Содержание

Процесс электролитической диссоциации — Справочник химика 21

    Можно ли рассматривать процесс электролитической диссоциации как обратимую реакцию  [c.74]

    Большое значение для развития физической химии имели работы И. А. Каблукова (1857—1942), который, исходя из гидратной теории Д. И. Менделеева, установил явление гидратации ионов электролитов в водных растворах и сущность химического взаимодействия в процессах электролитической диссоциации (1891). Им впервые были выполнены работы по исследованию поведения электролитов в неводных растворах. Каблуков организовал первую кафедру физической химии в сельскохозяйственном вузе и начал читать систематический курс физической химии будущим агрономам. [c.9]


    Рассматривая процесс электролитической диссоциации как процесс обратимый, так как из отдельных положительных и отрицательных ионов вновь могут образоваться молекулы, мы можем определить его незавершенность, введя понятие степени диссоциации.
[c.188]

    Отметьте роль воды в процессе электролитической диссоциации. [c.163]

    Ионообменные смолы — это высокомолекулярные нерастворимые соединения, способные набухать в водных растворах, поглощая значительное количество воды, и высвобождать ионы в процессе электролитической диссоциации. Высвободившиеся ионы замещаются на другие присутствующие в растворе ионы, имеющие большее сродство к ионообменнику. Процесс ионного обмена обратим, и [c.340]

    Объясните процесс электролитической диссоциации в воде веществ с ионным типом связи. Приведите примеры. [c.74]

    Процесс электролитической диссоциации изображают, пользуясь химическими уравнениями. Наиример, диссоциация НС1 выразится уравнением  [c.234]

    Для молекул более сложного строения, способных диссоциировать на несколько ионов, процесс электролитической диссоциации идет ступенчато и степеней диссоциации может быть несколько.

В качестве примера можно рассмотреть процесс электролитической диссоциации серной кислоты  [c.190]

    При растворении ионных соединений происходит образование сольватированных ионов, или процесс электролитической диссоциации. В процессе электролитической диссоциации важная роль принадлежит растворителю. Она заключается в разрушении электролита, сольватации образующихся ионов и создании условий для разобщения ионов противоположного знака. При этом чем полярнее молекулы растворителя, тем легче протекает электролитическая диссоциация. При растворении ковалентных полярных соединений образование сольватированных ионов связано с гете-ролитическим разрывом связей. Электронная пара, осуществляющая ковалентную связь, в этом случае целиком остается у одного из атомов или группы атомов, т. е. происходит процесс А I В- -А+- -В или А В- -А — -В+ 

[c.224]

    Дальнейшему развитию физической химии способствуют работы в этой области ряда советских ученых И. А. Каблукова, который установил явление гидратации ионов электролитов в водных растворах и химического взаимодействия в процессах электролитической диссоциации и др. Н. С. Курнакова, изучавшего физикохимические свойства систем в зависимости от их состава и явившегося создателем физико-химического анализа и др. Н. А. Шилова, выполнившего ряд работ в области кинетики сопряженных химических реакций и адсорбции растворенных веществ из растворов и др. [c.6]


    Некоторые вещества, называемые электролитами, обладают способностью при растворении в соответствующих растворителях, например в воде (к которой первоначально и относилась теория Аррениуса), распадаться иа противоположно заряженные частицы—ионы. Распад электролитов на ионы при растворении был назван процессом электролитической диссоциации, отсюда и теория Аррениуса называется теорией электролитической диссоциации. 
[c.34]

    О неполной диссоциации на ионы многих электролитов в растворе говорит также и возрастание эквивалентной электропроводности с разбавлением. При повышении концентрации, наоборот, эквивалентная электропроводность уменьшается. Поэтому процесс электролитической диссоциации можно считать обратимым. [c.166]

    Из табл. 8.2 видно, что уравнение процесса электролитической диссоциации сильного электролита записывается с указанием его практической необратимости приводится лишь одна стрелка —>, направленная от молекулярной формы электролита к его ионам. Электролитическая диссоциация электролитов средней силы и слабых записывается с указанием ее обратимости используются две, противоположно направленные, стрелки.  

[c.237]

    Термодинамические характеристики (298 К) процесса электролитической диссоциации в водных растворах следующие  [c.76]

    Химические связи между комплексными и простыми ионами в процессе электролитической диссоциации сравнительно легко раскрываются и подчиняются известным правилам о валентности. Связи, приводящие к образованию комплексных ионов, получили название донорно-акцепторных связей. Возникновение донорно-акцепторных связей рассмотрим на примере образования хлорида аммония  [c.132]

    Рассчитайте ЛС для каждой ступени диссоциации. Что можно сказать о силе электролита По какой ступени идет преимущественно процесс электролитической диссоциации  [c.77]

    Константа диссоциации слабой кислоты в водном растворе сложным образом зависит от температуры. Часто в интервале О—60°С наблюдается максимум (у уксусной и муравьиной кислот при 25 °С, у пропионовой кислоты при 20 С, у масляной при 10 °С. Предложено несколько объяснений появления максимума. Одно из них основано на изменении знака энтальпии растворения. Это вызвано противоположным характером температурных зависимостей двух одновременно протекающих процессов электролитической диссоциации молекул и гидратации образующихся ионов. (Каково влияние этих процессов на константу диссоциации кислоты ). 

[c.197]

    К процессу электролитической диссоциации применим закон действующих масс. Так, если в результате диссоциации молекулы электролита МА получается один катион и один анион МАч М++А-, то [c.13]

    По общепринятым сейчас представлениям, истоки которых можно найти в работах И. А. Каблукова (1891), энергия, обеспечивающая разрыв связей в молекуле пли в решетке кристалла, а следо-вател[)Ио, и появление попов, выделяется в самом процессе электролитической диссоциации и представляет собой результат взаимодействия между растворяемым веществом и растворителем. Благодаря этому взаимодействию образуются комплексы, состоящие из молекул растворителя, т. е. сольватированные или, в случае водных растворов, гидратированные ионы. Энергетические эффекты, наблюдающиеся ири этом, были названы, по предложению Фаянса (1915), энергиями сольватации АОс. = ис) или, в водных средах, гидратации (—А0,.= 7г), а соответствующие тепловые эффекты — теплота-ми сольватации (—АНс= с.) и гидратации (—АЙг = ()г)- 

[c.47]

    Растворы слабых электролитов характеризуются, по крайней мере, двумя важными особенностями. Одна из них — приближенное подчинение свойств законам идеального раствора другая — возможность применения к процессу электролитической диссоциации закона действия масс. Причины этих особенностей состоят в том, что процесс диссоциации слабого электролита обратимый (а растворе устанавливается динамическое равновесие между ионами и недиссоциированными молекулами), а степень диссоциации невелика (до 0,05). 

[c.226]

    Количественно процесс электролитической диссоциации можно охарактеризовать рядом величин степенью электролитической диссоциации , изотоническим коэффициентом, константой диссоциации и др.  [c.226]

    При электролизе водород выделяется на аноде, следовательно, в гидридах ион водорода заряжен отрицательно и играет роль аниона, т. е. гидриды являются солеобразными соединениями. Процесс электролитической диссоциации наблюдается также и в расплавленных гидридах. [c.236]

    К 3—4 каплям раствора Си304 прилить по каплям раствор щелочи.

Наблюдать образование осадка. Отметить его цвет. Составить уравнение процесса электролитической диссоциации взятой соли и уравнение реакции взаимодействия ионов меди с гидроксильными ионами щелочи. [c.92]

    Химически чистая вода обладает хотя и ничтожной, но измеримой электрической проводимостью, которая по сравнению с электрической проводимостью ГМ НС1 меньше в Ю раз. Из этого следует, что вода в незначительной степени диссоциирует на ионы. Процесс электролитической диссоциации воды возможен благодаря достаточно высокой полярности связей О—Н и наличию между молекула-ми воды системы Н-связей (см. гл. IV, 5). Механизм процесса объясняется следующей схемой  [c.159]


    У1еханизм и причины электролитической диссоциации. В 1887 г. С Аррениус выдвинул гипотезу о том, что электролиты в воде диссоциируют (распадаются) на положительно и отрицательно заряженные частицы — ионы. Увеличение числа частиц в растворе вследствие электролитической диссоциации обусловливает отклонение от законов Рауля и Вант-Гоффа.
Изотонический коэффициент показывает, во сколько раз увеличивается общее число частиц в растворе вследствие диссоциации электролита. Согласно Аррениусу диссоциирует лишь часть молекул, причем процесс имеет обратимый характер. Процесс электролитической диссоциации электролита КА на ионы и А , по Аррениусу, имеет вид КАч=ь + А». Как было установлено позднее, это уравнение можно написать лишь для так называемых слабых электролитов. Аррениус исходил из физической теории растворов. Эта теория рассматривала растворы как механическую смесь молекул и ионов растворенного вещества с молекулами растворителя, между которыми нет никаких видов взаимодействия. На основании физической теории трудно объяснить разрыв прочных химических связей диссоциирующих молекул. 
[c.152]

    Процесс электролитической диссоциации следовало бы выражать уравнениями (пример)  [c.114]

    На рис. 109 схематически показано образование растворов электролитов такого типа. В таких растворах уже нельзя рассматривать процесс электролитической диссоциации молекул как обратимый, так как молекул практически нет, а степень электролитической диссоциации равна единице а=1. Однако при изучении свойств таких растворов оказалось, что в растворе, например K I, эффекты по законам Рауля не удваиваются, как это следовало бы из теории, а оказываются ниже (1,8—1,9) и, кроме того, также зависят от концентрации. [c.195]

    Процесс электролитической диссоциации — эндотермический, идет с поглощением теплоты, так как для разрыва молекулы (или кристалла) на ионы необходимо затратить определенную энергию. Повышение температуры, следовательно, должно способствовать этому процессу, т, е. приводить к увеличению растворимости. Однако ионы, на которые рас- [c.100]

    В гл. 1 было показано, что образование ионов нри растворении электролитов, т. е. процесс электролитической диссоциации, требует значительной затраты энергии. Происхождение этой энергии даже не рассматривалось в теории Аррениуса, хотя без решения этого вонроса невозможно понять ни причин, лежащих в основе электролитической диссоциации, ни ее природы.[c.47]

    Механизм процесса электролитической диссоциации. Первоиа чально сформулированная Сванте Аррениусом теория электролитической диссоциации не учитывала всей сложности взаимодействия электролитов с молекулами растворителя. Ясное представление о механизме процесса электролитической диссоциации сложилось ыа основе использования наряду с теорией Аррениуса сольватной теории растворов Д. И. Менделеева и работ И. А. Каблукова, посвященных сольватации ионов. [c.171]

    Процесс электролитической диссоциации протекает пе одинаково у истинных и потенциальных электролитов. Истинные электролиты, т. е. вещества ионного характера — соли, диссоциируют пп ионы уже при расплавлении в результате ослабления связей между ионами в кристаллической решетке. В процессе растворения в воде (или других полярных растворителях) молекулы растворителя вытягиварот с поверхности кристалла соли в первую очередь положительно заряженные ионы, что влечет за собой и выпадение из решетки отрицательно заряженных ионов с последующей их гидратацией. В том и другом случае в исходном электролите — кристалле соли — уже имеются готовые противоположно заряженные ионы, но только связанные друг с другом при расплавлении или растворении происходит, таким образом, просто распад системы ионов на составляющие. [c.171]

    Электрический заряд на коллоидных частицах возникает в результате процесса электролитической диссоциации вещества дис-нерсиой фазы или вследствие избирательной адсорбции ионов из дисперсио1шой среды на поверхности частиц дисперсной фазы. Наличие заряда у коллоидных частиц можно обнаруж1ггь, пропуская через коллоидную систе.му постоянный электрический ток, под действием которого частицы перемещаются к электродам. Перемещение частиц дисперсной фазы под действием электрического тока называется электрофорезом. [c.194]

    Количественно процесс электролитической диссоциации характеризуется степенью и константой диссоциации. feпeJ ь электролитической диссоциации равна отношению числа молекул, распавшн. ся на ионы п, к общему (исходному) числу растворенных матекул [c.76]

    При растворении некоторых соедиисний в воде, в частности солей, наряду с процессами электролитической диссоциации с образованием гидратированных ионов протекает обменная реакция между молекулами воды и раств зренного веи1сства. Такой процесс называется гидролизом. [c.94]

    Атомы элементов 111—IV групп — бор, алюминий, углерод, кремний — образуют с атомами водорода ковалентные, слабо полярные связи, не склонные к диссоциации. Однако с ростом заряда атома в пределах периода, т. е. для элементов V—VJ1 групп, полярность связи элемент — водород вновь увеличивается, но характер распределения зарядов в возникающем диполе иной, чем для элементов, склонных к потере электронов. Атомы неметаллов, у которых для завершения электронной оболочки необходимо несколько электронов, оттягивают (поляризуют) к себе пару электронов связи тем сильнее, чем больше заряд ядра. Поэтому в рядах h5-Nh4-h3O-HF или SiHi-PHa-HzS-H I связи атомов водорода, оставаясь ковалентными, приобретают более полярный характер, а атом водорода в диполе связи элемент — водород становится более электроположительным. Если полярные молекулы оказываются в растворе, причем растворитель тоже- полярный, способный вызвать ионизацию (диссоциацию) связей, то может происходить процесс электролитической диссоциации (подробно см. гл. VII). [c.233]

    Английский ученый Т. Фитцпатрик, нанример, в 1888 г. не мог предположить существование в растворе свободных атомов, так как если бы в растворе находились свободные атомы хлора, раствор должен был бы обладать некоторыми свойствами хлорного раствора. Теория С. Аррениуса на этот вонрос отвечала просто. В процессе электролитической диссоциации, нанример, поваренной соли образуются не атомы натрия и хлора, а иопы (Ка+ и С1″), которые обладают в связи с электрическим зарядом особыми сненнфическими свойствами, резко отличными от свойств электрически нейтральных атомов. Благодаря заряду возможно, например, существование таких групп атомов, как КОз , 304 и др., которые в свободном состоянии без электрического заряда неизвестны. Оставалось, однако, неясным, какие причины обусловливают появление свободных заряженных ионов в растворах, каковы условия существования ионов в растворе. Откуда берется энергия на разложение прочных соединений при растворении  [c.318]

    Н2Р2 — устойчивый димер, и процесс электролитической диссоциации его идет ступенчато  [c.90]

    Процесс электролитической диссоциации обусловле1( взаимодействием растворенных веществ с водой (пли другим растворителем) образующиеся ионы — катионы и анионы — являются гидратированными, т.е. химически связанными с водой. [c.60]

    Увеличение осмотического давления по сравпеиию с заданной концентрацией вещества в г раз связано с увеличением числа частиц в растворе электролитов вследствие процесса электролитической диссоциации и, как показал С. Аррениус, зависит от степени диссоциации растворенного вещества а в данном растворителе. Найдем связь между I и а. [c.216]


Теория электролитической диссоциации (ТЭД) — что это такое? Основные положения и примеры

Что такое электролитическая диссоциация

Как известно, электрический ток — это направленное движение свободных электронов или ионов, т. е. заряженных частиц. В растворах электролитов, проводящих ток, за это отвечают свободные ионы.

В 1882 году шведский химик С. Аррениус при изучении свойств растворов электролитов обратил внимание, что они содержат больше частиц, чем было в сухом веществе. Например, в растворе хлорида натрия 2 моля частиц, а NaCl в сухом виде содержит лишь 1 моль.

Это позволило ученому сделать вывод, что при растворении таких веществ в воде в них появляются свободные ионы. Так были заложены основы теории электролитической диссоциации (ТЭД) — в химии она стала одним из важнейших открытий.

Электролитическая диссоциация — это процесс, в ходе которого молекулы электролитов взаимодействуют с водой или другим растворителем и распадаются на ионы. Она может иметь обратимый или необратимый характер. Обратный процесс называется моляризацией.

Благодаря диссоциации растворы электролитов обретают способность проводить ток. Сванте Аррениус не смог объяснить, почему разные вещества сильно отличаются по электропроводности, но это сделал Д. И. Менделеев. Он подробно описал процесс распада электролита на ионы, который объясняется его взаимодействием с молекулами воды (или другого растворителя).

Схема электролитической диссоциации: KA ⇄ K+ (катион) + A (анион).

Уравнение диссоциации на примере хлорида натрия: NaCl ⇄ Na+ + Cl.

Говорите правильно 🤓

Иногда можно встретить выражение «теория электрической диссоциации», но так говорить не стоит. В этом случае можно подумать, что распад молекул на ионы обусловлен действием электротока. На самом деле процесс диссоциации не зависит от того, проходит ток в данный момент через раствор или нет. Все, что нужно — это контакт электролита с водой (растворителем).

Механизм электролитической диссоциации

При контакте с водой или другими растворителями диссоциации подвержены все вещества с ионной связью. Также распадаться на ионы могут вещества с ковалентной полярной связью, которая под действием воды переходит в ионную, а после разрушается.

Механизм диссоциации электролитов удобно рассматривать на примере хлорида натрия NaCl. Его кристаллическая решетка образована катионами натрия Na+ и анионами хлора Cl, которые удерживаются вместе благодаря ионной связи. При растворении в воде каждый кристалл хлорида натрия окружают ее молекулы.

Отметим, что молекулы воды — это диполи. На одном конце они несут атомы водорода с частичным положительным зарядом, а на другом — атомы кислорода с частичным отрицательным. Соответственно, атомы кислорода притягиваются к катионам натрия, а атомы водорода — к анионам хлора. Эта сила электростатического притяжения ослабляет и в итоге разрывает ионную связь между натрием и хлором. Вещество диссоциирует на ионы.

После распада хлорида натрия образовавшиеся ионы Na+ и Cl окружают молекулы воды, создавая гидратную оболочку. Ионы с такой оболочкой называют гидратированными.

Если вместо воды был использован другой растворитель — например, этанол, его молекулы создают сольватную оболочку. В этом случае ионы называются сольватированными.

Сущность процесса электролитической диссоциации передает схема:

Электролиты и неэлектролиты

Хотя электролитическая диссоциация происходит независимо от действия электротока, между этими явлениями есть связь. Чем выше способность вещества распадаться на ионы при взаимодействии с растворителем, тем лучше оно проводит электроток. По такому критерию известный физико-химик М. Фарадей выделил электролиты и неэлектролиты.

Электролиты — это вещества, которые после диссоциации на ионы в растворах и расплавах проводят электроток. Обычно в их молекулах ионные или полярные ковалентные связи.

Неэлектролиты — это вещества, которые не распадаются на ионы в растворах и расплавах, а значит, не обладают проводимостью в растворенном виде. Для них характерны ковалентные неполярные или слабополярные связи.

Степень диссоциации

В зависимости от того, сколько молекул диссоциировало на ионы, вещество может быть сильным или слабым электролитом. Этот показатель называется степенью диссоциации, его измеряют от 0 до 1 либо в процентах.

Степень диссоциации — это отношение количества распавшихся на ионы молей вещества к исходному количеству молей.

или .

