Неорганическая
Органическая
Коллоидная
Биологическая
Биохимия
Токсикологическая
Экологическая
Химическая энциклопедия
Советская энциклопедия
Справочник по веществам
Гетероциклы
Теплотехника
Углеводы
Квантовая химия
Моделирование ХТС
Номенклатура
Таблица Менделеева
Неорганические реакции
Органические реакции
Молярные массы
Форматирование формул
Редактор формул
Уравнивание реакций
Электронное строение атомов
Игра «Таблица Менделеева»
Термодинамические свойства
Конвертер величин
Гальванопара
Форум
Лекарства
Фармацевтика
Термины биохимии
Коды загрязняющих веществ
Стандартизация
Каталог предприятий


ЭЛЕКТРОЛИТЫ

ЭЛЕКТРОЛИТЫ, в-ва, в к-рых в заметной концентрации присутствуют ионы, обусловливающие прохождение электрич. тока (ионную проводимость). Электролиты также наз. проводниками второго рода. В узком смысле слова электролиты-в-ва, молекулы к-рых в р-ре вследствие электролитической диссоциации распадаются на ионы. Различают электролиты твердые, растворы электролитов и ионные расплавы. Р-ры электролитов часто также наз. электролитами. В зависимости от вида р-рителя различают электролиты водные и электролиты неводные. Особый класс составляют высокомол. электролиты- полиэлектролиты.
В соответствии с природой ионов, образующихся при электролитич. диссоциации водных р-ров, выделяют солевые электролиты (в них отсутствуют ионы Н+ и ОН-), к-ты (преобладают ионы Н+) и основания (преобладают ионы ОН-). Если при диссоциации молекул электролита число катионов совпадает с числом анионов, такие электролиты наз. симметричными (1,1 -валентными, напр. КС1, 2,2-валентными, напр. CaSO4, и т.д.). В противном случае электролиты наз. несимметричными (1,2-валентные электролиты, напр. H2SO4, 3,1-валентные, напр. А1(ОН)3, и т.д.).
По способности к электролитич. диссоциации электролиты условно разделяют на сильные и слабые. Сильные электролиты практически полностью диссоциированы на ионы в разбавленных р-рах. К ним относятся многие неорг. соли, нек-рые к-ты и основания в водных р-рах, а также в р-рителях, обладающих высокой диссоциирующей способностью (напр., в спиртах, амидах, кетонах). Молекулы слабых электролитов лишь частично диссоциированы на ионы, к-рые находятся в динамич. равновесии с недиссоциир. молекулами. К слабым электролитам относятся многие орг. к-ты и основания в водных и неводных р-рителях. Степень диссоциации зависит от природы р-рителя, концентрации р-ра, т-ры и др. факторов. Один и тот же электролит при одинаковой концентрации, но в разл. р-рителях образует р-ры с разл. степенью диссоциации.
Электролитич. диссоциация приводит к увеличению общего числа частиц в р-ре, что обусловливает существенное различие между св-вами разбавл. р-ров электролитов и неэлектролитов. Этим, в частности, объясняется увеличение осмотич. давления р-ра и его отклонение от закона Вант-Гофа (см. Осмос), понижение давления пара р-рителя над р-ром и его отклонение от Рауля закона, увеличение изменения т-ры кипения и замерзания р-ра относительно чистого р-рителя и др.
Ионы в электролитах являются отд. кинетич. единицами и участвуют в хим. р-циях и электрохим. процессах часто независимо от природы др. ионов, присутствующих в р-ре. При прохождении электрич. тока через электролит на погруженных в него электродах происходят окислит.-восстановит. р-ции, в результате чего в своб. виде выделяются в-ва, к-рые становятся компонентами электролита (см. Электролиз).
Электролиты по своей структуре представляют собой сложные системы, состоящие из ионов, окруженных молекулами р-рителя, недиссоциированных молекул растворенного в-ва, ионных пар и более крупных агрегатов. Св-ва электролитов определяются характером ион-ионных и ион-молекулярных взаимод., а также изменением св-в и структуры р-рителя под влиянием растворенных частиц электролитов. В полярных р-рителях благодаря интенсивному взаимод. ионов с молекулами р-рителя образуются сольватные структуры (см. Сольватация). Роль сольватации с увеличением валентности ионов и уменьшением их кристаллографич. размеров возрастает. Мерой взаимод. ионов с молекулами р-рителя является энергия сольватации.
В зависимости от концентрации электролитов выделяют область разбавленных р-ров, к-рые по своей структуре близки к структуре чистого р-рителя, нарушаемой, однако, присутствием и влиянием ионов; переходную область и область концентрир. р-ров. Весьма разбавленные р-ры слабых электролитов по своим св-вам близки к идеальным р-рам и достаточно хорошо описываются классич. теорией электролитич. диссоциации. Разбавленные р-ры сильных электролитов заметно отклоняются от св-в идеальных р-ров, что обусловлено электростатич. межионным взаимод. Их описание проводится в рамках Дебая-Хюккеля теории, к-рая удовлетворительно объясняет концентрационную зависимость термодинамич. св-в - коэф. активности ионов, осмотич. коэф. и др., а также неравновесных св-в -электропроводности, диффузии, вязкости (см. Электропроводность электролитов). При повышении концентрации р-ров сильных электролитов возникает необходимость в учете размера ионов, а также влияния сольватационных эффектов на характер межионного взаимодействия.
В переходной концентрационной области под влиянием ионов происходит существенное изменение структуры р-рителя. При дальнейшем увеличении концентрации электролита почти все молекулы р-рителя связаны с ионами в сольватационные структуры и обнаруживается дефицит р-рителя, а в области концентрированных р-ров структура р-ра все более приближается к структуре соответствующих ионных расплавов или кристаллосольватов. Данные компьютерного моделирования и спектроскопич. исследований, в частности методом рассеяния нейтронов с изотопным замещением, свидетельствуют о значит. степени упорядоченности в концентрированных р-рах электролитов и об образовании специфич. для каждой конкретной системы ионных структур. Напр., для водного р-ра NiCl2 характерен комплекс, содержащий ион Ni2+, окруженный 4 молекулами воды и 2 ионами Сl- в октаэдрич. конфигурации. Ионные комплексы связываются между собой посредством связей галоген - водород - кислород и более сложных взаимод., включающих молекулы воды.
В ионных расплавах специфика упорядочения характеризуется структурными факторами6031-81.jpg6031-82.jpg и6031-83.jpg, описывающими флуктуации ионной плотности6031-84.jpg и заряда q как ф-ции волнового числа k, к-рое с точностью до постоянной Планка h совпадает с величиной импульса, передоваемого расплаву рассеивающей частицей, напр. нейтроном. Для бинарного электролита

