Los electrolitos como sustancias químicas se conocen desde la antigüedad. Sin embargo, han conquistado la mayoría de sus áreas de aplicación hace relativamente poco tiempo. Discutiremos las áreas de mayor prioridad para que la industria use estas sustancias y descubriremos cuáles son estas últimas y en qué se diferencian entre sí. Pero empecemos con una digresión en la historia.
Historia
Los electrolitos más antiguos que se conocen son sales y ácidos descubiertos en el mundo antiguo. Sin embargo, las ideas sobre la estructura y las propiedades de los electrolitos han evolucionado con el tiempo. Las teorías de estos procesos han evolucionado desde la década de 1880, cuando se realizaron varios descubrimientos relacionados con las teorías de las propiedades de los electrolitos. Ha habido varios s altos cualitativos en las teorías que describen los mecanismos de interacción de los electrolitos con el agua (después de todo, solo en solución adquieren las propiedades por las que se utilizan en la industria).
Ahora analizaremos en detalle varias de las teorías que más han influido en el desarrollo de las ideas sobre los electrolitos y sus propiedades. Y comencemos con la teoría más común y simple que cada uno de nosotros tomamos en la escuela.
Teoría de la disociación electrolítica de Arrhenius
en 1887El químico sueco Svante Arrhenius y el químico ruso-alemán Wilhelm Ostwald crearon la teoría de la disociación electrolítica. Sin embargo, aquí tampoco todo es tan simple. El propio Arrhenius era partidario de la llamada teoría física de las soluciones, que no tenía en cuenta la interacción de las sustancias constituyentes con el agua y argumentaba que en la solución hay partículas (iones) con carga libre. Por cierto, es desde tales posiciones que la disociación electrolítica se considera hoy en día en la escuela.
Vamos a seguir hablando de lo que da esta teoría y cómo nos explica el mecanismo de interacción de las sustancias con el agua. Como todo el mundo, tiene varios postulados que utiliza:
1. Al interactuar con el agua, la sustancia se descompone en iones (positivo - catión y negativo - anión). Estas partículas se hidratan: atraen moléculas de agua que, por cierto, están cargadas positivamente por un lado y negativamente por el otro (forman un dipolo), como resultado, forman complejos acuosos (solvatos).
2. El proceso de disociación es reversible, es decir, si la sustancia se ha descompuesto en iones, entonces, bajo la influencia de cualquier factor, puede volver a convertirse en el original.
3. Si conecta electrodos a la solución y comienza una corriente, entonces los cationes comenzarán a moverse hacia el electrodo negativo, el cátodo, y los aniones hacia el cargado positivamente, el ánodo. Por eso, las sustancias altamente solubles en agua conducen mejor la electricidad que el agua misma. También se les llama electrolitos por la misma razón.
4. El grado de disociación del electrolito caracteriza el porcentaje de la sustancia que se ha disuelto. Esteel indicador depende de las propiedades del disolvente y del propio soluto, de la concentración de este último y de la temperatura exterior.
Aquí, de hecho, y todos los postulados básicos de esta teoría simple. Los usaremos en este artículo para describir lo que sucede en una solución electrolítica. Analizaremos ejemplos de estos compuestos un poco más adelante, pero ahora consideraremos otra teoría.
Teoría de ácidos y bases de Lewis
Según la teoría de la disociación electrolítica, un ácido es una sustancia en la que está presente un catión de hidrógeno y una base es un compuesto que se descompone en un anión hidróxido en solución. Hay otra teoría que lleva el nombre del famoso químico Gilbert Lewis. Te permite ampliar un poco el concepto de ácido y base. Según la teoría de Lewis, los ácidos son iones o moléculas de una sustancia que tienen orbitales electrónicos libres y son capaces de aceptar un electrón de otra molécula. Es fácil adivinar que las bases serán aquellas partículas que son capaces de donar uno o más de sus electrones para el "uso" del ácido. Es muy interesante aquí que no sólo un electrolito, sino también cualquier sustancia, incluso insoluble en agua, puede ser un ácido o una base.
Teoría protolítica de Brandsted-Lowry
En 1923, independientemente el uno del otro, dos científicos, J. Bronsted y T. Lowry, propusieron una teoría que ahora los científicos utilizan activamente para describir procesos químicos. La esencia de esta teoría es quela disociación se reduce a la transferencia de un protón de un ácido a una base. Así, este último se entiende aquí como un aceptor de protones. Entonces el ácido es su donante. La teoría también explica bien la existencia de sustancias que presentan las propiedades tanto de los ácidos como de las bases. Tales compuestos se llaman anfóteros. En la teoría de Bronsted-Lowry, el término anfolitos también se utiliza para ellos, mientras que los ácidos o las bases suelen denominarse protolitos.
Hemos llegado a la siguiente parte del artículo. Aquí le diremos cómo los electrolitos fuertes y débiles difieren entre sí y discutiremos la influencia de factores externos en sus propiedades. Y luego comenzaremos a describir su aplicación práctica.