Если в растворе на ионы распадаются все 100% электролита, .

По силе электролиты делятся на следующие группы:

  • слабые — ;

  • средние — ;

  • сильные — .

Важно!

Молекулы сильных электролитов необратимо распадаются на ионы, поэтому в уравнениях нужно ставить знак =. Реакции со слабыми электролитами обратимы, поэтому ставится знак ⇄.

Ступенчатая диссоциация

В отдельных случаях вещества расщепляются на ионы в несколько этапов или ступеней. Например, такая реакция характерна для основных и кислых солей, многоосновных кислот. Ступенчатая диссоциация может включать два этапа и более, при этом на первой ступени концентрация ионов всегда больше, чем на последующих.

Пример 1

Ортофосфорная кислота диссоциирует в 3 ступени. На первой из них наблюдается максимальная концентрация дигидрофосфат-ионов, а на последней остается минимальное количество фосфат-ионов (диссоциация почти не идет). Данная кислота не относится к сильным электролитам, поэтому реакция обратима.

  1. H3PO4 ⇄ H+ + H2PO4

  2. H2PO4 ⇄ H+ + HPO42-

  3. HPO42- ⇄ H+ + PO43-

Суммарное уравнение: H3PO4 ⇄ 3H+ + PO43-.

Пример 2

Кислая соль Ca(HCO3)2 диссоциирует в 3 ступени. Поскольку это сильный электролит, на первом этапе реакция необратима. На втором этапе распадается на ионы слабый кислотный остаток HCO3 и слабый электролит, поэтому реакция обратима.

  1. Ca(HCO3)2 = Ca2+ + 2HCO3

  2. HCO3 ⇄ H+ + CO32-

  3. H+ + H2O = H3O+

Суммарное уравнение: Ca(HCO3)2 + 2H2O = Ca2+ + 2H3O+ + 2CO32-.

Как диссоциируют разные группы веществ

Диссоциация кислот

Приводит к образованию катионов водорода H+ и отрицательно заряженных кислотных остатков:

HCl = H+ + Cl

H2SO4 = 2H+ + SO42-

HNO2 ⇄ H+ + NO2-

Многоосновные кислоты диссоциируют ступенчато:

  1. AlOHCl2 = AlOH2+ + 2Cl

  2. AlOH2+ ⇄ Al3+ + OH

Диссоциация оснований

Происходит с образованием гидроксильных групп OH и положительно заряженных ионов металла. Сильные электролиты в растворах диссоциируют полностью, а слабые — ступенчато и обратимо.

Сильные основания:

NaOH = Na+ + OH

Слабые основания:

  1. Cu(ON)2 ⇄ CuOH+ + OH

  2. CuOH+ ⇄ Cu2+ + OH

Диссоциация солей

Ведет к образованию катионов металлов (или катиона аммония) и отрицательно заряженных кислотных остатков.

Средние соли в растворах полностью распадаются в одну ступень.

Na3PO4 = 3Na + PO43-

Кислые соли распадаются ступенчато. На первом этапе отделяются катионы металла, а на втором — катионы водорода.

  1. KHSO4 = K+ + HSO4

  2. HSO4 ⇄ H+ + SO42-

Основные соли также диссоциируют в две ступени. На первой отделяются кислотные остатки, а за ними — гидроксильные группы OH.

  1. MgOHBr = MgOH+ + Br

  2. MgOH+ ⇄ Mg2+ + OH

Молекулярное, полное и сокращенное ионные уравнения

С помощью молекулярных уравнений можно показать состав вещества с разложением его на молекулы. Полные ионные уравнения отражают реакцию диссоциации, т. е. расщепление молекул на ионы. Но в таком виде расписывают только сильные электролиты.

Не раскладывают на ионы:

Рассмотрим это на примере взаимодействия между нитратом свинца и серной кислотой.

Молекулярное уравнение: Pb(NO3)2 + H2SO4 → 2HNO3 + PbSO4

Сульфат свинца PbSO4 мы не будем раскладывать на ионы, поскольку это слабый электролит.

Полное ионное уравнение: Pb2+ + 2NO3 + 2H+ + SO42- → 2H+ + 2NO3 + PbSO4

Сократить это выражение очень просто — нужно убрать из обеих частей одинаковые ионы, которые не изменились в ходе реакции.

Сокращенное ионное уравнение: Pb2+ + SO42- → PbSO4

Как составить уравнение диссоциации

В левой части пишем молекулярную формулу вещества, а в правой — формулы образовавшихся катионов и анионов. Между ними ставим знак =, если это сильный электролит, или знак ⇄ — если средний или слабый. После этого нужно проставить коэффициенты перед ионами и проверить сумму катионов и анионов (она всегда равна 0).

Основные положения теории электролитической диссоциации

Итак, мы разобрались, что такое диссоциация в химии, а сейчас повторим ключевые моменты:

  • При взаимодействии с водой или другими растворителями в электролитах разрывается химическая связь между частицами и они распадаются на ионы — происходит электролитическая диссоциация.

  • Под действием электротока катионы перемещаются к положительно заряженному электроду, анионы — к отрицательно заряженному. Раствор электролита обладает проводимостью.

  • Степень диссоциации зависит от типа электролита и от внешних условий. Для сильных электролитов она необратима, для слабых — это обратимая реакция.

  • Химические свойства электролитов соответствуют свойствам ионов, которые образовались при диссоциации.

Вопросы для самопроверки

  1. Чем электролиты отличаются от неэлектролитов? Приведите примеры тех и других веществ.

  2. Согласно теории диссоциации что является причиной распада электролитов на ионы?

  3. Что такое степень диссоциации и как она измеряется?

  4. В каких случаях электролитическая диссоциация кислот бывает ступенчатой?

  5. При каких условиях в уравнении диссоциации ставится знак =, а при каких — знак ⇄?

  6. Какие компоненты ионного уравнения не раскладываются на ионы?

Роль воды в химических реакциях ПЛАН 1 Электролитическая

Роль воды в химических реакциях ПЛАН 1. Электролитическая диссоциация 2. Кислоты, основания, соли в свете тории ЭДС 3. Значение электролитов

1. Электролитическая диссоциация Вода – хороший растворитель, т. к. молекулы воды полярны. Вода – слабый амфотерный электролит. Н 2 О + Н 2 О = Н 3 О+ + ОН- 104, 50 ион гидроксония Н 2 О Н+ + ОНПо растворимости в воде вещества делят на: • Растворимые (в 100 г растворяется более 1 г вещества) • Малорастворимые (в 100 г растворяется от 0, 01 до 1 г вещества) • Практически нерастворимые (в 100 г растворяется менее 0, 01 г вещества) Растворение (гидратация) – взаимодействие воды с молекулами растворяемого вещества. Результат растворения (гидратации) – образование растворов.

Сванте Август Аррениус 1887 г. сформулировал основные положения теории электролитической диссоциации С. Аррениус 1859 -1927 • Все вещества по их способности проводить электрический ток в растворах делят на электролиты и неэлектролиты • В растворах электролиты диссоциируют (распадаются) на положительные и отрицательные ионы Электролитическая диссоциация – процесс распада электролита на ионы в растворе или расплаве

ЭЛЕКТРОЛИТЫ Химическая связь ВЕЩЕСТВА НЕЭЛЕКТРОЛИТЫ Химическая связь • ионная • ковалентная неполярная • ковалентная полярная • малополярная • большинство неорганических кислот • большинство органических кислот • соли • многие газы • щелочи

Электролиты – это вещества, которые в растворах и расплавах распадаются на ионы (диссоциируют) и проводят электрический ток — Катод Анод + — + Катионы — Анионы + + — +

Неэлектролиты – это вещества, которые в растворах и расплавах не диссоциируют и не проводят электрический ток — Катод Анод +

Механизм ЭДС веществ с ионной связью — + + — — — +- — — + + + — + — — — + + + — Н 2 О — + + + + — — — + + — — — + + + — — + — — Кристалл + + — — + + + — Раствор Гидратированные ионы Na. Cl → Na+ + Cl —

Механизм ЭДС веществ с ковалентной полярной связью Раствор + — — — + + + + -+ -+ — + + H+ — Н 2 О — — + + + Cl — + + + — + Сl + + — + + — HCl Н+ — — — Гидратированные ионы НCl → Н+ + Cl — —

Степень электролитической диссоциации (α) – отношение числа диссоциированных молекул к общему числу молекул, находящихся в растворе n α= N Сильные электролиты α > 30% Слабые электролиты α

ЭЛЕКТРОЛИТЫ Соли Сильные α > 30% практически все Слабые α

2. Кислоты, основания, соли в свете теории ЭДС Кислоты – это электролиты, диссоциирующие на катионы водорода и анионы кислотного остатка. диссоциация одноосновных кислот + Cl- H 2 SO 4 → 2 H+ + SO 42 H 2 SO 4 → H+ + HSO 4 — → H+ + SO 42 — α уменьшается HCl → H+ диссоциация многоосновных кислот

Основания – это электролиты, диссоциирующие на катионы металла и гидроксид-анионы. диссоциация одноосновных оснований + OH- Ba(OH)2 → Ba 2+ + 2 OHBa(OH)2 → Ba. OH+ +ОНBa. OH+ → Ba 2+ + OH- α уменьшается Na. OH → Na+ диссоциация многоосновных оснований

Соли – это электролиты, диссоциирующие на катионы металла и анионы кислотного остатка. диссоциация средних солей диссоциация кислых солей Na. Cl → Na+ + Cl. Al 2(SO 4)3 → 2 Al 3+ + 3 SO 42 — Na. HSO 4 → Na+ + H+ + SO 42 Na. HSO 4 → Na+ + HSO 4 — → H+ + SO 42 — Mn. OHCl → Mn 2+ + Cl- + OHдиссоциация основных солей Mn. OHCl → Mn. OH+ + Cl. Mn. OH+ → Mn 2+ + OH-

3. Значение электролитов для живых систем Электролиты – составная часть жидкостей и плотных тканей живых организмов. Ионы Na+, K+, Ca 2+, Mg 2+, H+, OH-, Cl-, SO 42 — имеют большое значение для физиологических и биохимических процессов: • ионы Н+ и ОН- играют большую роль в работе ферментов, обмене веществ, переваривании пищи и др. • ионы I- влияют на работу щитовидной железы

Симптомы дефицита химических элементов организме человека ИОНЫ ТИПИЧНЫЙ СИМПТОМ Ca 2+ Замедление роста скелета Mg 2+ Мускульные судороги Fe 2+ Анемия, нарушение иммунной системы Zn 2+ Повреждение кожи, замедление полового созревания Учащение депрессий, дерматиты Mn 2+

ЗАДАНИЕ 1. Установите соответствие между продуктом диссоциации электролита и соответствующим электролитом: продукты диссоциации А — катионы водорода, анионы кислотного остатка Б — катионы металла, анионы кислотного остатка В — катионы металла, анионы гидроксила, анионы кислотного остатка Г — катионы металла, катионы водорода, анионы кислотного остатка электролит 1 – основание 2 – основная соль 3 – средняя соль 4 – кислая соль 5 — кислота Д — катионы металла, анионы гидроксила 2. Напишите уравнение диссоциации следующих соединений: 1 вариант 2 вариант 1. Zn. OHBr 1. Mn. OHCl 2. KHSi. O 3 2. Li. HCO 3 3. H 3 PO 4 3. HBr 4. Li. OH 4. Ba(OH)2 5. Na. NO 3 5. K 3 PO 4

Какие соединения реагируют с водой. Роль воды в химических процессах

Голикова Ольга

В презентации отражены физические свойства воды; дана классификация веществ по растворимости в воде; определения водных растворов и электролитов. Представлены основные положения теории электролитической диссоциации (ТЭД). Даны определения кислот, оснований и солей с позиции ТЭД Показана роль воды как транспортного средства и как участника химических реакций

Скачать:

Предварительный просмотр:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com


Подписи к слайдам:

Выполнила ученица 11 класса Голикова Ольга Презентация по химии на тему: Роль воды в химических реакциях

Вода является наиболее распространённым растворителем на Земле, во многом определяющим характер земной химии, как науки. Большая часть химии, при её зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ. Систематическое наименование: оксид водорода Традиционные названия: вода Химическая формула: Н 2 O Молярная масса: 18,01528 г/моль

Вода – это жидкость без цвета, запаха и вкуса, t кип = 100 °C, t пл = 0 °C, p= 1г/см 3 (при 4 °С). Вода не проводит электрический ток, плохо проводит тепло, удельная теплоемкость воды очень высокая. Вода — единственное вещество, которое при затвердении сжимается. Поэтому плотность льда меньше плотности жидкой воды. Вот почему лёд плавает на поверхности воды. Вода

Вода – уникальное химическое вещество, роль которого в химических реакциях трудно переоценить вода Реакционная среда Фактор диссоциации Транспорт веществ реагент катализатор

Огромное число химических реакций протекает в водной среде. По растворимости в воде все вещества условно делятся на три группы Растворимость веществ в воде

Это гомогенные системы, состоящие из молекул воды, частиц растворенного вещества и продуктов их взаимодействия Процесс гидратации – результат взаимодействия воды с молекулами растворяемого вещества Водные растворы —

Вещества, которые в растворах распадаются на ионы – диссоциируют. Отношение числа молей вещества, распавшегося на ионы, к общему количеству растворенного вещества называют степенью электролитической диссоциации Все электролиты подразделяют на: — сильные (степень диссоциации стремится к единицы) — слабые (в растворах диссоциируют очень незначительно) Электролиты

Сванте Август Аррениус (1859-1927) Шведский химик и физик. В 1887 окончательно сформулировал теорию электролитической диссоциации, в 1887 объяснил отступление растворов электролитов от законов Вант-Гоффа и закон Рауля (показал физический смысл поправочного коэффициента i). Создал учение об изогидричности, разработал теорию гидролиза солей. Установил экзотермический характер большинства процессов диссоциации электролитов и зависимость скорости и полноты протекания этих процессов от температуры. Теория электролитической диссоциации

Кислоты – это электролиты, диссоциирующие на катионы водорода и анионы кислотного остатка; Основания – это электролиты, диссоциирующие на катионы металла (аммония или органического основания) и гидроксид-анионы Соли – это электролиты, диссоциирующие на катионы металла (аммония или органического основания) и анионы кислотного остатка Три типа электролитов

Все жидкие среды более чем на 90-98 % состоят из воды; Кровь разносит по организму кислород, питательные вещества, гормоны и другие соединения, удаляя при этом углекислый газ и продукты распада Роль воды как транспортного средства

Реакция гидратации (реакция присоединения) реакция гидратации ацетиленовых соединений с образованием карбонильных соединений. При гидратации ацетилена образуется ацетальдегид, в случае замещенных ацетиленов — главным образом кетоны Вода как участник химических реакций

Является источником получения чистых водорода и кислорода. Взаимодействие водорода и кислорода служит той реакцией, которая позволяет выводить на орбиту космические корабли Вода участвует в процессах электролиза

Спасибо за внимание

1. Какое строение имеет молекула воды? Каковы ее физические свойства?

2. Раскройте интегрирующую роль воды в естествознании – между химией, биологией, физикой и географией. Возможно ли без структурирования и актуализации интеграционных проблем достаточно полно сделать это?

3. Расскажите о роли воды в решении экономических проблем общества.

4. Раскройте глобальную проблему человечества – проблему пресной воды на Земле и предложите путь ее решения.

5. Расскажите о роли воды в химических реакциях.

6. Докажите, что диссоциация электролита – это результат процесса гидратации. Какую роль сыграли русские химики в изучении этой стороны теории электролитической диссоциации?

7. Что такое степень электролитической диссоциации? На какие группы делят электролиты по степени электролитической диссоциации? Приведите примеры представителей каждой группы.

8. Перечислите химические свойства воды. Какие из этих свойств находят практическое применение?

9. Что такое кристаллогидраты? Какой процесс лежит в основе наложения гипсовых повязок или изготовления изделий из алебастра?

10. Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

МБОУ»Молодьковская СОШ»

Мглинский район Брянская обл.

Учитель химии:Штырхунова Татьяна Александровна

Конспект урока химии в 11 классе по теме:»Роль воды в химических реакциях.»

Цель урока: Систематизировать знания о составе, строении,свойствах воды,значении,нахождении в природе,о проблемах пресной воды.

Задачи урока:1.Рассмотреть различные области роли воды в химических реакциях.

2.Развивать логическое мышление,навыки получения информации из различных источников.Прививать навыки самоорганизации и самооценки.

3.Воспитывать у уч-ся отношение к воде как незаменимому веществу в жизни всех живых организмов.

Тип урока: Комбинированный урок.

Используемое оборудование: компьютер, мультимедийный проектор,карточки,таблица растворимости,ряд акт.металлов.

Используемые ЦОР: компьютерная презентация .

Формируемые химические знания, умения, навыки учащихся: систематизация знаний учащихся о распространенности воды в природе, физических и химических свойствах, областях применения воды, расширение знаний учащихся о роли воды, об экологических проблемах пресной воды.

Формируемые компетенции:

учебно-познавательная компетенция: развитие умений сравнивать, анализировать, доказывать, быть способными решать следующие жизненно-практические задачи: умение давать оценку состояния окружающей среды, выдвижение своих идей по охране водных ресурсов родного края; информационная компетенция: развитие умения анализировать и отбирать необходимую информацию, умения готовить и делать сообщения, умения пользоваться интернетом для поиска учебной информации.

Ход урока.

1.Оранизационный момент.

Проверка д.з.

Отвечают на ряд вопросов по теме:Обратимые и необратимые реакции.Химическое равновесие.

2.Вступительное слово учителя.

Учитель. Ребята, на сегодняшнем уроке мы познакомимся с удивительным веществом, его физическими свойствами, аномалиями, нахождением в природе, значением и природными запасами. Приглашаю вас совершить путешествие в Страну чудесных превращений и провести наш урок под девизом»Радость видеть и понимать есть самый великий дар природы.»(А.Эйнштейн) С каким же жителем этой страны мы познакомимся сегодня?

Слайд1.Читаю стих.о воде.

Итак, о каком веществе речь пойдет на уроке?

Формулирую тему урока,знакомлю с целью урока.

«Вода… Ты не имеешь ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать – тобой наслаждаешься, не ведая, что ты такое.

Ты не просто необходима для жизни, ты и есть сама жизнь. Ты божество, ты совершенство, ты самое большое богатство на свете »

Такие слова написал о воде французский писатель Антуан де Сент –Экзюпери.

И наш урок посвящается самому знакомому и в то же время самому загадочному веществу – воде.

Записываем в тетрадях тему урока: « Роль воды в химических реакциях».

Вступительное слово учителя о воде:

Вода – знакомая и непостижимая, удивительная, парадоксальная, загадочная, непредсказуемая. Нет числа эпитетам, которые могли бы в полной мере охарактеризовать это уникальное вещество. Она была и остается музой, источником вдохновения поэтов, художников, композиторов, ученых, которые многие годы разгадывают тайны этого великого создания природы и не перестают удивляться тому, что узнают.