6031-85.jpg

6031-86.jpg

6031-87.jpg

где6031-88.jpg6031-89.jpg6031-90.jpg - парциальные структурные факторы, относящиеся к взаимод. катионов и анионов между собой и друг с другом. Для расплавов типа NaCl ф-ция6031-91.jpg близка к нулю, вследствие чего электролит можно рассматривать как смесь двух жидкостей, одна из к-рых характеризуется упорядочением по ионной плотности через ф-цию6031-92.jpg, а вторая -"зарядовым" упорядочением через ф-цию6031-93.jpg. Ф-ция6031-94.jpg имеет типичное поведение для систем с "плотностным" упорядочением, отражая значит. степень беспорядка в расположении частиц. В отличие от этого6031-95.jpg имеет резкий пик, отражающий сильное упорядочение в распределении заряда, определяемое экранированием и требованиями локальной электронейтральности. Такое упорядочение ионов приводит к возможности существования в электролитах коллективных возбуждений, к-рые могут проявляться в виде пиков динамич. структурного фактора6031-96.jpg описывающего динамику флуктуации плотности заряда расплава (6031-97.jpg - частота, связанная с энергией, передаваемой расплаву рассеивающей частицей). Для ионных расплавов электролитов, катионы к-рых склонны к образованию ковалентных связей с анионами (напр., для расплава CuCl), наблюдается сильная корреляция взаимод. между анионами и довольно слабая - между катионами.
Переход от одной концентрационной области электролитов в другую происходит плавно, вследствие чего рассмотренное выше деление является условным. Тем не менее в промежут. области нек-рые термодинамич. св-ва электролитов, напр. коэф. р-римости, претерпевают заметные изменения. Описание промежут. и концентрационной областей требует явного рассмотрения как ионов, так и молекул р-рителя и учета разл. видов взаимод. между всеми частицами в р-ре.
В зависимости от т-ры и давления выделяют низкотемепературную и высокотемпературную области св-в электролитов, а также области нормальных и высоких давлений. Повышение т-ры или давления в целом снижают мол. упорядоченность р-рителя и ослабляет влияние ассоциативных и сольватационных эффектов на св-ва р-ра электролита. При понижении т-ры иже т-ры плавления нек-рые концентрир. электролиты могут находиться стеклообразном состоянии, напр. водные р-ры LiCl.
Наряду с электролитами как проводниками второго рода существуют в-ва, обладающие одновременно электронной и ионной проводимостью. К ним относятся р-ры щелочных и щел.-зем. металлов в полярных р-рителях (аммиак, амины, эфиры), а также в расплавах солей. В этих системах при изменении концентрации металла происходит фазовый переход в металлич. состояние с существенным (на неск. порядков) изменением электропроводности. При этом в электролитич. области образуется самый легкий анион-сольватированный электрон, придающий р-ру характерный синий цвет.
Электролиты играют важную роль в науке и технике. Они участвуют в электрохим. и многих биол. процессах, являются средой для орг. и неорг. синтеза и электрохим. произ-в. Изучение св-в электролитов важно для выяснения механизмов электролиза, электрокатализа, электрокристаллизации, коррозии металлов и др., для совершенствования механизмов разделения в-в - экстракции и ионного обмена. Исследование св-в электролитов стимулируется энергетич. проблемами (создание новых топливных элементов, солнечных батарей, электрохимических преобразователей информации), а также проблемами защиты окружающей среды.

Лит.: Харнед Г., Оуэн Б., Физическая химия растворов электролитов, пер. с англ., М., 1952; Термодинамика и строение растворов. Материалы симпозиума "Химия водных систем при высоких температурах и давлениях", Иваново, 1986; March N.H., Тоsi M. P., Coulomb liquids, L.-[a.o.], 1984; см. также лит. к ст. Растворы электролитов, Электропроводность электролитов, Электролиты неводные, Электролиты твердые.

М. Ф. Головко.


     © ХиМиК.ру




Реклама   Обратная связь   Дизайн