Electrolitos fuertes y débiles
Cada sustancia interactúa con el agua individualmente. Algunos se disuelven bien en él (por ejemplo, la sal de mesa), mientras que otros no se disuelven en absoluto (por ejemplo, la tiza). Así, todas las sustancias se dividen en electrolitos fuertes y débiles. Estos últimos son sustancias que interactúan mal con el agua y se depositan en el fondo de la solución. Esto significa que tienen un grado de disociación muy bajo y una energía de enlace alta, lo que en condiciones normales no permite que la molécula se descomponga en sus iones constituyentes. La disociación de electrolitos débiles se produce muy lentamente o con un aumento de la temperatura y la concentración de esta sustancia en solución.
Hablemos de electrolitos fuertes. Estos incluyen todas las sales solubles, así como ácidos fuertes y álcalis. Se descomponen fácilmente en iones y es muy difícil recogerlos en la precipitación. La corriente en electrolitos, por cierto, se conduceprecisamente por los iones contenidos en la solución. Por lo tanto, los electrolitos fuertes son los que mejor conducen la corriente. Ejemplos de estos últimos: ácidos fuertes, álcalis, sales solubles.
Factores que afectan el comportamiento de los electrolitos
Ahora averigüemos cómo los cambios en el ambiente externo afectan las propiedades de las sustancias. La concentración afecta directamente el grado de disociación de electrolitos. Además, esta relación se puede expresar matemáticamente. La ley que describe esta relación se llama ley de dilución de Ostwald y se escribe de la siguiente manera: a=(K / c)1/2. Aquí a es el grado de disociación (tomado en fracciones), K es la constante de disociación, que es diferente para cada sustancia, y c es la concentración del electrolito en la solución. Mediante esta fórmula, puede aprender mucho sobre la sustancia y su comportamiento en solución.
Pero estamos divagando. Además de la concentración, el grado de disociación también se ve afectado por la temperatura del electrolito. Para la mayoría de las sustancias, aumentarla aumenta la solubilidad y la reactividad. Esto puede explicar la ocurrencia de algunas reacciones solo a temperaturas elevadas. En condiciones normales, van muy lentamente o en ambas direcciones (este proceso se denomina reversible).
Hemos analizado los factores que determinan el comportamiento de un sistema como una solución electrolítica. Ahora pasemos a la aplicación práctica de estos, sin duda, productos químicos muy importantes.
Uso industrial
Por supuesto, todos han escuchado la palabra "electrolito"en relación con las baterías. El automóvil usa baterías de plomo-ácido, cuyo electrolito es ácido sulfúrico al 40%. Para comprender por qué se necesita esta sustancia allí, vale la pena comprender las características de las baterías.
Entonces, ¿cuál es el principio de cualquier batería? En ellos se produce una reacción reversible de transformación de una sustancia en otra, como resultado de lo cual se liberan electrones. Cuando la batería está cargada se produce una interacción de sustancias que no se obtiene en condiciones normales. Esto se puede representar como la acumulación de electricidad en una sustancia como resultado de una reacción química. Cuando comienza la descarga, comienza la transformación inversa, llevando al sistema al estado inicial. Estos dos procesos juntos constituyen un ciclo de carga y descarga.
Consideremos el proceso anterior en un ejemplo específico: una batería de plomo-ácido. Como puede suponer, esta fuente de corriente consiste en un elemento que contiene plomo (así como dióxido de plomo PbO2) y ácido. Cualquier batería consta de electrodos y el espacio entre ellos, lleno solo de electrolito. Como último, como ya hemos descubierto, en nuestro ejemplo, el ácido sulfúrico se usa en una concentración del 40 por ciento. El cátodo de una batería de este tipo está hecho de dióxido de plomo y el ánodo está hecho de plomo puro. Todo esto se debe a que en estos dos electrodos se producen diferentes reacciones reversibles con la participación de iones en los que se ha disociado el ácido:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(reacción que ocurre en el electrodo negativo - cátodo).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Reacción en el electrodo positivo - ánodo).
Si leemos las reacciones de izquierda a derecha, obtenemos los procesos que ocurren cuando la batería está descargada, y si leemos de derecha a izquierda, cuando se carga. En cada fuente de corriente química, estas reacciones son diferentes, pero el mecanismo de su ocurrencia generalmente se describe de la misma manera: ocurren dos procesos, en uno de los cuales los electrones son "absorbidos", y en el otro, por el contrario, " abandonar". Lo más importante es que el número de electrones absorbidos sea igual al número de electrones emitidos.
En realidad, además de las pilas, existen muchas aplicaciones de estas sustancias. En general, los electrolitos, de los que hemos dado ejemplos, son solo un grano de la variedad de sustancias que se combinan bajo este término. Nos rodean por todas partes, por todas partes. Tomemos, por ejemplo, el cuerpo humano. ¿Crees que estas sustancias no están ahí? Estás muy equivocado. Están por todas partes en nosotros, y la mayor cantidad son electrolitos en la sangre. Estos incluyen, por ejemplo, los iones de hierro, que forman parte de la hemoglobina y ayudan a transportar el oxígeno a los tejidos de nuestro cuerpo. Los electrolitos en la sangre también juegan un papel clave en la regulación del equilibrio agua-sal y la función cardíaca. Esta función la realizan los iones de potasio y sodio (incluso hay un proceso que ocurre en las células, que se llama bomba de potasio-sodio).