Знакомство со слайдами»2- 6.

Учитель. Из курса географии вам известно, что вода это самое распространенное вещество на Земле.

Сообщение 1. «Вода на Земле»

Вода – это самое главное, самое важное вещество в окружающем нас мире. Она и знакома, и незнакома, и известна, и загадочна…Природная вода! Взгляните на небо, и вы увидите облака или тучи, которые тянутся на многие километры. Как легко плывут они! Но не воображайте, что они невесомы. Масса 1км3 облаков составляет около 2000 т, а в атмосфере Земли водяного пара около 12300 км3, и это тоже природная вода. Все знают текущие по суше потоки: ручьи, речушки, реки. Иногда они широко и вольно разливаются по равнине, иногда образуют мощные стремнины, падают с высоты десятков и сотен метров водопадами, неся свои воды в океаны и моря. Около 71% поверхности нашей Земли покрыто Мировым океаном, составляющим около 97% всех поверхностных вод и половину литосферных.

Так много или мало воды на Земле? Очень мало! От всего объема Земли на воду приходится около 2,5 млрд. км3.

Водная оболочка Земли составляет 1,5 млрд. км3, а остальная находится в глубоких слоях земной коры. Большая часть воды соленая, а пригодной для жизни, пресной, всего около 5 млн. км3. Человеку же с каждым годом требуется все больше пресной, чистой воды. Человечеству угрожает кризис из –за загрязнения воды. Некоторые страны уже испытывают нехватку чистой пресной воды и вынуждены ввозить ее из –за рубежа. Воду надо беречь.

Учитель. Из курса биологии вам известно, что вода неразделимо связана с существованием жизни на Земле.

Сколько воды в организме человека? (65%- 75%)

А известно ли вам, что мозг содержит 80% воды. 6 слайд.

Сообщение 3. «Вода в живом организме»

Все живое на нашей планете на 2/3 состоит из воды. На первом месте по содержанию воды в живом организме по массе стоят микроорганизмы, на втором — растения, на третьем – животные, на последнем – человек.

Бактерии на 81% состоят из воды, споры на 50%, ткани животных в среднем на 70%, лимфа – 90%. Самая богатая водой ткань -стекловидное тело глаза, которое содержит до 99% влаги.

Вода в организме выполняет несколько функций: растворенные в ней вещества реагируют друг с другом, вода помогает удалению отходов обмена веществ, служит регулятором температуры, являясь хорошим переносчиком тепла, а так же смазочным веществом.

У живых организмов вода может синтезироваться в тканях. Так, например, у верблюда жир в горбу, окисляясь, может дать до 40 л воды. Человек, выпивая 2,5 л воды в сутки, ежедневно промывает желудок 10 л жидкости и испаряет 0,7 л воды.

2 .Строение молекулы воды и физические свойства (7 слайд и 8).

(фронтальный опрос)

Слайд 9.Найдите химические ошибки в тексте(выполняем работу фронтально).

Учитель.Ваши ответы показали,что вы готовы к дальнейшему путешествию.

Да,многогранна роль воды в химических реакциях. Слайд 11.

12 слайд.Вода –реакционная среда.

Вода – самый лучший растворитель мире, она растворяет многие твердые, жидкие и газообразные вещества. В воде морей и океанов содержится почти все элементы периодической системы, миллиарды тонн металлических руд. Океанскую воду называют поэтому «жидкой рудой», из неё извлекают натрий, хлор, золото, уран, различные соли. Это свойство воды имеет огромное значение для природы, практически все химические превращения на Земле, в том числе и в живых организмах, происходят в воде, в её присутствии, или с её участием.

В силу высокой полярности молекул – вода способна растворять многие вещества с ионной и ковалентной полярной связью.

По отношению к воде вещества делятся на:

1)растворимые 2) нерастворимые 3) малорастворимые Слайд13.

Рассмотреть таблицу растворимости веществ.

Пользуясь таблицей растворимости, записать на доске примеры веществ.

Ba(OH)2, KCl, BaSO4, CaSO4, NaNO3, CuSO4, HNO3, AgCl, FeS, Ca(OH)2

Слайд14 .Вода-фактор диссоциации.

Слайд 15.Вода катализатор.

Вспомним,а что такое катализатор?

Слайд 16.Вода транспортировщик веществ.

Сообщение.

Буквально каждый процесс в организме происходит с помощью воды. Каждая клетка напитана водой, каждая химическая реакция происходит с помощью воды. Это включает в себя и те химические реакции, которые происходят в вашем теле и производят энергию, помогая вам оставаться активными и обладать эффективным обменом веществ. Поскольку вода является компонентом крови, которая снабжает ваш организм питательными веществами, в крови должно быть достаточно воды, чтобы доставлять питательные вещества в каждую клетку. Недостаток воды замедляет скорость обмена веществ.

Слайд17.Вода –реагент.Вспомним с чем реагирует вода?

Вода – одно из наиболее реакционно-способных веществ.

Ученик:Из пройденного материала нам известно, что с водой взаимодействуют оксиды,гидриды,щелочные металлы ….и др.вещества(наз. их)

Отвечают на ряд вопросов.

Что образуется при взаимодействии основного оксида с водой?кислотного оксида?…..

Записывают уравнения реакций в тетради.

Контроль над усвоением материала урока.

Учитель:Итак,мы приплыли на итоговую станцию.Выполним несколько заданий.

Слайд19.С какими веществами реагирует вода? Записать уравнения реакций.(работа в парах)Затем проверяем выполнение задания.

Слайд18.Укажите роль воды в перечисленных процессах.

Записать в тетрадь,затем проверяем.

Слайд20.О чем идет речь в данном отрывке? Какую роль выполняет вода?

Подведение итога урока.Слайд21. Читает Кристина стих о воде.

Делаем вывод:Что такое вода?

Слайд22.Берегите воду.

Учитель : Помните, что запасы чистой воды постоянно сокращаются, и мы должны экономно расходовать воду.

10. Рефлексия.

На столах у учеников лежат три цветные карточки, с помощью которых проведем оценку урока.

Синяя карточка – «3», жёлтая карточка – «4», красная карточка – «5».

Как вы оцениваете свои знания полученные на сегодняшнем уроке?

Как вы оцениваете работу ваших одноклассников на уроке?

Как вы оцениваете урок в целом?

Выставление оценок за урок.

11. Домашнее задание:параграф17,№3,4,5.

Молекулы воды и их диссоциация

МОЛЕКУЛЫ ВОДЫ И ИХ ДИССОЦИАЦИЯ  [c.16]

При растворении в воде молекулы многих веществ диссоциируют на ионы, но в отличие от воды степень диссоциации этих веществ весьма велика и приближается иногда к 100%. К таким практически полностью диссоциирующим на ионы веществам относятся некоторые сильные кислоты (соляная, азотная, хлорная) и щелочи (едкий натр, едкое кали). В значительной степени диссоциируют многие соли, причем степень их диссоциации, т. е. отнощение диссоциированной части к общему содержанию соли в растворе, повышается с разбавлением раствора (табл. 1.1)  [c.24]


Коллоидные частицы, находящиеся в природных водах (песок, глинистые вещества, гуминовые кислоты), в основном приобретают заряд за счет диссоциации поверхностных молекул. Так как эти вещества амфотерны, то вид и степень их диссоциации зависят от значения pH раствора. Значение pH, при котором эти вещества не диссоциируют, называется изоэлектрическим. При изоэлектрическом значении pH значение -потенциала равно нулю. Для примесей природных вод значение изоэлектрических pH находится в кислой области. Так, для глины рН з = 5, для гуминовых веществ pH .3 = 3,5-i-4,5. Так как pH природной воды обычно равен 6,5 ч-8,5, то коллоидные примеси диссоциируют как кислоты с приобретением отрицательного знака -потенциала частиц относительно раствора. Таким образом, в природной воде основная масса коллоидных частиц имеет одинаковый отрицательный заряд. Кроме того, частицы глины и гумуса способны к адсорбции ионов, причем последняя понижает их устойчивость к агрегации. В наибольшей степени понижают устойчивость трехвалентные ионы Ее и Ионы, образующие двойной  [c.40]

Диссоциация молекул легче происходит в полярных жидкостях, чем в неполярных. Ввиду того что энергия диссоциации полярных жидкостей значительно меньше, чем неполярных, их удельная проводимость существенно выше. Так, для сильно полярных жидкостей (дистиллированная вода, этиловый спирт, ацетон) р = 10 —10 , для слабо полярных (совол, касторовое масло) р = 10 —10 , для неполярных (бензол, трансформаторное масло) р > —10 Ом -м. В неполярных жидкостях молекулы основного вещества практически не диссоциируют на ионы, и их электропроводность обусловлена примесями, особенно полярных веществ.  [c.126]

Синтетические волокна, погруженные в воду или в раствор электролита, так же как и хлопковые, приобретают отрицательные заряды. Механизм возникновения зарядов на поверхности волокон определяется их сорбционными свойствами и электролитической активностью полярных групп полимерных цепей. Заряды возникают как в результате специфической адсорбции ионов из раствора, так и вследствие диссоциации ионогенных групп. Поверхность волокон заряжается и при ориентации ди-польных молекул воды относительно полярных гр пп полимеров. При этом электрокинетический потенциал волокон достигает значительной величины. Например, в воде нитроновые и вино-ловые волокна имеют -потенциалы соответственно 80 и 125 мВ.  [c.143]

Зависимость отражает растворение газов в металле в диссоциированном на атомы состоянии. При диссоциации сложных молекул или соединений происходит их распад на атомы или менее сложные молекулы. Процессу диссоциации при сварке способствуют нагрев зоны сварки и каталитическое действие расплавленного металла. При дуговой сварке в первую очередь диссоциации подвергаются молекулы газов, как простых — кислорода, азота, водорода, так и сложных — углекислого газа (СО2), паров воды (Н2О) и др. Диссоциация газов происходит по реакциям  [c.62]


Способность ионитов к ионному обмену объясняется их специфической структурой. Ионит состоит из твердой нерастворимой в воде молекулярной сетки, к отдельным местам которой на поверхности и внутри ее массы присоединены химически активные функциональные группы атомов ионита. С электрохимической точки зрения каждая молекула является своеобразным твердым электролитом. В результате электролитической диссоциации ионита вокруг нерастворимого в воде ядра образуется ионная атмосфера, представляющая собой ограниченное пространство вокруг молекулы ионита, в котором находятся подвижные и способные к обмену ионы. Если эти подвижные ионы имеют положительный заряд, ионит называется катионитом, если отрицательный — анионитом.  [c.3]

Электропроводность диэлектриков объясняется наличием в них свободных (т. е. не связанных с определенными молекулами и передвигающихся под действием электрического поля) ионов, образующихся вследствие диссоциации полярных примесей. Ионная электропроводность — наиболее характер ная для большинства диэлектриков — возникает благодаря присутствию в электроизоляционных материалах практически неизбежных загрязнений — воды, солей, кислот, щелочей. Даже весьма малые, с трудом обнаруживаемые химическим анализом примеси способны заметно влиять на проводимость диэлектрика поэтому при изготовлении диэлектрических материалов следует большое внимание уделять очистке их от примесей.  [c.9]

Ионообменные материалы обладают способностью к реакциям ионного обмена благодаря особой структуре их молекул, состоящих из твердой нерастворимой молекулярной сетки, к отдельным местам которой присоединены активные группы атомов (так называемые функциональные, способные к электролитической диссоциации в воде на ионы, одни из которых, будучи неразрывно связаны с твердым каркасом молекулы, придают ей соответствующий электрический заряд, а другие с противоположным зарядом имеют некоторую ограниченную подвижность вблизи этого твердого каркаса и способность обмениваться с растворенными в воде ионами. Схема структуры молекулы ионита представлена на рис. 4-1.  [c.76]

Возникновение ионов в электролитах объясняется явлением электролитической диссоциации — распадом молекул растворенного веш,ества на положительные и отрицательные ионы в результате взаимодействия с растворителем. Молекулы растворяемых веш,еств состоят из взаимосвязанных ионов противоположного знака (например, Ыа+С1 , Н+С1 , К 1 ,Си+ 504″» и т. д.). Силы притяжения между этими ионами обеспечивают целостность таких молекул. Взаимодействие этих молекул с полярными молекулами растворителя, например воды (111.1.6.4°), приводит к ослаблению взаимного притяжения противоположно заряженных ионов. При тепловом, хаотическом двил ении молекул растворенных веществ и растворителей происходят их столкновения, которые приводят к распаду молекул на ионы.  [c.229]

Для правильного выбора компонентов необходимо располагать сведениями не только об элементном химическом составе-системы и веществах, из которых она образована, но и об условиях, в которых находится. Так, смесь молекул кислорода, водорода и воды при невысоких температурах в отсутствие катализатора содержит три составляющих вещества О2, Нг, Н2О, являющихся одновременно и компонентами, поскольку их химические превращения при заданных условиях невозможны (такие состояния смеси веществ называют кинетически заторможенными состояниями). Состав той же системы в присутствии катализатора или при повышенных температурах в общем случае описывается двумя независимыми переменными (возможна одна независимая химическая реакция). Но в частном случае, если смесь газов образовалась в результате диссоциации паров воды, система должна рассматриваться как однокомпонентная, так как на нее наложено дополнительное условие — число молекул Нг должно вдвое превышать число молекул О2. Единственным компонентом такой системы является Н2О, несмотря на то, что относительное содержание молекул воды в смеси может быть незначительным по сравнению с продуктами диссоциации.  [c.17]

По существу при 380—520°С водная среда сверхкри-тического давления должна была представлять собой пар. Тогда следовало бы ожидать отсутствие влияния pH среды на коррозионные потери. Однако такое влияние, несомненно, имеет место. Следовательно, коррозионный процесс в водной среде сверхкритического давления при 380—520°С сочетает в себе элементы химической и электрохимической коррозии. Это обусловлено, видимо, тем, что в среде сверхкритического давления при 28 МПа (280 кгс/см ) растворяются многие минеральные веп1вства, и имеет место их ионизация. На механизм коррозионного процесса также может сказываться и диссоциация молекул воды. Интересно отметить, что при снижении давления среды с 28 МПа (280 кгс/см ) до докритического— 16 МПа (160 кгс/см ) происходит увеличение коррозионных потерь приблизительно в 1,5 раза. Сравнительные испытания проводились в среде сверхкритического давления, в воде и паре высокого давления при рН=9,5- 10,0 в области температур 380—520°С.  [c.19]


Типичными коллоидно-дисперсными примесями природных вод являются многоатомные органические кислоты (гуминовая и пр.) и их соли, поликремниевые кислоты. Коллоиды этих веществ приобретают заряд в основном за счет диссоциации поверхностных молекул, степень которой зависит от pH раствора. Так как pH природных  [c.52]

Однако во многих случаях, когда вещества растворяются, происходят химические превращения, поэтому число молей вещества в растворе не обязательно должно быть таким же, как перед растворением. Заслуживающим внимания примером этого является раствор электролита в воде. Когда, например, хлористый натрий (Na l) растворяется в воде, то почти все молекулы его диссоциируют на ионы Na+ и С1 . Таким образом, число молекул в растворе почти вдвое больше числа молекул, которого следовало бы ожидать, если бы не произошла диссоциация. Некоторые электролиты, конечно, распадаются более чем на два иона. Для сильных электролитов диссоциация практически полная, даже когда раствор не очень разбавлен. С другой стороны, в случае слабых электролитов устанавливается химическое равновесие между их диссоциацией на ионы и рекомбинацией этих ионов. Поэтому в слабых электролитах, вообще говоря, нет полной диссоциации.  [c.108]

Н—— нием воды она сильно зависит от температуры, как показывает рис. 1-5, но численное ее значение мало. Например, при 25 °С /С = 10 . При этой температуре плотность воды равна 0,996 г мл и, следовательно, Снао = = 996/18,016 = 55,23 (в знаменателе молекулярный вес воды). Отсюда Ку /Сг == 55,23 1,81 Следовательно, коэффициент примерно в 10 раз больше К1. Иначе говоря, реакция между ионами. № и ОН» протекает неизмеримо быстрее процесса диссоциации молекул воды. В то же время при любой температуре как в чистой воде, так и в любых водных растворах наряду с молекулами воды существуют также и ионы № и ОН», причем их концентрации подчиняются соотношению 1 1. Раствор называют нейтральным, если Сн+ = Сон- при Сн+ >  [c.18]

Н» + ОН ДЛЯ свободных молекул протекает в области вакуумного ультрафиолета Им 7-10 эВ). Как видно из рис.8.12, заметное выделение одного из компонентов разложения (Нг) при диссоциации воды, адсорбированной на поверхности 51, начинается с Ау = 1,5 эВ. Источниками водорода являются молекулы (НгО) . При их замене на (ОгО) . кривая спектральной зависимости квантового выхода дейтерия смещается в область более низких энергий квантов, т.е. наблюдается изотопный эффект. Сдвиг зависимостей квантового выхода г Ь ) для Н2 и 02, близок к разнице энергий колебательных мод О—Н и 0-0 в соответствующих ЯД центрах (=0,1 эВ). Эти результаты хорошо согласуются с уже рассмотренными в п. 8.2.1 изотопными эффектами при релаксации заряда в медленных АПЭС (рис. 8.10) и в поверхностной рекомбинации.  [c.263]

Соединение Н2О — воду обычно принято рассматривать как. выс окомолекуляриый, жидкий растворитель, характеризующийся высокой, практически постоянной плотностью (990—1 090 /сг/ж ), высоким значением диэлектрической проницаемости, высокой степенью ассоциации молекул и определенной, очень слабой их собственной диссоциацией (/ =10-i ) по схеме h30=f H+- -0H .  [c.85]

Согласно теории электролитической диссоциации, при растворении солей, кислот и оснований в воде их молекулы претерпевают диссоциацию, т. е. образуются как положительные, так и отрицательные ионы, а общая система остается электрически нейтральной. Если все растворенное вещество переходит в ионы, то степень диссоциации равна единице, если же только часть вещества переходит в ионы, а остальная часть находится в виде молекул, то степень диссоциации меньще единицы и равна отношению количест-  [c. 145]

Н. к. растворяются в воде (лучше в водных солевых растворах небольшой ионной силы). Растворы бесцветны, лишены вкуса и запаха обладают высокой характеристич. вязкостью (длп нек-рых типов ДНК до 280 дл/г). Растворы Н. к. являются полиэлектролитами, свойства к-рых определяются в первую очередь диссоциацией остатков фосфорной кислоты. Ноэтому поведение Н. к. в растворах зависит от их pH и ионной силы. В растворах РНК проявляется ярко выраженный полиэлектролитный эффект с уменьшением ионной силы увеличивается вязкость раствора (отрицательно заряженные фосфатные группы освобождаются от нейтрализующих их катионов, и в результате электростатич. отталкивания этих групп полимерные цепи распрямляются). В растворах ДНК, благодаря жесткости их конфигурации, такого эффекта ио обнаруживается. Однако растворимость молекул обоих типов сильно зависит от солевой концентрации растворителя.  [c.445]

Наиболее изучена кинетика следующих реакций диссоциация молекул галоидов, распад метана, этана, ацетилена, спиртов, этилового эфира, формальдегида, уксусного альдегида, ацетона, муравьиной и уксусной кислот, окиси углерода, фосгена, окислов азота, фосфористого и мышьяковистого водорода, хлористого сульфурила, никель-карбонила синтез озона, воды, сероводорода, сернистого газа, серного ангидрида, аммиака, бромистого и иодистого водорода, хлористого и бромистого нитрозила, двуокиси азота образование водяного газа, окисление углеводородов, бромирование их и некоторые другие реакции. Кинетика многих реакций изучена в связи с действием катализаторов.  [c.87]


Урок химии на тему «Электролитическая диссоциация»

Цели: сформировать понятия об электролитах и неэлектролитах, ЭД, раскрыть механизм диссоциации веществ с ионной и ковалентной полярной связью, ввести понятие «степень электролитической диссоциации» и показать ее зависимости от различных факторов; сформулировать основные положения ТЭД; формировать умения у обучающихся составлять уравнения диссоциации;

развивать умения сравнивать, анализировать и делать выводы, навыки само– и взаимоконтроля, интеллектуальные способности;

воспитывать компетентную личность с практической направленностью.

Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, экран, прибор для определения электропроводности растворов, штативы с лапкой и кольцом, модель-аппликация «Механизм ЭД»

Реактивы: Н2О дист. , NaCl кр., NaOH кр., ледяная уксусная кислота CH3COOH, С12Н22О11 кр.; р-р Н2SO4, на каждую парту: растворы индикаторов метилоранжа, фенолфталеина, р-ры HCl, NaОН, Na2SO4.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Сообщение темы, постановка цели. Рефлексия

(Приложение 1)

(Запись в тетрадь темы урока)

Учитель: Речь пойдет о самом удивительном веществе нашей планеты, без которого нет жизни – это воде, её роли при растворении веществ.

Прежде чем начать изучение новой темы, я хочу проверить ваше настроение. Зарисуйте свое настроение в индивидуальном сопроводительном листе, который находится у Вас на парте. (Приложение 1)

III. Изучение нового материала

1 этап. Электролиты, неэлектролиты.

Учитель: Обратимся к истории 1837 года. В этот период в Лондоне в лаборатории Королевского института работали два учёных: Гемфри Деви и Майкл Фарадей. Они начали исследования в области электричества и ввели понятия, которыми мы пользуемся до сих пор. Деви и Фарадей проводили опыты по определению электропроводности растворов, используя специальный прибор, модель которого представлена у Вас на рис. 126 с.193 (О.С.Габриелян, Химия 8). Он состоит из 2-х электродов, лампочки и розетки. При опускании электродов в исследуемое вещество, если оно проводит ток, то лампочка загорается, если не проводит – не загорается.

Давайте и мы проведем исследования (Демонстрация электрической проводимости различных веществ с помощью специального прибора).

Беседа с классом:

– Предварительно вспомним, на какие 2 группы делят все химические соединения по типу химической связи?

Результаты эксперимента отмечаем в таблице сопроводительного листа. (Приложение 1)

Проверка электропроводности воды прибором

Беседа:

– Как Вы думаете, проводит вода электрический ток?
– Какой тип химической связи у воды? (Ковалентная слабо полярная)
– К какому классу химических соединений она относится?
– Проверим электропроводность прибором. (Не проводит ток).

(Отмечаем в таблице.)

Проверка электропроводности у поваренной соли NaCl кристаллической.

Беседа:

– Какой тип химической связи у этого соединения?
– К какому классу оно относится?
– Как вы думаете, проводит NaClкр. электрический ток?
– Проверим прибором (Нет).
– А теперь добавим воду в соль и проверим электропроводность этого раствора.
– Как Вы думаете, будет раствор поваренной соли проводить электрический ток? (Этот опыт может проделать ученик)
– Как Вы думаете почему? На этот вопрос мы дадим ответ немного позже. А сейчас продолжим исследование. И так далее….
– Какой вывод мы можем сделать на основе проведенных исследований?

(Вывод: Одни вещества проводят ток, а другие нет)

Учитель: Вещества, растворы которых проводят электрический ток назвали электролитами, а вещества, которые не проводят ток – неэлектролитами

– А какие вещества проводят электрический ток? (Растворы кислот, щелочей, солей.)
– С каким видом химической связи растворы веществ проводят электрический ток? (Ионной, ковалентной сильно полярной)
– Какие вещества не проводят электрический ток? (Все кристаллические вещества, оксиды, газы)
С каким видом химической связи вещества не проводят электрический ток? (С ковалентной неполярной и слабо полярной)

Закрепление этапа 1: Задание 1. Блиц-опрос:

– Сформулируйте определения электролитов и неэлектролитов. (Запись в тетрадь)
– Какой тип химической связи характерен электролитам и неэлектролитам?
– Классы каких веществ относятся к электролитам и неэлектролитам?
– Где Вы в жизни встречались с электролитами? (Аккумуляторы в автомобилях)

Задание 2. Выберите из перечня веществ электролиты и неэлектролиты, определив вид химической связи. Ответ поясните.

2 этап: Механизм электролитической диссоциации.

Продолжение беседы:

– Какие частицы могут создавать электрический ток в растворе? (Движущие заряженные частицы)
– Почему и при каких условиях вещества проводят электрический ток?

(Они распадаются на ионы при растворении или расплавлении, являются проводниками второго рода. Прохождение тока происходит за счёт переноса ионов, а не электронов. Металлы – проводники первого рода (ток создается за счет свободных электронов).

– А какие заряженные частицы могут быть в растворах, например, у веществ с ионной связью – растворе NaCl? (Свободные ионы)

Внимание: В кристаллах ионы не свободные, а находятся в узлах кристаллической решетки.

– Что же происходит с кристаллом при растворении его в воде?

Какова роль воды в этом процессе?

(Вода взаимодействует с электролитом и он под действием воды распадается на ионы).

Рассмотрим механизм этого процесса.

Сначала рассмотрим строение молекулы воды

Вода (диполь) < 104,50

Сообщение: Интересное о воде… (Приложение 3)

Механизм электролитической диссоциации с ионной связью на примере NaCl

Рассмотрите схему процесса (рис.127, с.195, Химия, 9, О.С.Габриелян).

– Что происходит с диполями воды?

1. Диполи ориентируются отрицательными концами вокруг положительных ионов, а положительными вокруг отрицательных.

Этот процесс называется ориентация. ( Запись в тетрадь)

– Что происходит дальше?

2. Между ионами электролита и диполями происходит взаимодействие. Этот процесс называется гидратация. (Запись в тетрадь)

3.Во время гидратации возникают силы взаимного притяжения между диполями и ионами, химическая связь между ионами кристалла ослабевает и ионы, окруженные «водным одеялом» отрываются и переходят в раствор.

Происходит распад – диссоциация.

Ионы, окруженные водной оболочкой, называют гидратированными.

Процесс диссоциации упрощенно можно записать: NaCl = Na+ + Cl

– Как называют распавшиеся ионы? (Катионы, анионы)
– Они простые или сложные? (Простые)

– Итак, какие 3 процесса происходят при растворении веществ с ионной связью в воде?

1. ориентация
2. гидратация
3. диссоциация. Демонстрация процесса диссоциации. (Анимация)

Задание для учащихся

С помощью модели-аппликации покажите на магнитной доске механизм диссоциации электролита с ионной связью и прокомментируйте это

Механизм электролитической диссоциации веществ с ковалентной полярной связью на примере НCl

Беседа:

– А каков механизм диссоциации электролита с ковалентной полярной связью?
– Рассмотрите схему процесса (рис.128, с.196, в учебнике).
– Что происходит с диполями воды?

1. Диполи ориентируются отрицательными концами вокруг положительных ионов, а положительными вокруг отрицательных.

Этот процесс называется ориентация. (Запись в тетрадь)

– Что происходит дальше?

2. Между ионами электролита и диполями происходит взаимодействие. Этот процесс называется гидратация. (Запись в тетрадь)

3.Под действием диполей воды происходит превращение ковалентной полярной связи в ионную, то есть происходит ионизация молекул электролита.

4. Происходит распад – диссоциация.

Процесс диссоциации упрощенно можно записать: НCl = Н+ + Cl

– Как называют распавшиеся ионы?
– Они простые или сложные?
– Итак, какие процессы происходят при растворении веществ с ковалентной полярной связью в воде?

Вывод:

1. ориентация
2. гидратация
3. ионизация
4. диссоциация

Демонстрация процесса диссоциации. (Анимация)

Задание для учащихся

С помощью модели-аппликации покажите на магнитной доске механизм диссоциации электролита с ковалентной полярной связью и прокомментируйте это

Вывод: при растворении в воде вещества взаимодействуют с диполями, распадаются на свободные гидратированные ионы и проводят электрический ток. Гидратация ионов является основной причиной диссоциации электролита.

К такому выводу пришел шведский ученый Сванте Аррениус в 1887 году.

Вернемся к истории.

Учитель: Так как диссоциация происходит у электролитов, поэтому ее называют электролитической.

Оказывается электролитами являются не только растворы кислот, солей и щелочей, но и их расплавы.

Давайте сформулируем определение ЭД.

По лесенке поднимемся к вершине горы, теме сегодняшнего урока.

– Какие ключевые слова мы применяли при исследованиях, выводах?

Что происходит с веществом при диссоциации? «распад»

– Какое вещество распадается? «электролит»
– На какие частицы распадается электролит? «ионы»
При каких условиях распадается? «при растворении в роде или расплавлении»
– Повторим!!!

Процесс обратный диссоциации называется ассоциацией.

– Какие бывают ионы? Заполните схему:

И выполните задание.

– Отличаются ли ионы от атомов или молекул? Если да, то чем?

Сравнение ионов и атомов/молекул
Атом/молекула Ион
Сu, тв. металл красноватого цвета Cu2+ белый в безводных солях (CuSO4) и имеет голубой цвет, когда гидратирован (Сu2+•nH2O)
Na, металл серебристо-белого цвета, активно реагирует с водой, образуя щелочи Na+, входит а состав поваренной соли, мы его употребляем в пищу
Cl2, ядовитый газ желто-зеленого цвета Cl, входит а состав поваренной соли, мы его употребляем в пищу, не ядовит

3 этап: Степень диссоциации. Сильные и слабые электролиты.

Учитель: Все ли электролиты в одинаковой степени проводят электрический ток? (Нет)

– Продолжим исследование с уксусной кислотой.

Демонстрация опыта:

Учитель: Проверим электропроводность концентрированной уксусной кислоты.

Беседа с классом:

– Что вы наблюдаете? (Лампочка горит очень слабо)

Вывод: не все электролиты в одинаковой степени проводят электрический ток. Бывают сильные и слабые электролиты.

Характеристикой силы электролита является степень диссоциации и обозначается α. α можно вычислить по формуле.

Для слабых электролитов процесс диссоциации обратим. HNO2↔ H+ + NO2

Подробная информационная карта у вас на столах в сопроводительном листе.

– А можно ли «слабого сделать сильным», то есть увеличить степень диссоциации?

– От чего зависит α?

Продолжим исследования (Демонстрация опыта)

Беседа с классом:

1. Нагреем уксусную кислоту.
    – Что Вы наблюдаете? От чего же зависит α?

2. Разбавим кислоту водой, то есть уменьшим её концентрацию.
    – Что наблюдаете? От чего еще зависит α?

Вывод: α зависит от t, C. Если температуру увеличить α тоже увеличивается, если концентрацию увеличить α уменьшается.

4 этап: Кислоты, основания соли с точки зрения ЭД.

Учитель: Рассмотрим наглядно диссоциацию кислот, оснований и солей и составим уравнения их диссоциации на примере модельных схем ЭД кислот, щелочей и солей

Работа и беседа учителя с классом:

Составьте алгоритм написания данных уравнений (по образцу).
На какие ионы диссоциируют кислоты?
– Сформулируйте определение кислот с точки зрения ЭД. -Каким ионом будут определяться их свойства?
– Докажите экспериментально, что у вас в пробирке №1 кислота.(
Обучающиеся выполняют лабораторный опыт)
– На какие ионы диссоциируют основания?
– Сформулируйте определение оснований с точки зрения ЭД.
– Каким ионом будут определяться их свойства?
– Докажите экспериментально, что у вас в пробирке №2 щелочь.

(Обучающиеся выполняют лабораторный опыт)

– На какие ионы диссоциируют соли?
– Сформулируйте определение солей с точки зрения ЭД.
– Каким ионом будут определяться их свойства? (Разными)

5 этап: Физкультминутка для глаз

А теперь все отдохнем
Глазки крепенько сожмем
Поморгаем раз пяток
И продолжим наш урок
Крепко глазки зажмурим
Вспомним всё и повторим:
Раз, да, три, четыре, пять
Вернемся к диссоциации опять.
Истина всегда проста:
Щелочь, соль и кислота
Пропускают ток всегда,
Если их раствор – вода.

Почему же кислород,
Спирт, глюкоза и азот,
Растворенные в воде,
Не пропустят ток нигде?

Потому что вещества –
Неживые существа,
И зависят свойства их,
Сложных и совсем простых,
От строения частиц,
Микромира без границ.
А раствор, где ток бурлит,
Назван был электролит

Укрепляя мышцы глаз,
Взгляд меняем 8 раз
То поближе, то подальше
Посмотреть прошу я Вас.
От усталости спасет
Вас глазной круговорот.
Круга 3 вращайте влево,
А потом наоборот!

6 этап. Это интересно. (Приложение 2)

IV. Закрепление

1. Задания в игровой форме, проблемно-поисковые задания на слайдах.
2. Самостоятельная работа на 10 мин (Слайд)

V. Обобщающие выводы

Учитель: Все сегодняшние полученные знания можно обобщить в одной теории, которая называется теорией электролитической диссоциации (ТЭД)

Основные положения сформулированы в опорном конспекте (Приложение 4).

Работа с опорным конспектом

  1. Все вещества делятся на электролиты и неэлектролиты. ТЭД изучает электролиты.
  2. При растворении в воде эл-ты диссоциируют на ионы.
  3. Причина диссоциации – гидратация, то есть взаимодействие электролита с молекулами воды и разрыв химической связи в нем.
  4. Под действием эл. тока + ионы(катионы) движутся к катоду, а отрицательные (анионы) к аноду.
  5. ЭД обратима для слабых электролитов.
  6. Не все электролиты в одинаковой степени диссоциируют на ионы. Поэтому они делятся на сильные и слабые и характеризуются степенью диссоциации, которая зависит от разных причин.
  7. Химические свойства растворов электролитов определяются свойствами тех ионов, которые они образуют при диссоциации.
  8. По характеру образующихся ионов различают 3 типа электролитов.

VI. Подведение итога урока. Домашнее задание

§35,36; упр. № 4,5 с.203,

Индивидуальные доп.зад. в раб. тетр. №18, с.124, №20 с.126

Учитель: Прежде чем закончить урок, я хочу проверить ваше настроение в конце урока. Зарисуйте свое настроение в индивидуальном сопроводительном листе, который находится у Вас на парте. (Приложение 1)

Заключение

Ты – молодчина! И в это поверь.
Открыта тобой в мир химии дверь.
Надеемся все мы, что лет через пять,
Прекрасным ученым сможешь ты стать.

Электролиты — Химия LibreTexts

Одним из важнейших свойств воды является ее способность растворять самые разные вещества. Растворы, в которых вода является растворяющей средой, называются водными растворами . Для электролитов вода является наиболее важным растворителем. Этанол, аммиак и уксусная кислота являются одними из неводных растворителей, способных растворять электролиты.

Электролиты

Вещества, дающие ионы при растворении в воде, называются электролитами .Их можно разделить на кислоты, основания и соли, так как все они дают ионы при растворении в воде. Эти растворы проводят электричество благодаря подвижности положительных и отрицательных ионов, которые называются катионами и анионами соответственно. Сильные электролиты полностью ионизируются при растворении, и в растворе не образуются нейтральные молекулы.

Например, \(\ce{NaCl}\), \(\ce{HNO3}\), \(\ce{HClO3}\), \(\ce{CaCl2}\) и т.д. являются сильными электролитами.-_{\большой{(водный)}}}\)

Так как \(\ce{NaCl}\) представляет собой ионное твердое тело (s), состоящее из катионов \(\ce{Na+}\) и анионов \(\ce{Cl-}\), молекулы \(\ce{NaCl}\) присутствуют в \(\ce{NaCl}\) твердом или \(\ce{NaCl}\) растворе. Говорят, что ионизация завершена. Растворенное вещество на сто процентов (100%) ионизировано. Некоторые другие ионные твердые вещества: \(\ce{CaCl2}\), \(\ce{Nh5Cl}\), \(\ce{KBr}\), \(\ce{CuSO4}\), \(\ce{ NaCh4COO}\) (ацетат натрия), \(\ce{CaCO3}\) и \(\ce{NaHCO3}\) (пищевая сода).-]}{[H_2CO_3]}}\)

, где мы используем [ ] для обозначения концентрации видов в [ ]. -]}{[H_2O]}}\)

Для чистой воды \(\ce{[h3O]}\) является константой (1000/18 = 55.+] = 7}\).

Обратите внимание, что только при 298 К рН воды = 7. При более высоких температурах рН немного меньше 7, а при более низких температурах рН больше 7.

Электролиты в жидкостях организма

Жидкости нашего организма представляют собой растворы электролитов и многого другого. Сочетание крови и системы кровообращения является рекой жизни , потому что она координирует все жизненные функции. Когда сердце перестает качать кровь при сердечном приступе, жизнь быстро заканчивается.Перезапуск сердца как можно скорее имеет решающее значение для поддержания жизни.

Основными электролитами, необходимыми для жидкости организма, являются катионы (кальция, калия, натрия и магния) и анионы (хлориды, карбонаты, аминоацетаты, фосфаты и йодиды). Они питательно называются макроминералами .

Электролитный баланс имеет решающее значение для многих функций организма. Вот несколько крайних примеров того, что может произойти при дисбалансе электролитов: повышенный уровень калия может привести к сердечной аритмии; снижение внеклеточного калия вызывает паралич; избыток внеклеточного натрия вызывает задержку жидкости; а пониженное содержание кальция и магния в плазме может вызывать мышечные спазмы конечностей.

При обезвоживании пациента для поддержания здоровья и хорошего самочувствия требуется тщательно приготовленный (имеющийся в продаже) раствор электролита. С точки зрения здоровья ребенка пероральный электролит необходим, когда ребенок обезвожен из-за диареи. «Использование пероральных поддерживающих растворов электролитов, которые спасли миллионы жизней во всем мире за последние 25 лет, является одним из самых важных медицинских достижений в защите здоровья детей в этом столетии», — объясняет Джуилус Г.К. Гепп, доктор медицинских наук, заместитель директора отделения неотложной педиатрической помощи Детского центра больницы Джонса Хопкинса. Если родитель обеспечивает пероральный поддерживающий раствор электролитов в самом начале болезни, обезвоживание можно предотвратить. Функциональность растворов электролитов связана с их свойствами, и интерес к растворам электролитов выходит далеко за рамки химии.

