Elektrolity

Elektrolitem nazywamy substancję, mającą zdolność przewodzenia prądu elektrycznego. Prąd elektryczny jest przewodzony przez swobodne jony, powstałe w takim związku w wyniku:

  • stopienia soli, jeśli były w postaci ciała stałego
  • dysocjacji elektrolitycznej zasad, kwasów, albo ich soli, będących rozpuszczone w roztworze albo będące w postaci cieczy;

Elektrolity te dzieli się na mocne i słabe, w zależności od ich stopnia dysocjacji:

  • elektrolity mocne, mające zdolność do całkowitej dysocjacji na jony, są to:
  • wodorotlenki litowców i berylowców za wyjątkiem berylu; wodorotlenki te dysocjują na jednododatni jon metalu oraz anion OH-;
  • kwasy HCl, HBr, HI, H2SO4, HNO3, HClO4; charakterystyka tej grupy podano niżej;
  • większość nieorganicznych soli rozpuszczalnych w wodzie, tworzące tzw. kryształy jonowe; wyjątek stanowią sole rtęci Hg(CN)2, Hg2Cl2, w których połączenie metal - anion ma znaczny charakter kowalencyjny;
  • elektrolity słabe, substancje częściowo zdysocjowane na jony; są to np. H2SO3, H2S, HNO2, CH3COOH

Miarą mocy elektrolitu jest tzw. stopień dysocjacji. Stopień dysocjacji jest to stosunek liczby zdysocjowanych cząsteczek elektrolitu (jony), do całkowitej liczby cząsteczek danego elektrolitu będących w roztworze. Wartość jego można podawać w

  • procentach 0% < a < 100%
  • albo w ułamkach dziesiętnych 0 < a < 1

Stopień dysocjacji bliski 100% (1) sugeruje, że mamy do czynienia z elektrolitem silnie zdysocjowanym, a więc z tzw. mocnymi elektrolitami. A więc w równaniu reakcji dysocjacji takich substancji zaznaczamy strzałkę w jedną stronę. Przykładem takiego elektrolitu jest kwas chlorowy (VII) dysocjujący w 100 %.

HClO4 ® ClO4- + H+

Natomiast a równe kilka procent wskazuje, że następuje tylko częściowa dysocjacja na jony, a więc są to tzw. elektrolity słabe. Słabym elektrolitem jest np. kwas octowy, jego stopień dysocjacji o stężeniu 1 M wynosi 0,4 %. Jego równanie dysocjacji jest opisywane w postaci dwóch strzałek w przeciwnych kierunkach.

CH3COOH <=> CH3COO- + H+

Każdy stopień dysocjacji zależy przede wszystkim

  • od temperatury, wraz ze wzrostem temperatury zwiększa się proces dysocjacji danego elektrolitu;
  • od stężenia elektrolitu; wraz ze wzrostem stężenia dysocjacja elektrolitu maleje; w roztworach obojętnie, jakiego elektrolitu, gdzie jest bardzo duże rozcieńczenie stopień dysocjacji może osiągnąć wartość nawet 100%

Z powodu powyższych zależności stopień dysocjacji nie jest zbyt dokładną normą mocy elektrolitu w szczególności dotyczy to słabych elektrolitów.

Dla roztworów słabych elektrolitów bardzo dobrą miarą mocy słabych elektrolitów, a która jest nie zależna od stężenia i jest to stała dysocjacji:

Zbadajmy reakcję dysocjacji elektrolitu słabego, wiadomo, że jest ona procesem odwracalnym, czyli w roztworze znajdują się obok siebie zarówno cząsteczki niezdysocjowane jak i jony. Jony mogą między sobą łączyć się w cząsteczki a następnie znowu się powstawać, podczas dysocjacji. Początkowo oba procesy mają różną szykość. Po jakimś czasie ustala się między nimi tzw. stan równowagi dynamicznej. Jest to stan, podczas, którego liczba jonów tworzących cząsteczki jest równa ilości jonów powstałych w wyniku dysocjacji. Tak, więc jest to reakcja, do której możemy stosować prawo działania mas.

Stała dysocjacji dotycząca reakcji odwracalnych w stanie równowagi, jest to stosunek iloczynu stężeń (są to zazwyczaj stężenia molowe) jonów (produktów) do stężenia cząsteczek nie zdysocjowanych (substratów) w stanie równowagi roztworu elektrolitu. Przykładowo dla reakcji dysocjacji octanu sodu, której równanie jest podane wyżej, stałą dysocjacji wynosi:

Stała dysocjacji nie zależy od stężenia elektrolitu, natomiast zależy od temperatury dysocjacji. W stałej temperaturze ma ona konkretną wartość

Wartość tej wielkości jest także zależna od mocy elektrolitu i wraz ze wzrostem mocy elektrolitu stała zwiększa swoją wartość.