Cualquier sustancia que puedas disolver aunque sea un poco son electrolitos. Y no existe tal industria y nuestra vida contigo, dondecualquiera que sea su aplicación. Esto no es solo baterías en automóviles y baterías. Se trata de cualquier producción de productos químicos y alimentos, plantas militares, fábricas de ropa, etc.
La composición del electrolito, por cierto, es diferente. Entonces, es posible distinguir electrolitos ácidos y alcalinos. Se diferencian fundamentalmente en sus propiedades: como ya hemos dicho, los ácidos son donantes de protones y los álcalis son aceptores. Pero con el tiempo, la composición del electrolito cambia debido a la pérdida de parte de la sustancia, la concentración disminuye o aumenta (todo depende de lo que se pierda, agua o electrolito).
Los encontramos todos los días, pero pocas personas saben exactamente la definición de un término como electrolitos. Hemos cubierto ejemplos de sustancias específicas, así que pasemos a conceptos un poco más complejos.
Propiedades físicas de los electrolitos
Ahora sobre física. Lo más importante que debe comprender al estudiar este tema es cómo se transmite la corriente en los electrolitos. Los iones juegan un papel decisivo en esto. Estas partículas cargadas pueden transferir carga de una parte de la solución a otra. Entonces, los aniones siempre tienden al electrodo positivo y los cationes al negativo. Así, actuando sobre la solución con una corriente eléctrica, separamos las cargas en diferentes lados del sistema.
Muy interesante es una característica física como la densidad. Muchas propiedades de los compuestos que estamos discutiendo dependen de ello. Y a menudo surge la pregunta: "¿Cómo aumentar la densidad del electrolito?" De hecho, la respuesta es simple: necesita degradar el contenidoagua en solución. Dado que la densidad del electrolito está determinada en gran medida por la densidad del ácido sulfúrico, depende en gran medida de la concentración de este último. Hay dos formas de llevar a cabo el plan. El primero es bastante simple: hervir el electrolito contenido en la batería. Para hacer esto, debe cargarlo para que la temperatura interior aumente ligeramente por encima de los cien grados centígrados. Si este método no ayuda, no se preocupe, hay otro: simplemente reemplace el electrolito viejo por uno nuevo. Para hacer esto, drene la solución vieja, limpie el interior de los residuos de ácido sulfúrico con agua destilada y luego vierta una nueva porción. Como regla general, las soluciones de electrolitos de alta calidad tienen inmediatamente la concentración deseada. Después del reemplazo, puede olvidarse durante mucho tiempo de cómo aumentar la densidad del electrolito.
La composición del electrolito determina en gran medida sus propiedades. Características como la conductividad eléctrica y la densidad, por ejemplo, dependen en gran medida de la naturaleza del soluto y su concentración. Hay una pregunta separada sobre cuánto electrolito puede haber en la batería. De hecho, su volumen está directamente relacionado con la potencia declarada del producto. Cuanto más ácido sulfúrico haya dentro de la batería, más potente es, es decir, más voltaje puede producir.
¿Dónde es útil?
Si eres un entusiasta de los autos o simplemente te gustan los autos, entonces tú mismo entiendes todo. Seguramente ya sabes cómo determinar cuánto electrolito hay en la batería ahora. Y si estás lejos de los autos, entonces el conocimiento. Las propiedades de estas sustancias, sus aplicaciones y cómo interactúan entre sí no serán en absoluto superfluas. Sabiendo esto, no se sentirá perdido si se le pide que diga qué electrolito hay en la batería. Aunque incluso si no es un entusiasta de los automóviles, pero tiene un automóvil, conocer el dispositivo de la batería no será superfluo en absoluto y lo ayudará con las reparaciones. Será mucho más fácil y económico hacer todo usted mismo que ir al centro de automóviles.
Y para estudiar mejor este tema, recomendamos leer un libro de texto de química para escuelas y universidades. Si conoce bien esta ciencia y ha leído suficientes libros de texto, las "Fuentes de corriente química" de Varypaev serían la mejor opción. Describe en detalle toda la teoría del funcionamiento de las baterías, varias baterías y celdas de hidrógeno.
Conclusión
Hemos llegado al final. Resumamos. Arriba, hemos analizado todo lo relacionado con un concepto como electrolitos: ejemplos, teoría de la estructura y propiedades, funciones y aplicaciones. Una vez más vale la pena decir que estos compuestos son parte de nuestra vida, sin los cuales nuestro cuerpo y todas las áreas de la industria no podrían existir. ¿Recuerdas los electrolitos en sangre? Gracias a ellos vivimos. ¿Qué pasa con nuestros coches? Con este conocimiento, podremos solucionar cualquier problema relacionado con la batería, ya que ahora sabemos cómo aumentar la densidad del electrolito en ella.
Es imposible contarlo todo, y no nos propusimos ese objetivo. Después de todo, esto no es todo lo que se puede decir sobre estas maravillosas sustancias.
