya, dan kami tidak menetapkan tujuan seperti itu. Bagaimanapun, ini tidak semua yang dapat dikatakan tentang zat yang menakjubkan ini.