Należy zwrócić uwagę, że stała dysocjacji jest cechą charakterystyczną dla słabych elektrolitów, gdyż mocne elektrolity całkowicie dysocjują, więc nie może zaistnieć żadna równowaga między niezdysocjowanymi cząsteczkami a jonami.

Dla słabego elektrolitu stopień dysocjacji, stała dysocjacji oraz stężenie roztworu można powiązać ze sobą, za pomocą tzw. prawa rozcieńczeń Ostwalda.

Prawo to mówi, że dla słabego elektrolitu stopień dysocjacji jest odwrotnie proporcjonalny od podniesionego do kwadratu stężenia elektrolitu w roztworze, a wprost proporcjonalny do kwadratu jego stałej dysocjacji.

Przewodniki

Za prąd elektryczny uważa się uporządkowany ruch cząstek naładowanych.

Wyróżniamy dwa rodzaje prądu elektrycznego:

  • prąd stały - przepływ ładunków odbywa się w jednym kierunku,
  • prąd zmienny - kierunek przepływu ładunków zmienia się okresowo;

Prąd może płynąć w:

1. przewodnikach;

2. półprzewodnikach;

3. elektrolitach;

Półprzewodniki są to substancje, których właściwości przewodzenia można zmieniać w wielkim zakresie przez działanie czynników zewnętrznych. Są to związki chemiczne różnych pierwiastków, a zwłaszcza węgla i krzemu, oraz różnorodne mieszaniny związków nieorganicznych i organicznych. Specyficzne znaczenie mają: selen, krzem, german.

Bardzo dobrymi przewodnikami są metale, w których za przewodzenie prądu odpowiedzialne są swobodne elektrony. Jeżeli przez przewodnik nie płynie prąd, to kierunek poruszenia się elektronów jest dowolny i przypadkowy. Ale sumaryczny ruch wszystkich elektronów jest zerowy, co oznacza, że mniej więcej tyle samo elektronów porusza się w prawo, co w lewo. Jeżeli jednak na końce przewodnika przyłożone będzie napięcie elektrony przepływają przez przewodnik metalowy od ujemnego bieguna źródła prądu do dodatniego bieguna, który przyjmuje elektrony od przewodnika.

Przewodniki zbudowane z metalu traktowane są jako tzw. przewodniki pierwszego (I) rodzaju.

Związki chemiczne, które nie są metalami, albo ich mieszaninami, zazwyczaj nie są dobrymi przewodnikami prądu elektrycznego. Złym przewodnikiem jest także woda destylowana.

Jednak roztwory wielu substancji chemicznych, już mogą, ale nie muszą przewodzić prąd.

Takie związki, których roztwory wodne maja właściwości przewodzenia prądu są to elektrolity, przykładem takiego związku jest roztwór chlorku sodu (NaCl).

Zaś substancje, które nawet jako roztwory wodne nie są w stanie przewodzić prądu, to tzw. nieelektrolity, jest to np. roztwór cukru.

Różnice w przewodzeniu prądu elektrycznego między przewodnikami I rodzaju (metale) a roztworami związków jonowych:

  1. elektrolity są z reguły znacznie gorszymi przewodnikami elektryczności niż metale;
  2. ze wzrostem temperatury opór właściwy metali rośnie, natomiast opór właściwy elektrolitów na ogół maleje; a więc wraz ze wzrostem temperatury w przewodniku metalicznym następuje zmniejszenie przewodnictwa prądu a w elektrolitach odwrotnie zwiększenie;
  3. przewodnik metaliczny, przez który przepływa prąd elektryczny, nie ulega na ogół żadnym zmianom chemicznym, jeżeli wydzielające się ciepło jest odprowadzane wystarczająco szybko.
  4. w elektrolitach pod wpływem przewodzenia prądu zachodzą specyficzne reakcje chemiczne, czyli zachodzi proces zwany elektrolizą;

Elektroliza

Jest to wymuszony, poprzez zewnętrzne źródło napięcia, zespół reakcji redoks zachodzących na powierzchniach elektrod w trakcie przepływu prądu elektrycznego przez roztwór elektrolitu albo stopiony elektrolit.

Elektrody są to kawałki metalu (mogą także być pałeczki grafitowe) zanurzone w roztworach elektrolitu oraz połączone z dwoma biegunami źródła.

Rozróżniamy:

  • elektrody dodatnie (anody)
  • elektrody ujemne (katody)

W trakcie przepływu prądu, na takich elektrodach można zaobserwować różne chemiczne procesy powodujące wydzielanie się pewnych substancji, często w charakterze pęcherzyków gazu.

Reakcje chemiczne, przebiegające na powierzchniach elektrod zależą do właściwości chemicznych metalu, oraz składników elektrolitu, a oprócz tego od różnicy potencjałów między elektrodami.

Przewodniki elektrolityczne, w związku z tym, że podczas przewodzenia ulegają reakcjom chemicznym są nazywane przewodnikami II rodzaju, w których jony są nośnikami prądu elektrycznego.