Электролиты и батареи

В батареях всегда требуются растворы электролитов, даже в сухих элементах .- \rightarrow Cu_{\large{(s)}}}\)

В сухих камерах раствор заменен пастой, чтобы раствор не вытекал из упаковки. В этой ячейке электрод \(\ce{Zn}\) и \(\ce{Cu}\) имеет напряжение 1,10 В, если концентрации ионов соответствуют указанным.

Химические реакции электролитов

При соединении растворов электролитов катионы и анионы встретятся друг с другом. Когда ионы безразличны друг к другу, реакции нет.Однако некоторые катионы и анионы могут образовывать молекулы или твердые тела, и, таким образом, катионы и анионы меняют партнеров. Они называются реакциями метатезиса, к которым относятся:

  • Образование твердого вещества (или осаждение) реакции: катионы и анионы образуют менее растворимое твердое вещество, что приводит к появлению осадка.
  • Нейтрализация реакции: \(\ce{H+}\) кислоты и \(\ce{OH-}\) основания объединяются с образованием нейтральной молекулы воды.
  • Газообразование реакции: Когда в результате реакции образуются нейтральные газообразные молекулы, они покидают раствор, образуя газ.2+}\)
  • \(\ce{Na+}\)
  • любой анион
  • Подсказка: e. любой анион

    Навык:
    Объяснять движение ионов в растворе электролитов.

    1. Двигаются ли положительные ионы в солевом мостике?

    Подсказка: да

    Два типа ионов движутся в противоположных направлениях.

    Навык:
    Объяснять движение ионов в растворе электролитов.

    1. Какой раствор следует использовать для электрода \(\ce{Cu}\) ?
    1. любая соль цинка
    2. любая соль меди
    3. любой хлорид
    4. любая соль
    5. кислота
    6. основание

    Подсказка: б. любая соль меди
    Любая соль может быть использована для \(\ce{Zn}\)-электрода. Но для электрода \(\ce{Cu}\) обычно используется \(\ce{CuSO4}\) или \(\ce{CuCl2}\).

    Навык:
    Применять химические знания для настройки батарей.

    1. Что из следующего вы будете использовать в качестве соляного моста?
      1. твердый \(\ce{NaCl}\)
      2. концентрированный \(\ce{NaCl}\) раствор
      3. \(\ce{HNO3}\) раствор
      4. концентрированный \(\ce{h3SO4}\) раствор
      5. вода деионизированная
      6. любая твердая соль

    Подсказка: б.\(\ce{NaCl}\) раствор

    Обычно используют солевой раствор, но подойдут и растворы кислот и оснований. \(\ce{NaCl}\) экономичен и удобен в обращении.

    1. Какой раствор лучше всего проводит электричество? Все растворы имеют одинаковую концентрацию в М.
      1. спирт
      2. аммиак
      3. сахар
      4. уксусная кислота
      5. поваренная соль

    Подсказка: e.поваренная соль

    Навык:
    Различать сильные и слабые электролиты.

    1. Какой из следующих растворов имеет самый высокий pH?
      1. 0,10 М \(\ce{NaCl}\) раствор
      2. 0,10 М \(\ce{HCl}\) раствор
      3. Вода при 273 К (точка замерзания воды)
      4. Вода при 293 К (комнатная температура)
      5. Вода при 373 К (точка кипения воды)

    Подсказка: c.вода при низкой температуре

    См. рН.

    Навык:
    Определение и оценка рН.

    1. При смешивании растворов электролитов катионы и анионы обмениваются партнерами. Эти реакции называются:
      1. реакции горения
      2. окислительно-восстановительные реакции
      3. реакции окисления
      4. реакции восстановления
      5. реакции метатезиса

    См. Редокс.

    Навык:
    Объяснять реакции метатезиса.

    11.2: Электролиты — Химия LibreTexts

    Цели обучения
    • Дайте определение и приведите примеры электролитов
    • Различать физические и химические изменения, сопровождающие растворение ионных и ковалентных электролитов
    • Связь прочности электролита с силами притяжения растворенного вещества к растворителю

    Когда некоторые вещества растворяются в воде, они претерпевают физические или химические изменения, в результате которых в растворе образуются ионы.Эти вещества составляют важный класс соединений, называемых электролитами. Вещества, которые при растворении не выделяют ионов, называются неэлектролитами. Если физический или химический процесс, который генерирует ионы, эффективен практически на 100% (все растворенные соединения дают ионы), то это вещество известно как сильный электролит. Если только относительно небольшая часть растворенного вещества подвергается процессу образования ионов, его называют слабым электролитом.

    Вещества могут быть идентифицированы как сильные, слабые или неэлектролиты путем измерения электропроводности водного раствора, содержащего это вещество.Чтобы проводить электричество, вещество должно содержать свободно подвижные заряженные частицы. Наиболее знакомым является проведение электричества по металлическим проводам, и в этом случае подвижными заряженными объектами являются электроны. Растворы также могут проводить электричество, если они содержат растворенные ионы, причем проводимость увеличивается по мере увеличения концентрации ионов. Приложение напряжения к электродам, погруженным в раствор, позволяет оценить относительную концентрацию растворенных ионов либо количественно, измеряя протекание электрического тока, либо качественно, наблюдая за яркостью включенной в цепь лампочки (рис. \(\PageIndex {1}\)).

    Рисунок \(\PageIndex{1}\): Растворы неэлектролитов, таких как этанол, не содержат растворенных ионов и не могут проводить электричество. Растворы электролитов содержат ионы, обеспечивающие прохождение электричества. Электропроводность раствора электролита связана с прочностью электролита.

    Ионные электролиты

    Вода и другие полярные молекулы притягиваются к ионам, как показано на рисунке \(\PageIndex{2}\). Электростатическое притяжение между ионом и молекулой с диполем называется ионно-дипольным притяжением.Эти притяжения играют важную роль в растворении ионных соединений в воде.

    Рисунок \(\PageIndex{2}\): Когда хлорид калия (KCl) растворяется в воде, ионы гидратируются. Полярные молекулы воды притягиваются зарядами ионов K + и Cl . Молекулы воды впереди и позади ионов не показаны.

    Когда ионные соединения растворяются в воде, ионы в твердом веществе разделяются и равномерно распределяются по всему раствору, потому что молекулы воды окружают ионы и сольватируют их, уменьшая сильные электростатические силы между ними. Этот процесс представляет собой физическое изменение, известное как диссоциация. В большинстве случаев ионные соединения почти полностью диссоциируют при растворении, поэтому их относят к сильным электролитам.

    Давайте рассмотрим, что происходит на микроскопическом уровне, когда мы добавляем твердый KCl в воду. Ионно-дипольные силы притягивают положительные (водородные) концы полярных молекул воды к отрицательным ионам хлора на поверхности твердого тела, а отрицательные (кислородные) концы – к положительным ионам калия.Молекулы воды проникают между отдельными ионами K + и Cl и окружают их, уменьшая сильные межионные силы, которые связывают ионы вместе, и позволяя им переходить в раствор в виде сольватированных ионов, как показано на рисунке. Уменьшение электростатического притяжения делает возможным независимое движение каждого гидратированного иона в разбавленном растворе, что приводит к увеличению беспорядка в системе по мере того, как ионы переходят из своего фиксированного и упорядоченного положения в кристалле в подвижное и гораздо более неупорядоченное состояние в кристалле. решение.Этот повышенный беспорядок ответственен за растворение многих ионных соединений, включая KCl, которые растворяются при поглощении тепла.

    В других случаях электростатическое притяжение между ионами в кристалле настолько велико или ионно-дипольные силы притяжения между ионами и молекулами воды настолько слабы, что увеличение беспорядка не может компенсировать энергию, необходимую для разделения ионов. , а кристалл нерастворим. Так обстоит дело с такими соединениями, как карбонат кальция (известняк), фосфат кальция (неорганический компонент костей) и оксид железа (ржавчина).

    Почему ионные твердые тела растворяются в воде (ионно-дипольное IMF)?: https://youtu.be/yz1Ml0Q8b_I

    Ковалентные электролиты

    Чистая вода является чрезвычайно плохим проводником электричества, потому что она очень слабо ионизирована — только около двух из каждого миллиарда молекул ионизируются при 25 °C. Вода ионизируется, когда одна молекула воды отдает протон другой молекуле воды с образованием ионов гидроксония и гидроксида. {-} (водн.)} \label{11.3.2}\]

    В некоторых случаях мы обнаруживаем, что растворы, приготовленные из ковалентных соединений, проводят электричество, потому что молекулы растворенного вещества химически реагируют с растворителем с образованием ионов. Например, чистый хлористый водород представляет собой газ, состоящий из ковалентных молекул HCl. Этот газ не содержит ионов. Однако, когда мы растворяем хлористый водород в воде, мы обнаруживаем, что раствор является очень хорошим проводником. Молекулы воды играют существенную роль в образовании ионов: растворы хлороводорода во многих других растворителях, например в бензоле, не проводят электричество и не содержат ионов.+\)) и ионы хлорида (Cl ):

    Эта реакция практически завершена на 100% для HCl (т. е. это сильная кислота и, следовательно, сильный электролит). Точно так же слабые кислоты и основания, которые реагируют лишь частично, образуют относительно низкие концентрации ионов при растворении в воде и классифицируются как слабые электролиты. Читатель может пожелать просмотреть обсуждение сильных и слабых кислот, приведенное в предыдущей главе этого текста, посвященное классам реакций и стехиометрии.

    Резюме

    Вещества, растворяющиеся в воде с образованием ионов, называются электролитами. Электролиты могут быть ковалентными соединениями, которые химически реагируют с водой с образованием ионов (например, кислот и оснований), или они могут быть ионными соединениями, которые диссоциируют с образованием составляющих их катионов и анионов при растворении. Растворению ионного соединения способствует ионно-дипольное притяжение между ионами соединения и полярными молекулами воды. Растворимые ионные вещества и сильные кислоты полностью ионизируются и являются сильными электролитами, а слабые кислоты и основания ионизируются лишь в незначительной степени и являются слабыми электролитами.Неэлектролиты – вещества, не образующие ионов при растворении в воде.

    Глоссарий

    диссоциация
    физический процесс, сопровождающий растворение ионного соединения, при котором ионы, составляющие соединение, сольватируются и диспергируются в растворе
    электролит
    вещество, образующее ионы при растворении в воде
    ионно-дипольное притяжение
    электростатическое притяжение между ионом и полярной молекулой
    неэлектролит
    вещество, не образующее ионов при растворении в воде
    сильный электролит
    вещество, которое полностью диссоциирует или ионизируется при растворении в воде
    слабый электролит
    вещество, которое лишь частично ионизируется при растворении в воде

    Кислоты, основания и диссоциация воды

    Имя____________________________________________Дата:________

    Атомы могут приобретать или терять электроны для образования ионов в процессе, называемом ионизацией (соединения, образующиеся таким образом, называются ионными соединениями). Когда ионные соединения растворяются в воде, их ионы отделяются друг от друга в процессе, называемом диссоциацией. Одна интересная особенность воды и многих других ковалентных соединений заключается в том, что они тоже могут диссоциировать на ионы. В отличие от ионных соединений, таких как хлорид натрия, они не ионизируются до диссоциации; они осуществляют ионизацию и диссоциацию одновременно.

    Диссоциация воды

    Когда вода диссоциирует, одно из ядер водорода оставляет свой электрон вместе с атомом кислорода, становясь ионом водорода, а кислород и другие атомы водорода становятся гидроксид-ионом.Поскольку ион водорода не имеет электрона, чтобы нейтрализовать положительный заряд своего протона, он имеет полную единицу положительного заряда и обозначается как H+. Ион гидроксида удерживает оставшийся электрон и, таким образом, имеет полную единицу отрицательного заряда, обозначенную буквой ОН-. Ион водорода (протон) недолго блуждает сам по себе, прежде чем присоединяется к атому кислорода второй неионизированной молекулы воды, образуя ион гидроксония (h4O +)

    В любом образце воды очень немногие молекулы диссоциируют в любой момент времени: на самом деле, только одна из 550 миллионов. Однако есть постоянное изменение; когда один ион водорода снова присоединяется к иону гидроксида с образованием молекулы воды, другая молекула воды диссоциирует, заменяя ион водорода и ион гидроксида в растворе.

    Соляная кислота

    Некоторые молекулы, ионные и ковалентные, диссоциируют таким образом, что высвобождают ион водорода, не выделяя при этом ион гидроксида. Эти вещества называются кислотами. Поскольку ион водорода в большинстве случаев представляет собой всего лишь один протон, химик определяет кислоту как «донор протона».Если «пожертвовать» очень много протонов (ионов водорода), эффект может быть очень глубоким, например, обжечь кожу или растворить металл. Проиллюстрированная кислота представляет собой соляную кислоту. Чистая соляная кислота представляет собой газ, но она легко растворяется в воде с образованием раствора иона водорода и иона хлора. Так как почти весь он диссоциирует в воде, его называют сильной кислотой. Кислоты, не диссоциирующие полностью, называются слабыми кислотами.

    Гидроксид натрия

    Противоположностью кислоты является основание, также известное как щелочь.Типичным сильным основанием является гидроксид натрия, основной компонент щелочи. Гидроксид натрия диссоциирует с образованием иона натрия и гидроксид-иона. Основание определяется как «акцептор протона». Наиболее распространенные основания производят гидроксид-ион при диссоциации, и именно гидроксид-ион принимает протон. Сильное основание может дать коже гораздо больший ожог, чем кислота.

    Нейтрализация

    При смешивании основания и кислоты ион гидроксида и основание соединяется с ионом водорода кислоты с образованием воды.Этот процесс называется нейтрализацией.

     

    Вопросы:

    1. Что происходит, когда атом приобретает или теряет электрон?

     

    2. Объясните своими словами, почему вода обычно имеет нейтральный рН, хотя молекулы воды диссоциируют.

     

    3. Почему кислоты называют донорами протонов?

     

    4. Что происходит при обезвреживании?

     

    5.Приведите пример сильного основания и сильной кислоты.

     

     

    Компьютерное исследование взаимодействия уксусной кислоты с молекулами воды

    Принадлежности Расширять

    принадлежность

    • 1 Химический факультет Педагогического университета Нара, Такабатаке-тё, Нара 630-8528, Япония[email protected]

    Элемент в буфере обмена

    Шиничи Ямабе и др. J Comput Chem. 2003 июнь.

    Показать детали Показать варианты

    Показать варианты

    Формат АннотацияPubMedPMID

    принадлежность

    • 1 Химический факультет Педагогического университета Нара, Такабатаке-тё, Нара 630-8528, Япония[email protected]

    Элемент в буфере обмена

    Полнотекстовые ссылки Параметры отображения цитирования

    Показать варианты

    Формат АннотацияPubMedPMID

    Абстрактный

    Расчеты теории функционала плотности были выполнены для названных реакций, чтобы выяснить разницу между сильной циклической водородной связью (Me-COOH)(2) и электролитической диссоциацией MeCOOH <==> Me-COO(-) + H(+) , как слабая кислота. Ассоциация кластеров воды с димерами уксусной кислоты усиливает циклическую водородную связь. Нуклеофильная атака карбоксильного углерода кластером воды приводит к первому цвиттерионному промежуточному продукту, MeCOO(-) + H(3)O(+) + (HO)(3)C-Me. Промежуточный продукт нестабилен и изомеризуется в нейтральную взаимодействующую систему MeCOOH…(HO)(3)C-Me + H(2)O. Этантриол (HO)(3)-CMe превращается в мономер уксусной кислоты. Мономер может быть диссоциирован с образованием второго цвиттерионного промежуточного соединения с приемлемыми схемами ретрансляции протонов и изменениями энергии.В каналах реакции ретрансляции протонов H в MeCOOH не является кислым протоном, но всегда является гидроксильным протоном.

    Copyright 2003 Wiley Periodicals, Inc. J Comput Chem 24: 939-947, 2003

    Похожие статьи

    • Характеристика флексионных комплексов уксусной кислоты и ацетата с водородными связями с помощью ЯМР: геометрия и влияние изотопов и растворителей.

      Толстой П.М., Шах-Мохаммеди П., Смирнов С.Н., Голубев Н.С., Денисов Г.С., Лимбах Х.Х. Толстой П.М. и др. J Am Chem Soc. 2004 г. 5 мая; 126 (17): 5621-34. doi: 10.1021/ja039280j. J Am Chem Soc. 2004. PMID: 15113234

    • Компьютерное исследование эпоксидно-аминных реакций.

      Окумото С., Ямабе С. Окумото С. и др. J Comput Chem. 2003 г., 30 января; 24 (2): 244–53.doi: 10.1002/jcc.10138. J Comput Chem. 2003. PMID: 12497603

    • Реакционный путь, контролируемый FMO, в перегруппировке бензил-бензиловой кислоты.

      Ямабе С., Цучида Н., Ямадзаки С. Ямабе С. и др. J Org Chem. 2006 3 марта; 71 (5): 1777-83. дои: 10.1021/jo051862r. J Org Chem. 2006. PMID: 16496961

    • Вычислительные исследования нуклеофильного замещения по карбонильному углероду: механизм S(N)2 по сравнению с тетраэдрическим интермедиатом в органическом синтезе.

      Фокс Ю.М., Дмитренко О., Ляо Л.А., Бах Р.Д. Фокс Дж.М. и др. J Org Chem. 2004 г., 15 октября; 69 (21): 7317-28. дои: 10.1021/jo049494z. J Org Chem. 2004. PMID: 15471486

    • Реакционные пути водного нейтрального гидролиза этилацетата.

      Ямабе С., Цучида Н., Хаяшида Ю. Ямабе С. и др. J Phys Chem A. 18 августа 2005 г .; 109 (32): 7216-24.дои: 10.1021/jp058029i. J Phys Chem A. 2005. PMID: 16834086

    Цитируется

    2 статьи
    • Конкурирующие внутримолекулярные и межмолекулярные водородные связи в растворе.

      Надя П.И. Надя П.И. Int J Mol Sci. 2014 28 октября; 15 (11): 19562-633. дои: 10.3390/ijms151119562. Int J Mol Sci. 2014. PMID: 25353178 Бесплатная статья ЧВК. Рассмотрение.

    • Теоретическое исследование катализируемой HOCl кето-енольной таутомеризации β-циклопентандиона в явной водной среде.

      Д’Кунья С., Морозов А.Н., Чатфилд Д.С. Д’Кунья С. и др. J Phys Chem A. 5 сентября 2013 г.; 117 (35): 8437-48. doi: 10.1021/jp401409y. Epub 2013 22 августа.J Phys Chem A. 2013. PMID: 236 Бесплатная статья ЧВК.

    Полнотекстовые ссылки [Икс] Уайли [Икс]

    Укажите

    Копировать

    Формат: ААД АПА МДА НЛМ

    Электролиты — диссоциация сильных ионов

     Роль воды в регулировании кислотно-щелочного баланса

    (Диссоциация сильных ионов является второй в серии из 4 статей о электролитах и ​​их влиянии на кислотно-основную химию)

    Любопытная вещь об ингредиентах электролита заключается в том, что, хотя они перечислены на этикетке, многие из них не попадают в раствор, который мы скармливаем теленку. Нет хлорида натрия. В нем нет бикарбоната натрия, ацетата натрия, лактата кальция, хлорида калия или ряда других ингредиентов.

    Так… что с ними происходит?  На самом деле все очень просто. Они диссоциируют или разделяются на свои основные компоненты, когда растворяются в воде или любой водной среде, такой как плазма крови и другие жидкости организма. Неучет этой диссоциации может привести к значительным просчетам при оценке электролитных продуктов. Эта диссоциация также оказывает сильное влияние на икру, о которой и пойдет речь в этом посте.

    Хорошим показателем того, будет ли компонент электролита диссоциировать, является присутствие сильных ионов. Натрий, хлорид, калий, кальций и магний являются сильными ионами. Довольно легко определить, какие ингредиенты содержат сильные ионы, поскольку их присутствие указано в названии ингредиента.

    Ориентированные водные комплексы сильных ионов

    Натрий имеет сильный положительный заряд, связанный с ним, в то время как хлорид имеет сильный отрицательный заряд. Сами по себе оба иона легко реагируют с другими веществами, но молекулы воды препятствуют этому.На рис. 1 показано, как молекулы воды ориентируются вокруг диссоциированных ионов натрия (Na + ) и хлора (Cl ). Ориентируясь таким образом, они изолируют ион и его заряд и не дают ему реагировать с другими веществами. Отрицательно заряженный кислород молекулы воды ориентируется в сторону положительного иона натрия. Положительно заряженные атомы водорода ориентируются в сторону отрицательного иона хлорида. Давайте подробнее рассмотрим, что происходит, когда хлорид натрия смешивают с водой. Натрий и хлорид составляют основу большинства растворов электролитов — они являются основными электролитами в плазме и играют фундаментальную роль в метаболической регуляции кислотно-щелочного баланса.

    Образуя комплексы с водой, сильные ионы становятся химически инертными и не вступают в реакции внутри организма. Легко представить себе серьезные последствия, которые могли бы возникнуть, если бы сильные ионы могли свободно реагировать и образовывать соединения в плазме и клеточных жидкостях —  это, безусловно, добавило бы новое измерение почечным камням.

    Влияние ориентированных водных комплексов сильных ионов на ионы OH

    и H +

    Рисунок 2.

    Откуда берутся эти ионы ОН и Н + ? Они являются результатом диссоциации близлежащих молекул воды. Мало того, что вода реагирует на присутствие этих сильных ионов, ориентируясь вокруг каждого иона, вода также реагирует на силы притяжения образующегося комплекса сильный ион/вода, выделяя ионы OH  или H +  в зависимости от того, какой комплекс настоящее.Ориентация молекул воды вокруг сильных ионов не только предотвращает нежелательные реакции. Обращенные наружу атомы водорода молекул воды вокруг натрия имеют положительный заряд, который притягивает ионы гидроксила (OH ). Молекулы воды вокруг хлорида имеют отрицательный заряд, который притягивает ионы водорода (H + ). Эти силы притяжения показаны на рисунке 2.

    Вот почему натрий и хлорид так важны для почек, поскольку они регулируют кислотно-щелочной баланс. Например, избирательно удаляя натрий, почки снижают концентрацию ОН в плазме. По сути, это увеличивает относительную концентрацию хлорида и H +  в плазме, снижая pH. И наоборот, удаляя хлориды, почки снижают H + в плазме, что повышает pH. Последний сценарий является важной частью разрешения ацидоза.

    Вода легко диссоциирует на H + и OH и легко восстанавливается в ответ на изменения в растворе, образуя или разрушая H + и OH в процессе.Вода является идеальной средой для этой цели. Для подачи или удаления OH или H + не требуется никаких других веществ. Никаких других реакций происходить не должно.

    _____________________________

    Эти характеристики воды являются фундаментальными для кислотно-щелочной химии. Большая часть путаницы и концептуальных трудностей, связанных с кислотно-щелочными механизмами, возникает из-за ошибочного представления о том, что OH и H + должны быть добавлены к раствору или удалены из него извне, чтобы вызвать изменение кислотно-щелочного баланса. положение дел.Вода — это идеальная среда. Это неисчерпаемый резервуар OH- и H+ в организме, который постоянно приспосабливается к изменениям в системе.

    ______________________________

    Хлорид натрия является важным компонентом электролита, но его включение в формулу в качестве единственного источника этих двух ионов приводит к незначительным изменениям кислотно-щелочного состояния животного. Это происходит из-за уравновешивающего эффекта двух ионов. Каждый ион натрия, добавленный в раствор, компенсируется ионом хлорида.Чтобы вызвать изменение кислотно-щелочного состояния, это соотношение должно измениться.

    Электролиты разработаны для различных целей и функций. Телята, обезвоженные из-за диареи, также могут в некоторой степени страдать от ацидоза, когда рН плазмы ниже нормы. Чтобы помочь исправить эту ситуацию и вызвать повышение pH плазмы, электролит должен содержать больше натрия, чем хлорида.

    К сожалению, сильные ионы не могут быть добавлены в раствор сами по себе. В сухом виде они связаны с каким-то другим веществом, которое необходимо добавить в раствор вместе с сильным ионом. В этом случае, когда мы заинтересованы в замене хлорида, можно использовать такие ингредиенты, как бикарбонат натрия, ацетат натрия и лактат натрия, чтобы заменить часть хлорида натрия в формуле. Это обеспечивает натрий без уравновешивающего эффекта хлорида. Бикарбонат, ацетат и лактат не действуют на организм так, как хлорид. Они не образуют комплексов с водой, не обладают такими силами притяжения и не так влияют на концентрацию ионов водорода.Они также могут свободно вступать в реакции в организме. Бикарбонат натрия, ацетат натрия и лактат натрия иногда называют подщелачивающими агентами , что будет предметом следующих публикаций.


    Другие сообщения из этой серии:

    18 января 2011 г., Электролиты — сравнение продуктов
    23 марта 2011 г., Электролиты — подщелачивающие агенты
    4 мая 2011 г., Электролиты — зависимые и независимые переменные

     

    Сванте Аррениус — MagLab

    Сванте Аррениус родился в городе Вик, Швеция, и стал первым уроженцем этой страны, получившим Нобелевскую премию.

    Премия по химии была присуждена ему в честь его теории электролитической диссоциации , хотя в зачаточном виде, появившемся в его докторской диссертации, эта теория была плохо воспринята его профессорами. Однако едва проходная оценка, которую ему поставили за диссертацию, не обескуражила Аррениуса, и его настойчивость в конечном итоге привела к всеобщему признанию многих его идей относительно электролитов, кислот, оснований и химических реакций.

    Аррениус рано подал надежды на успех, научившись читать в возрасте 3 лет и приобретя явный интерес к математическим вычислениям в юности, наблюдая за бухгалтерской практикой своего отца, землемера из Упсальского университета. В 8 лет он поступил в местную школу, которую окончил в 1876 году как самый молодой и продвинутый ученик. Впоследствии он поступил в Упсальский университет, где изучал физику, математику и химию. В 1881 году Аррениус переехал в Стокгольм, чтобы учиться у Эрика Эдлунда в Физическом институте Шведской академии наук. Там его исследования вскоре сосредоточились на электролизе, который влечет за собой использование электрического тока для химического изменения электролита.

    Электролиты не были хорошо изучены в то время, электролиз вошел в практику только в начале 1800-х годов. Великий физик-экспериментатор Майкл Фарадей предположил, что заряженные частицы, которые он назвал ионами, образуются в процессе электролиза, но работа Аррениуса привела его к несколько иному выводу: электролиты содержат ионы, даже если они не подвергаются воздействию электричества.Основываясь на своих исследованиях электропроводности электролитов, Аррениус пришел к выводу, что, когда электролит растворяется в воде, он в некоторой степени диссоциирует на положительные и отрицательные ионы и что степень диссоциации зависит от природы электролита и уровня его электролита. концентрация (диссоциация больше в разбавленных растворах). Эти ионы Аррениус считал ответственными не только за проведение электрического тока, но и за химические реакции, протекающие в растворах. В диссертации, которую он представил в 1884 году, Аррениус представил раннюю форму своей теории электролитической диссоциации, но предпочтение подробных экспериментов и скептицизм его идей среди преподавателей, оценивающих работу, привели к тому, что он получил пустой пропуск.

    Уверенный в перспективах своей работы, Аррениус смело разослал копии своей диссертации многим выдающимся химикам по всему миру. Один из этих химиков, Вильгельм Оствальд из Германии, был настолько заинтригован газетой, что поехал в Уппсалу, чтобы встретиться с Аррениусом и предложить ему работу.Однако вместо того, чтобы занять должность исследователя, Аррениус принял предложение стать лектором по физической химии, предложенное ему в Уппсале вскоре после визита Оствальда, чтобы оставаться ближе к своему отцу, у которого было слабое здоровье. Его отец умер в 1885 году, и в следующем году Аррениус получил грант на поездку от Шведской академии, что позволило ему поехать в Ригу, чтобы работать с Оствальдом, после чего он совершил поездки в Вюрцбург, Германию, Грац, Австрию и Амстердам. , Нидерланды, учиться у Фридриха Кольрауша, Людвига Больцмана и Дж.Х. ван ‘т Хофф соответственно. Регулярные контакты с такими великими учеными помогли Аррениусу отточить многие его идеи, и постепенно его взгляды стали завоевывать сторонников.

    В тесном сотрудничестве со своей теорией электролитической диссоциации Аррениус разработал определения кислот и оснований, которые были основными обозначениями, используемыми для них в течение многих лет. По Аррениусу, кислота — это вещество, которое при диссоциации в воде дает ионы водорода (Н+), тогда как при диссоциации основания в воде образуются гидроксид-ионы (ОН-).Примечательно, что определения Аррениуса не учитывают тот факт, что вода — не единственный растворитель, в котором вещества могут функционировать как кислота или основание. Кроме того, в то время не было осознано, что ионы водорода не существуют в растворах самостоятельно в течение длительного времени, а скорее соединяются с водой, образуя ионы гидроксония (h40+). Некоторые недостатки теории кислот и оснований Аррениуса были устранены более поздними учеными. Согласно теории Бренстеда-Лоури, например, кислота является донором протонов, а основание является акцептором протонов, определения, которые не делают конкретной ссылки на воду, как это делают определения Аррениуса.

    Аррениус также разработал концепцию энергии активации , которая представляет собой минимальную энергию, необходимую для протекания конкретной химической реакции. Он использовал эту концепцию, чтобы объяснить, почему тепловая энергия часто необходима для проведения химических реакций. Его работа в этой области в дальнейшем привела к уравнению Аррениуса , которое количественно выражает зависимость между скоростью, с которой протекает реакция, и энергией активации реакции.

    Со временем работы Аррениуса в области физической химии принесли ему значительную известность.В 1891 году ему предложили должность профессора в Германии, но он отклонил это предложение. Вместо этого он принял назначение в Королевский технологический институт в Стокгольме, став там профессором физики в 1895 году и ректором в следующем году. Начало двадцатого века было особенно триумфальным временем для Аррениуса, который был избран членом Шведской академии наук в 1901 г., удостоен престижной медали Дэви Лондонского королевского общества в 1902 г. и Нобелевской премии по химии в 1903 г. В 1905 г. Аррениусу предложили еще одну профессуру в Германии, но он предпочел остаться в Швеции, где ему дали специально для него должность директора Нобелевского института физической химии.

    Как только его основные теории получили широкое признание, Аррениус приступил к исследованиям многих других тем, включая осмос, иммунологию, астрономию, токсины и антитоксины, происхождение жизни и влияние уровня углекислого газа на климат. Он также написал ряд книг, в том числе учебники по теоретической химии, электрохимии и иммунохимии, учебник по космической физике и несколько книг, предназначенных для широкой публики, на самые разные темы, от оспы до формирования планет.Выполняя эти другие проекты, Аррениус сохранил свой пост в Нобелевском институте, оставив его лишь незадолго до своей смерти от болезни 2 октября 1927 года.

    Frontiers | Электролиз углекислого газа и воды с использованием новых анионных мембран, устойчивых к щелочам

    Введение

    За последнее десятилетие растущий интерес был направлен на использование двуокиси углерода для производства жидкого топлива и химикатов в качестве средства для создания устойчивой экономики, основанной на нулевом выбросе углерода.Эффективное производство энергоемких продуктов на основе углерода из уловленного и антропогенного CO 2 с использованием возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия, энергия ветра, ядерная энергия и гидроэлектроэнергия, обеспечивает основу для получения устойчивого химического сырья, которое не получено из ископаемого топлива ( Halmann, 1993; Aresta and Dibenedetto, 2007; Aresta, 2010; Whipple and Kenis, 2010; Quadrelli et al., 2011; Sankaranarayanan and Srinivasan, 2012; Hu et al., 2013; Masel et al., 2014a, 2016a; Aresta. и другие., 2016).

    Эффективное производство монооксида углерода (CO) из CO 2 является одним из ключевых направлений в производстве устойчивого химического сырья. Это промышленно ценный химикат, который обычно производится из метана с образованием различных соотношений смеси CO и водорода, называемого синтетическим газом. Синтез-газ используется в производстве топлива, такого как дизельное топливо и бензин, а также других химических веществ с помощью химии Фишера-Тропша (Ф-Т) с использованием выбранных катализаторов и рабочих условий (Appel, 2013; Costentin et al., 2014; Масел и др., 2014а, 2016а; Лю и др., 2015).

    Производство возобновляемого водорода является еще одной ключевой областью производства возобновляемых источников энергии. Водород используется во многих промышленных процессах и является составной частью концепции «водородной экономики». Это способ хранения и производства возобновляемой энергии, которую можно использовать в качестве топлива для автомобилей и других приложений (Ursua et al., 2012; Министерство энергетики США (DOE), 2018).

    Новые щелочно-стабильные анионные мембраны

    Компания

    Dioxide Materials (DM) разработала группу новых мембран, функционализированных имидазолом, с использованием основной цепи на основе полистирола, которые удивительно стабильны в сильных щелочных растворах (Masel et al. , 2017а,б,в). Эти мембраны теперь доступны исследователям для разработки других технологических приложений. Подробная информация об этих мембранах представлена ​​в следующих разделах.

    Sustainion

    ® Преполимер и анионная мембрана Описание

    Анионообменные мембраны Sustanion ® основаны на дешевом и широко распространенном, но, что более важно, на щелочестойкой полистирольной основе. Синтез полимера и последующее изготовление мембраны подробно описаны в нескольких предыдущих публикациях (Masel et al., 2016б, 2017г; Куц и др., 2017; Лю и др., 2017а; Саджад и др., 2017). Синтез включает двухстадийный процесс (рис. 1) сополимеризации с последующей функционализацией. Мембрана может быть отлита в виде пленки или в виде армированной мембраны с использованием различных армирующих материалов. Затем хлоридная форма мембраны обычно преобразуется в гидроксидную форму с помощью КОН.

    Рисунок 1 . Синтетический путь форполимера при изготовлении анионообменных мембран Sustainion ® .

    Вкратце, сополимер стирола и винилбензилхлорида получают методом свободнорадикальной аддитивной полимеризации. Затем сополимерный продукт промывают и осаждают в этаноле. После этого его фильтруют, сушат и последовательно функционализируют 1,2,4,5-тетраметилимидазолом в растворителе Dowanol ® PM (1-метокси-2-пропанол). Дивинилбензол также добавляется в качестве сшивающего агента для повышения прочности мембраны. Затем отлитую мембрану активируют в течение 8–16 часов в 1 М растворе гидроксида калия для преобразования в гидроксидную форму.

    Расширение производства мембран

    Процесс синтеза иономера, показанный на рис. 1, был расширен до реакторов промышленного размера и переведен в пилотную установку для нанесения покрытий промышленного размера для производства мембран. Производственный цикл мембраны обычно производит от нескольких сотен до тысячи футов мембраны шириной около 24 см. Окончательная ширина и общий метраж мембраны могут быть изменены в соответствии с требованиями заказчика.

    Свойства анионной мембраны

    Анионообменные мембраны обычно поставляются в сухой хлоридной форме на полиэтилентерефталатной (ПЭТ) подкладке.Следовательно, они должны быть преобразованы в форму гидроксида путем воздействия на них сильного основания. DM рекомендует замачивать мембрану в большой ванне с 1 М KOH на 24–48 ч, чтобы преобразовать хлоридную форму мембраны в гидроксидную. Эта активация также помогает укрепить мембрану за счет перекрестного связывания с КОН, как было установлено в недавнем исследовании ядерно-магнитной спектроскопии (ЯМР) (Pellerite et al., 2017). Кроме того, в ходе этого процесса мембрана набухает и отделяется от ПЭТ-вкладыша, который выбрасывается.

    Мембрана имеет ионообменную емкость (IEC) ~1,1 ммоль/г, рассчитанную с помощью стандартного метода обратного титрования (Vengatesan et al., 2015). Еще более впечатляющим является удельное сопротивление (ASR) мембраны. Таблица 1 показывает, что измеренное нормализованное сопротивление для Sustanion ® 37–50 в тех же щелочных условиях более чем на порядок ниже, чем у других коммерчески доступных мембран. Анионообменная мембрана продемонстрировала превосходные рабочие характеристики при многократном запуске ячейки продолжительностью 1000–3000 часов и более при тестировании электрохимической ячейки в широком диапазоне pH, как показано в опубликованных экспериментальных данных по электролизу углекислого газа и щелочной воды (Masel et al., 2016б; Куц и др., 2017; Лю и др., 2017a,b; Саджад и др., 2017). Некоторые из последних результатов выделены в последующих разделах этой статьи.

    Таблица 1 . Измерение удельного сопротивления площади (ASR) Sustanion ® 37-50 и других коммерческих ионообменных мембран в 1M KOH при 60°C.

    Анионообменные мембраны Sustainion ® претерпевают умеренное набухание, около 5 % в поперечном направлении и около 50 % по толщине при преобразовании в гидроксидную форму с использованием 1M KOH.Это набухание мембраны или высокое поглощение воды (~ 80%) объясняет значения измерения низкого удельного сопротивления (ASR) (т. Е. Высокой ионной проводимости), поскольку поглощение воды кажется важным механизмом транспорта гидроксид-ионов. Признавая потребность в более стабильных по размерам и прочных мембранах, DM теперь также производит более прочные усиленные версии анионообменных мембран Sustanion ® , подходящие для использования в больших электролизёрах и более требовательных электрохимических устройствах.Армирующая основа делает эти мембраны прочнее как во влажном, так и в сухом состоянии.

    Электрохимическая конверсия CO

    2 в муравьиную кислоту

    Многочисленные исследователи за последние 30 лет изучали эффективность различных катализаторов в процессе электрохимического восстановления превращения CO 2 в формиат/муравьиную кислоту. В различных статьях содержатся превосходные сводные обзоры предыдущих экспериментальных работ (Jitaru, 2007; Rosen et al., 2011; Lu et al., 2014; Qiao et al., 2014; Плетчер, 2015; Du, 2017) и далее здесь описываться не будет. Совсем недавно ряд исследователей сделали еще один шаг вперед, проведя и опубликовав исследования, в которых были представлены данные о характеристиках полной электрохимической конверсии клеток CO 2 при производстве формиата/муравьиной кислоты (Mahmood et al., 1987; Li and Oloman, 2005, 2006, 2007; Oloman and Li, 2008; Whipple et al., 2010; Agarwal et al., 2011; Alvarez-Guerra et al., 2012, 2014; Kopljar ​​et al., 2014; White et al., 2014; Du и др., 2016; Сен и др., 2016).

    DM удалось успешно произвести высокие концентрации чистой муравьиной кислоты непосредственно в электрохимической ячейке в результате электрохимического восстановления CO 2 (Kaczur et al., 2017; Yang et al., 2017a,b). Это снижает потребность в кислотной конверсии продуктов на основе формиата щелочного металла (например, формиата калия), которые обычно производятся с использованием этих альтернативных конфигураций электрохимической ячейки и процесса.

    Конструкция ячейки для муравьиной кислоты (FA)

    Конфигурация электрохимической ячейки DM для муравьиной кислоты основана на трехкамерной конструкции, состоящей из анодного отделения, центрального проточного отделения, содержащего катионно-ионообменную среду, где продукт муравьиной кислоты собирается и удаляется из ячейки, и катодного отделения, где происходит электрохимическое восстановление CO 2 до ионов формиата (Kaczur et al. , 2017; Ян и др., 2017a,b).

    Общая конфигурация электрохимической ячейки с муравьиной кислотой показана на рисунке 2А. В анодном отсеке используется титановый анод с покрытием из MMO (смешанного оксида металла), в котором деионизированная вода подвергается электролизу с образованием ионов кислорода и водорода (H + ). Катионионообменная мембрана, примыкающая к анодному отделению, используется для блокировки переноса анионов формиата к аноду, где они окисляются до CO 2 . Образовавшиеся ионы водорода проходят через катионообменную мембрану в центральную проточную камеру.Катионитовая мембрана предпочтительной конструкции представляет собой мембрану типа перфторированной сульфоновой кислоты, которая одновременно устойчива к окислению и эффективно блокирует транспорт анионов формиата. В анолите используется анолит деионизированной воды, поскольку анодная мембрана имеет контактную схему с нулевым зазором.

    Рисунок 2 . Конфигурация электрохимической трехсекционной ячейки для муравьиной кислоты показана в (A) . Экспериментальная операционная система ячейки с муравьиной кислотой и краткое описание производительности показаны в (B) .

    В катодном отсеке CO 2 эффективно восстанавливается при низких перенапряжениях до формиата с использованием комбинации покрытия из наночастиц олова и иономерного катализатора на основе имидазола в структуре углеродного ГДЭ (газодиффузионного электрода). Образовавшиеся ионы формиата, а также образующиеся ионы гидроксида и бикарбоната/карбоната затем проходят через примыкающую анионообменную мембрану Sustainion ® в отделение центрального потока.

    В отделении центрального потока используется катионообменная среда для обеспечения проводимости раствора, необходимой для муравьиной кислоты, образующейся в отделении.Ионы формиата, образующиеся в катодном отделении, проходят через прилегающую анионную мембрану Sustainion ® и объединяются с ионами водорода, транспортируемыми через катионообменную мембрану из анодного отделения, с образованием чистой муравьиной кислоты. Деионизированная вода, дозированная в отделение центрального потока, используется для сбора и удаления продукта муравьиной кислоты из отделения. Концентрация муравьиной кислоты зависит от расхода воды на входе в центральное отделение потока и тока рабочей ячейки, образуя конечный продукт муравьиной кислоты в концентрациях, которые могут варьироваться от 2 до 30 мас.% и при высокой фарадеевской эффективности от 85 до 95%.Любые гидроксид-ионы, поступающие в центральную проточную камеру, реагируют с ионами водорода с образованием воды, а любой перенос ионов бикарбоната/карбоната будет реагировать с ионами водорода с образованием CO 2 , выходя с муравьиной кислотой в виде газообразного CO 2 . Используемая в конструкции катионообменная среда Amberlite ® IR120 с водородной формой катионообменной смолы обеспечивает улучшенную ионную проводимость в центральном отсеке потока, поскольку растворы муравьиной кислоты имеют значительно более низкую проводимость. Катионообменная среда обеспечивала более низкое рабочее напряжение ячейки (Yang et al., 2017a).

    Экспериментальная операционная система ячейки муравьиной кислоты

    На рис. 2B показана схема экспериментальной операционной системы ячейки с муравьиной кислотой, а также краткое описание рабочих характеристик ячейки. Концентрация муравьиной кислоты в ячейке составляла от 5 до 30% в зависимости от однократной скорости потока деионизированной воды, подаваемой в центральное отделение. Диапазон рабочих плотностей тока ячейки ТВС составляет от 140 до 200 мА см -2 при соответствующем напряжении ячейки 3.5 и 4,0 вольта при комнатной температуре. Эффективность ячейки Фарадея составляла от 80 до 95% при использовании катионообменной мембраны Nafion ® 324 и анионообменной мембраны Sustainion ® 37-50 в конфигурации ячейки (Yang et al., 2017a).

    Химия клеток муравьиной кислоты

    Ячейка с муравьиной кислотой (FA) имеет сложный набор реакций, которые происходят на аноде, катоде GDE и центральном отделении потока, ограниченном катионообменной мембраной со стороны анода и анионообменной мембраной со стороны катода. .На рис. 3 показаны предлагаемые основные и вторичные реакции, а также транспорт ионов, которые могут происходить во время работы ячейки.

    Рисунок 3 . Конфигурация ячейки DM с 3 отсеками для муравьиной кислоты, показывающая предполагаемые реакции и перенос ионов.

    Основные реакции клеток с муравьиной кислотой

    Электрохимическое восстановление CO 2 происходит в присутствии воды на катоде с образованием ионов формиата (HCOO ) и гидроксида (OH ):

    CO2+h3O+2e-→HCOO-+OH-    (1)

    Одновременно на аноде происходит окисление воды с образованием газообразного кислорода и ионов водорода (H + ).Ионы водорода на самом деле представляют собой катионы гидроксония или оксония (H 3 O + ) в водных растворах, и в этой статье мы используем H + вместо ионов гидроксония.

    2h3O→4H++4e−+O2    (2)

    Ионы формиата и ионы гидроксида мигрируют через анионообменную мембрану в центральную проточную камеру, где они объединяются с ионами водорода, образующимися в анодной камере, проходя через катионную мембрану, с образованием воды и муравьиной кислоты следующим образом:

    H++OH−→h3O    (3) H++HCOO−→HCOOH    (4)
    Побочные реакции клеток с муравьиной кислотой

    Побочные реакции, которые могут происходить на катоде и католите, следующие:

    CO2+h3O+2e−→CO+2OH−    (5) 2h3O+2e−→h3+2OH−    (6) CO2+OH-→HCO3-    (7)

    Анионы бикарбоната (HCO3-), образующиеся в катодном слое, мигрируют через анионообменную мембрану в отделение центрального потока, реагируя с ионами водорода, поступающими в отделение центрального потока из анодного отделения через примыкающую катионную мембрану, с образованием CO 2 :

    H++HCO3−→CO2+h3O    (8)

    Продукт муравьиной кислоты будет потерян, если он пройдет через катионную мембрану в отделение для анолита, окисляясь впоследствии на аноде до CO 2 :

    HCOOH→CO2+2H++2e−    (9)

    Производительность ячейки с муравьиной кислотой

    Ссылка (Yang et al. , 2017a) предоставляет подробную информацию о производительности 3-камерной ячейки для муравьиной кислоты. На рис. 4 показаны рабочие характеристики трехкамерной ячейки 2 длиной 5 см, в которой используется анод из спеченного титанового волокна с покрытием IrO 2 на титановом поле потока, катионная мембрана Nafion ® 324 и катионная мембрана Sustanion. ® 37–50 анионообменная мембрана, работающая при плотности тока 140 мА/см 2 . В таблице 2 представлена ​​подробная информация о конфигурации соты.Ячейка работала в течение примерно 142 ч, производя концентрацию продукта муравьиной кислоты, увеличивающуюся примерно с 8,1 до 9,4 мас.%, и работала с фарадеевским КПД 80 % в начале и 94 % ближе к концу цикла, пока не отключение для проверки. Не было отмечено износа компонентов анода/катода ячейки. Ключом к получению высокой фарадеевской эффективности FA было использование катионной мембраны Nafion ® 324, которая сводила к минимуму перенос ионов формиата/муравьиной кислоты в отделение для анолита.

    Рисунок 4 . Данные о производительности ячейки с муравьиной кислотой для конфигурации ячейки, приведенной в таблице 2, с использованием анода из титанового спеченного волокна с покрытием IrO 2 , катионной мембраны Nafion ® 324 и анионообменной мембраны Sustanion ® 37-50.

    Таблица 2 . Ячейка с муравьиной кислотой 142 ч. Конфигурация электролизера увеличенного цикла.

    Расчетное расчетное энергопотребление ячейки для муравьиной кислоты находится в диапазоне 4.3–4,7 постоянного тока кВтч/кг ТВС при данных условиях эксплуатации. Это соответствует эксплуатационным расходам на электроэнергию в размере 214–232 долл. США на тонну ТВС при стоимости электроэнергии 0,05 долл. США/кВтч.

    Будущее масштабирование и применение муравьиной кислоты

    Мировой рынок муравьиной кислоты и маршрут коммерческого химического производства, а также применение некоторых продуктов показаны на рисунке 5А.

    Рисунок 5 . Мировой рынок муравьиной кислоты (2013 г.), показывающий текущий химический коммерческий технологический процесс путем карбонилирования метанола и некоторые новые применения FA, показан в (A) .Устойчивый путь получения муравьиной кислоты с использованием возобновляемых источников энергии и производства продуктов различных категорий показан в (B) .

    Устойчивый способ производства муравьиной кислоты из возобновляемых источников энергии показан на рисунке 5B. Различные применения продукта FA включают силос/пищевые продукты, химикаты, хранение энергии и топливо. Использование муравьиной кислоты в качестве сырья в биологических реакторах, заменяющих сахар и/или сельскохозяйственное зерно, является еще одним многообещающим направлением получения сырья.

    DM в настоящее время работает с промышленными партнерами над расширением технологии электрохимической муравьиной кислоты.

    Электрохимический CO

    2 Электролиз: преобразование CO 2 в CO

    За последние 20 лет возрос интерес к разработке технологических методов преобразования CO 2 в коммерчески полезный и ценный продукт, такой как CO. CO в сочетании с водородом является основой процесса Фишера-Тропша (Ф-Т), который позволяет производить самые разные виды топлива и химикатов.Одной из важных областей исследований является использование электрохимической обработки для преобразования CO 2 в CO. Некоторые исследования в этой области были обобщены в нескольких обзорных статьях (Appel, 2013; Costentin et al., 2014; Masel et al. , 2014а, 2016б).

    Разработка технологии электролизера CO 2 на основе DM для эффективного производства CO с высокой селективностью основана на трех технологических усовершенствованиях. Это:

    • Разработка катодной структуры ГДЭ, включающей иономер на основе имидазола в качестве сокатализатора с наночастицами Ag, снижающий потенциал на катоде для реакции восстановления СО 2 до СО.

    • Разработка анионной мембраны с высокой проводимостью и щелочеустойчивостью (мембрана Sustainion ® ), которая может проводить OH и ионы бикарбоната/карбоната.

    • Разработка анодной структуры ГДЭ, включающей катализатор наночастиц IrO 2 , который стабилен в течение более 3000 часов работы.

    Все эти разработки помогли создать электрохимическую технологию CO 2 , которая может одновременно работать при высокой плотности тока, высокой селективности по CO и низком потенциале ячейки.Большая часть последних работ по технологии электролиза CO 2 обобщена в различных статьях и патентах (Masel et al., 2014b, 2015; 2016c Masel and Rosen, 2014; Masel and Chen, 2015). Некоторые аспекты конструкции электролизера CO 2 , усовершенствования технологии и рабочие характеристики описаны в следующих нескольких разделах.

    CO

    2 Конструкция электролизера

    Базовая конфигурация электролизера DM CO 2 показана на рисунке 6A.В конструкции ячейки используется титановый змеевидный анодный токосъемник и змеевидный катодный токосъемник из графита или нержавеющей стали 316L. В аноде GDE используется катализатор на основе наночастиц IrO 2 на подложке из копировальной бумаги. В катоде GDE используются наночастицы Ag с комбинацией иономерных катализаторов на основе имидазола Sustainion ® на подложке из углеродной бумаги, которая подавляет образование водорода на катоде, таким образом обеспечивая очень высокую селективность от 95 до 99% CO 2 до CO .

    Рисунок 6 . Конфигурация электрохимической ячейки DM CO 2 показана на (A) . Предлагаемая электрохимическая внутренняя химия ячейки CO 2 , показывающая основные реакции и пути потока ионных частиц, показана в (B) .

    CO

    2 Химия клеток

    На рис. 6В показаны основные сложные пути ионных потоков в электрохимической ячейке CO 2 . Ячейка CO 2 работает с использованием разбавленного анолита 10 мМ раствора бикарбоната калия и потока увлажненного газового католита CO 2 . Высокие концентрации анолита KHCO 3 могут привести к осаждению солей калия в катодном ГДЭ, что приведет к закупорке газового потока CO 2 в катодном змеевиковом канале.

    CO
    2 Катодные реакции ячейки

    Ниже представлены предлагаемые катодные реакции в ячейке CO 2 . CO 2 восстанавливается до CO на катализаторе из наночастиц Ag, а образовавшиеся гидроксид-ионы переносятся через анионообменную мембрану или реагируют с CO 2 с образованием карбонатных/бикарбонатных анионов, которые также проходят через анионообменную мембрану.

    а. CO 2 реакция восстановления на катализаторе из наночастиц Ag с образованием CO и ионов гидроксида:

    CO2+h3O+2e−→CO+2OH−−0,52 В по сравнению с SHE @pH7    (5)

    б. CO 2 реакция с гидроксид-ионами с образованием карбонат-анионов:

    CO2+2OH−→CO3−2+h3O    (10)

    в. CO 2 реакция с ионами гидроксида с образованием анионов бикарбоната:

    CO2+OH-→HCO3-    (11)

    д. Дальнейшая реакция ионов карбоната с CO 2 с образованием анионов бикарбоната:

    CO3-2+CO2+h3O→2HCO3-    (12)

    эл.Побочная реакция электролиза восстановления воды с образованием газообразного водорода и ионов гидроксида:

    2h3O+2e−→h3+2OH−    (13)
    CO
    2 Анодные реакции ячейки

    Ниже приведены предлагаемые анодные реакции в ячейке CO 2 . Анодные реакции сложны и могут представлять собой набор смешанных реакций. Вода может подвергаться электролизу на катализаторе окисления IrO 2 с наночастицами с образованием ионов кислорода и водорода с альтернативной возможной анодной реакцией, представляющей собой электролиз ионов гидроксида на катализаторе с образованием кислорода и воды.Присутствие ионов карбоната/бикарбоната в анолите и их превращение в CO 2 обеспечивает сложную буферную функцию объемного раствора в отсеке для анолита.

    а. Электролиз воды на анодном катализаторе с получением ионов кислорода и водорода при pH 7 и pH 0:

    2h3O→O2+4H++4e-  0,815 В vs SHE @ pH 7    (11) 2h3O→O2+4H++4e−  1,23 В vs SHE @ pH 0    (13)

    б. Электролиз гидроксид-ионов на анодном катализаторе с образованием кислорода и электронов:

    4OH-→O2+2h3O+2e- 0,40 В по сравнению с SHE @ pH    (14)

    в.Разложение бикарбоната ионами водорода с образованием CO 2 и воды:

    HCO3−+H+→CO2+h3O    (14)

    д. Разложение карбоната ионами водорода с образованием CO 2 и воды:

    CO3−2+2H+→CO2+h3O    (15)

    эл. Ионы гидроксида, реагирующие с ионами водорода с образованием воды:

    H++OH−→h3O    (16)
    Общий CO
    2 Клеточные реакции — определение того, являются ли бикарбонаты и карбонаты преобладающими видами мобильных переносчиков ионного тока

    Предполагается, что транспорт комплексных ионов в ячейке CO 2 в основном состоит из бикарбонатных и карбонатных анионов в качестве преобладающих носителей тока, а также любых анионов гидроксида, которые не прореагировали с газом CO 2 в католитных реакциях в GDE. катод.Экспериментальные исследования соотношения транспорта этих форм анионов в клетке и через мембрану еще полностью не исследованы. Испытания ячейки DM 250 см 2 в LanzaTech (Скоки, Иллинойс) предоставили важные данные о составе анолитного газа ячейки с помощью ГХ. В таблице 3 показаны некоторые потенциальные реакции, основанные на переносе (A) бикарбоната или (B) карбонат-аниона соответственно в клетку. Суммарная анодная реакция (17) в таблице 3A предполагает, что состав анодного газа должен иметь отношение CO 2 к O 2 4:1 или состав газа, состоящий из 80% CO 2 и 20% O 2 , если бикарбонат был единственным переносчиком анионного тока в клетке.В качестве альтернативы, суммарная анодная реакция (20) в таблице 3B будет предсказывать соотношение 2:1 CO 2 к O 2 или состав газа, состоящий из 67% CO 2 и 33% O 2 , если карбонат был единственный носитель анионного тока в клетке.

    Таблица 3 . Краткое изложение реакций с использованием бикарбоната (A) или карбоната (B) в качестве выбранного подвижного аниона через анионную мембрану в ячейке CO 2 .

    Измерения

    DM состава анодного газа ячейки в прошлом показали изменчивость содержания CO 2 в диапазоне от 30 до 60% в зависимости от условий работы ячейки.Один из комплектов газового анализа для газовой хроматографии с рабочей ячейкой 250 см 2 CO 2 в LanzaTech показал следующий состав газа:

    Ячейка CO 2 обычно имеет pH основного анолита около 6,0 при работе с 10 мМ электролитом KHCO 3 , что эквивалентно смеси угольной кислоты 50:50 (H 2 CO 3 ) и бикарбонат. Эти результаты по газообразному анолиту указывают на то, что ионы карбоната потенциально являются основным носителем заряда, поскольку молярное соотношение газов CO 2 :O 2 составляло примерно 2:1.Таким образом, окончательный ответ на преобладающие ионные носители заряда в ячейке CO 2 потребует дальнейшего изучения.

    CO

    2 Производительность ячейки

    Проведение долгосрочных испытаний любых электрохимических элементов является ключом к определению производительности и стабильности всех компонентов элемента, особенно мембран и катализаторов анод/катод. Здесь мы обсуждаем некоторые долгосрочные характеристики электролизеров DM 5 и 250 см 2 CO 2 .

    5,0 см
    2 CO 2 Cell Long Term Performance

    В программе тестирования ячеек DM CO 2 используются многочисленные ячейки, оценивающие различные составы анионных мембран Sustainion ® , а также конфигурации составов анодов и катодов в течение рабочих периодов до 4000 часов и более, чтобы гарантировать, что желаемая мембрана ячейки и катализатор производительность конфигурации стабильна. Подробности и данные о работе клеток подробно описаны в нескольких статьях (Rosen et al., 2013; Лю и др., 2015 г.; Мазель и Чен, 2015). Пример долговременного испытания ячейки 2 размером 5,0 см в течение 4000 часов показан на рисунке 7А. График поляризации напряжения ячейки для ячейки 2 CO 2 длиной 5 см, работающей при комнатной температуре (24°C), показан на рисунке 7B.

    Рисунок 7 . 5,0 см 2 Данные долгосрочных испытаний ячеек, показывающие стабильную работу в течение 4000 часов, показаны слева в (A) . График поляризации напряжения ячейки для 5.0 см 2 CO 2 ячейка, работающая при комнатной температуре, показана справа в (B) .

    250 см
    2 Дизайн CO 2 Cell Performance

    Ячейка 5,0 см 2 CO 2 была впоследствии увеличена до ячейки, имеющей геометрическую активную площадь 250 см 2 . В дополнение к испытаниям в DM одна ячейка была отправлена ​​в LanzaTech (Скоки, Иллинойс) для сравнительных испытаний. В таблице 4 показаны детали конфигурации ячейки. Ячейка в DM проработала в общей сложности 760 часов, пока не была остановлена ​​для подготовки к дальнейшим испытаниям в LanzaTech.На рис. 8А показаны рабочие характеристики элемента при DM, показывающие стабильный диапазон напряжения 2,9–3,0 В в течение периода испытаний. Рабочая плотность тока ячейки составляла 120 мА/см 2 , при рабочей температуре анолита около 45°C, без необходимости внешнего охлаждения.

    Таблица 4 . 250 см 2 CO 2 детали конфигурации ячейки.

    Рисунок 8 . Производительность элемента 250 см 2 в DM, показывающая стабильную работу под напряжением в течение примерно 760 часов до отключения, показана в (A) .Эксплуатация 250 см 2 CO 2 в LanzaTech показывает анализ состава газа ГХ на выходе католита ячейки в расширенном 90-часовом испытательном цикле, показанном в (B) .

    250 см
    2 CO 2 Тестирование ячеек в LanzaTech

    Эксплуатация ячейки 2 CO 2 длиной 250 см в LanzaTech помогла подтвердить селективность ячейки CO 2 по СО и состав газовых продуктов. На рис. 8В показаны результаты 90-часового тестового прогона. Компания LanzaTech использовала автоматизированный микро-ГХ Agilent Technologies Model 490 с колонкой Mol Sieve 5A (MS5A) для автоматического анализа и мониторинга состава газообразного католита в ячейке с течением времени. Выбросы — это случайные всплески анализа в анализе GC. Селективность ячейки по CO варьировалась от 97,5% (т.е. 1% содержания H 2 ) до приблизительно 99% (0,38% содержания H 2 ).

    250 см
    2 CO 2 Cell Operating System

    На рис. 9а показана конфигурация экспериментальной испытательной системы с ячейками 250 см 2 CO 2 .На рисунках 9b,c показан элемент Fuel Cell Technologies, который был модифицирован для использования в конструкции элемента DM 250 см 2 CO 2 . На левой фотографии Рис. 9b показана вся ячейка, а на правой фотографии Рис. 9c показана конструкция поля потока анода из титанового змеевика, которая была изготовлена ​​для этой ячейки. Газ СО 2 измеряли с помощью регулятора расхода газа СО 2 и барботировали через заполненный водой резервуар увлажнителя газа. Увлажненный газ CO 2 поступает в верхнюю часть катода ячейки CO 2 и выходит снизу в виде обедненного газового потока CO 2 , содержащего продукт CO и небольшое количество побочного продукта H 2 .Избыток конденсированной воды собирается и отделяется от продукта газового потока. Типичным газообразным продуктом из ячейки CO 2 был в основном CO с небольшим количеством побочного продукта H 2 и работающий со стехиометрическим избытком CO 2 . Селективность ячейки по CO колебалась от 95 до 99% в зависимости от подаваемой плотности тока и количества избытка CO 2 по сравнению со стехиометрическим, используемым в подаче католитного газа, как показано на рисунке 8. Анолитная петля состоит из 10 мМ KHCO 3 Электролит , имеющий электропроводность около 1.0 мСм, который прокачивали через анод ячейки ГДЭ при выбранных скоростях потока. Теплообменник использовали для регулирования температуры контура анолита путем управления потоком охлаждающей воды. Контроллер проводимости использовали для управления добавлением концентрированного раствора KHCO 3 в контур анолита по мере необходимости для поддержания проводимости анолита.

    Рисунок 9 . Схема экспериментальной испытательной системы с ячейками 2 CO 2 длиной 250 см показана в (a) .Модифицированный электролизер DM 250 см 2 CO 2 , как показано на (b) слева. В конструкции использовалась конструкция проточного поля титанового змеевидного анода, как показано в (c) .

    CO

    2 Процесс масштабирования ячеек

    Работа над масштабированием ячейки DM CO 2 продолжается с другими партнерами. В дополнение к масштабированию ведутся разработки по поиску подходящих стабильных замен катализаторов из недрагоценных металлов для наночастиц IrO 2 , используемых в конструкции анодного GDE.

    Оценка технологического энергопотребления ячейки CO 2 с использованием данных ячейки 250 см 2 при 2,95 В при 30 А (120 мА/см 2 ) с селективностью по CO 98% была рассчитана как 5,8 постоянного тока. кВтч/кг CO при 45°C.

    Электролиз щелочной воды

    Электролиз щелочной воды признан зрелой технологией, надежной и безопасной, при этом срок службы электролизеров достигает 15 лет. Их самым большим преимуществом является то, что они используют многочисленные электродные катализаторы из неблагородных металлов.В традиционной конструкции электролизера щелочной воды обычно используется сепаратор диафрагменного типа. Для сепаратора обычно требуется, чтобы расстояние между электродами анода и катода составляло примерно 2–3 мм, чтобы предотвратить пересечение газа, таким образом ограничивая плотность рабочего тока примерно до 200 мА/см 2 для работы при приемлемом рабочем напряжении. и соответствующая общая энергоэффективность. Чтобы увеличить плотность тока при сохранении такой же или более высокой энергоэффективности, следующим технологическим шагом будет разработка стабильных щелочно-стабильных анионообменных мембран, которые позволили бы создавать настоящие электролизеры воды с нулевым зазором. Компания DM разработала технологию электролизера щелочной воды, основанную на разработке стабильной анионообменной мембраны. Работа по развитию обобщена в различных опубликованных статьях и патентах (Pletcher and Li, 2011; Deavin et al., 2012; Appel, 2013; Rosen et al., 2013; Masel et al., 2016b; Kutz et al., 2017; Лю и др., 2017a,b).

    Конструкция ячейки электролизера щелочной воды DM

    Разработка щелочестойкой анионообменной мембраны Sustainion ® позволила разработать электролизеры CO 2 с нулевой щелью, которые фактически могут улучшить плотность тока на порядок при том же или более низком напряжении элемента по сравнению с современные диафрагменные электролизеры щелочной воды.Чтобы протестировать анионообменную мембрану Sustainion ® в конфигурации водного электролизера, было принято решение использовать аналогичную конструкцию ячейки, рис. предпочтительные поля потока из чистого никеля 200 как в конструкции катода, так и в конструкции анода.

    Химия ячейки щелочного электролиза

    Ячейка щелочного водного электролиза работает с использованием 1 М раствора электролита KOH при температуре от окружающей среды до 60°C.Работа при 60°C обеспечивает самое низкое рабочее напряжение ячейки с использованием современных анионообменных мембран Sustainion ® для разделения анодных и катодных реакций.

    Реакции электродов ячейки для щелочного электролиза

    Мембраны Sustainion ® , приготовленные в форме хлорида (Cl ), необходимо преобразовать в форму гидроксида (OH ). Это делается путем замачивания в 1 М KOH в течение не менее 12 часов. В присутствии электролита КОН и катод, и анод работают при локальном рН, близком к 14.На катоде в реакции выделения водорода (HER) в качестве донора протонов используется вода с образованием водорода и OH (уравнение 6). Ионы OH переносятся от катода к аноду и рекомбинируют на аноде с образованием O 2 и электронов (уравнение 14). Суммарная реакция представлена ​​уравнением 21.

    4h3O+4e−→2h3+4OH−   Ec0=0,826 V vs SHE    (6) 4OH−→O2+2h3O+4e−   Ea0=−0,404 V vs SHE    (14) 2h3O→2h3+O2  E0=1,23 В    (21)

    Лабораторная система электролиза щелочной воды

    На рис. 10А показана общая схема экспериментальной операционной системы электролиза щелочной воды DM 5 см 2 .В нижнюю часть отсеков анолита и католита электрохимической ячейки отдельно подается перекачиваемый поток 1 М КОН из общего резервуара с раствором 1 М КОН для отвода газов. Потоки растворов/газопродуктов из отделений анолита и католита по отдельности направляются в отдельные газоотделительные секции O 2 и H 2 газоразделительного блока газожидкостного разделителя. Газообразные продукты O 2 и H 2 отводятся из разъединителя отдельно. В одной конструкции ячейки DM используются силиконовые гибкие ленточные нагревательные пластины, установленные на внешних пластинах анода и катода, для подачи тепла для работы ячейки при температуре 60°C. Температура ячейки регулируется с помощью ПИД-регулятора температуры с помощью термопары, установленной на корпусе анода или катода ячейки.

    Рисунок 10 . Экспериментальная испытательная система электролиза щелочной воды для испытательных ячеек 5 см 2 показана в (A) . Типичная циклическая вольтамперограмма электролизера щелочной воды с анионообменной мембраной Sustainion ® , основанной на функционализации 1-метилимидазолом, показана в (B) , а соответствующая циклическая вольтамперограмма показана в (C) .Использовали Pt-катод и IrO 2 анод, и ячейка работала в 1M KOH при 60°C.

    Производительность ячейки для электролиза щелочной воды

    На рис. 10В показана типичная циклическая вольтамперограмма щелочного водного электролизера с анионообменной мембраной Sustainion ® , основанной на функционализации 1-метилимидазолом. В качестве катода и анода использовали Pt и IrO 2 черный соответственно. Начальный потенциал для электролиза воды с анионообменной мембраной начинался с 1.42 В, а ток быстро увеличивался при плотности тока 0,52 А/см 2 (максимальный ток потенциостата) составлял 1,74 В. Длительное испытание проводилось при постоянном токе 0,8 А/см 2 с использованием источник питания, и результаты показаны на рисунке 10C. Напряжение на ячейке достигало 2 В за 5 мин и постепенно повышалось до 2,3 В за 80 мин. Затем напряжение на ячейке быстро увеличивалось и менее чем за 120 мин достигло напряжения отсечки 3,5 В. Эти результаты показали, что мембрана на основе 1-метилимидазола работает в электролизере со щелочной водой, но не является стабильной в 1 М КОН.Это произошло из-за того, что три молекулы активного водорода в имидазольном кольце атакуются гидроксильными радикалами (·ОН) в 1 М КОН, особенно при более высоких температурах.

    Для повышения стабильности анионообменной мембраны вместо 1-метилимидазола на стирольный остов был привит тетраметилимидазол. Эта мембрана получила название Sustainion ® 37–50. На рис. 10C показаны поляризационные кривые ячейки с мембраной Sustainion ® 37–50, работающей в 1 М KOH при 60°C.Ячейка с катодом Pt и анодом IrO 2 достигла плотности тока 1 и 3 А/см 2 при 1,62 и 1,77 В соответственно. Для сравнения, ячейка с катодом NiFeCo и анодом NiFeOx достигла 1 и 3 А/см 2 при 1,90 и 2,13 В соответственно. Ячейка с электродами из неблагородного металла/оксида металла и анионообменными мембранами Sustainion ® 37–50 достигла в 5 раз большей плотности тока при 1,90 В, чем плотность тока (200 мА/см 2 при 2,0 В) промышленной щелочной воды. электролиз с диафрагмами в качестве сепаратора.

    Затем нужно было ответить на два вопроса. Обладает ли анионообменная мембрана Sustainion ® долговременной стабильностью KOH и как долго она может сохранять свои характеристики? На рис. 11А сравнивается производительность ячейки анионообменной мембраны Sustainion ® 37–50 с коммерческой анионообменной мембраной Fumatech FAS-50 в идентичных ячейках для электролиза воды DM, работающих при постоянной плотности тока 1 А/см 2 в 1 М КОН при 60°С. Результаты показывают, что мембранная ячейка Sustanion ® , работающая при 1 А/см 2 в течение почти 2000 часов, имела скорость увеличения напряжения ячейки всего 5 мкВ/ч.Это указывает на то, что анионообменная мембрана Sustainion ® 37–50, функционализированная 1,2,4,5-тетраметилимидазолом, химически очень стабильна в КОН по сравнению с мембраной, функционализированной 1-метилимидазолом. Это также подтвердило, что нестабильность мембраны, функционализированной 1-метилимидазолом, была обусловлена ​​активным водородом в кольце. Анионообменная мембрана Fumasep FAS-50 ® показала значительное увеличение напряжения ячейки на 200 мкВ/ч с течением времени и показала высокий ток утечки ячейки, равный 0.2 А/см 2 в точке 200 ч, а затем был остановлен.

    Рисунок 11 . Напряжение в ячейке как функция времени сравнения в ячейках, оценивающих анионообменную мембрану Sustainion ® 37-50 и анионообменную мембрану Fumatech Fumasep ® FAS-50 в 1M KOH при 60°C, показано в (A) . Ток ячейки щелочного электролиза при приложенном напряжении 2 В для различных мембран в 1М KOH при 60°C показан в (B) . Поляризационные кривые той же ячейки, сравнивающие электродные катализаторы из драгоценных металлов (Pt/IrO 2 ) с электродными катализаторами из неблагородных металлов (NiFeCo/NiFe) в 1M KOH при 60°C с использованием анионообменной мембраны Sustainion ® 37-50 показан в (C) .

    На рис. 11В показан ток ячейки щелочного электролиза при приложенном потенциале 2 В при оценке характеристик различных коммерческих мембран с использованием катода, покрытого катализатором NiFeCo, и анода, покрытого катализатором NiFeOx, работающих в 1 М KOH при 60°C. Анионообменная мембрана Sustainion ® показала самый высокий ток ячейки при приложенном напряжении. Это сопоставимо с данными измерений мембраны ASR, показанными в таблице 1.

    На рис. 11C показаны поляризационные кривые той же ячейки для сравнения электродных катализаторов из драгоценных металлов (Pt на катоде/IrO 2 на аноде) и электродных катализаторов из неблагородных металлов (NiFe на аноде/NiFeCo на катоде) с использованием Sustainion ® 37– 50 анионообменная мембрана в 1 М КОН при 60°С. При плотности тока 1 А/см 2 ячейка с катализаторами из драгоценных металлов работала при напряжении ячейки 1,63 В, а ячейка с катализаторами из неблагородных металлов – при 1,9 В. Капитальные затраты ячейки щелочного электролиза (капитальные затраты) и OPEX (эксплуатационные расходы), которые должны включать доступность/стоимость как Ir, так и Pt катализаторов в крупномасштабных установках по всему миру, затем становятся важными переменными при принятии решения об установке этих систем.

    Увеличенная ячейка для электролиза щелочной воды

    Электролизные электролизеры промышленной щелочной воды с геометрической площадью электродов от нескольких сотен см 2 до нескольких м 2 .В настоящее время DM расширяет конструкцию щелочного электролизера с нулевым зазором с 5 см 2 до более крупных элементов 100–600 см 2 . При эксплуатации этих более крупных электролизеров на щелочной воде при высокой плотности тока 1 А/см 2 или более решающее значение имеет управление как водой, так и теплом. Основываясь на расчетах энергии и массы, при работе ячейки 2 размером 100 см при 1 А/см 2 и 1,90 В потребление воды составит около 806 мл в день с выделением около 67 Вт отработанного тепла, которое должно удалить.С отходящим теплом для одного элемента можно справиться с помощью воздушного охлаждения, но для большого пакета элементов потребуется система рециркуляции охлаждающей воды с теплообменником. Для поддержания концентрации и объема жидкого электролита KOH в системе потребуется система подпитки деионизированной водой.

    Расчетная потребляемая мощность электролизера щелочной воды, работающего при 1 А/см 2 при 1,90 В, составила 50,5 кВт·ч постоянного тока/кг H 2 . Энергопотребление электролизера будет ниже при более низких плотностях рабочего тока, но капитальные затраты на ячейки электролизера будут значительно выше.Все эти факторы необходимо учитывать при сравнении энергопотребления электролизера H 2 с целевыми показателями Министерства энергетики США по электрохимическому водороду, которые имеют энергоэффективность дымовой трубы 43 кВтч/кг и нормированную стоимость водорода 2 доллара США на 2020 год (Министерство энергетики США (DOE). ), 2018).

    Резюме

    Электрохимическая технология преобразования CO 2 в различные продукты, такие как муравьиная кислота и CO, а также водород, с использованием электролизеров с щелочной водой продвигается к коммерциализации с разработкой новых анионообменных мембран Dioxide Materials Sustainion ® .Эти мембраны обладают высокой проводимостью и превосходной стабильностью в сильнощелочных растворах при температурах до 60°C. Электрохимические системы, в которых используются эти новые мембраны, демонстрируют хорошую стабильность в долгосрочных лабораторных испытаниях в течение тысяч часов работы. Эти анионообменные мембраны все еще находятся на стадии разработки, и ведутся работы по улучшению механических свойств и свойств ионной проводимости мембран.

    Дальнейшая работа будет сосредоточена на усовершенствовании этих анионообменных мембран, а также на разработке улучшенных катализаторов, которые повысят производительность всех этих электрохимических технологий.

    Вклад авторов

    JK, HY, ZL, SS и RM внесли свой вклад в содержание этой статьи. JK, HY и SS работали над разработкой технологии муравьиной кислоты. ZL, SS, RM и JK работали над технологией электролиза щелочной воды. Компании SS, ZL и RM работали над разработкой анионообменной мембраны Sustainion ® . ZL, HY и RM работали над разработкой технологии электролиза CO 2 . Все они внесли свой вклад в содержание и редактирование этой статьи.

    Заявление о конфликте интересов

    Авторы представили несколько патентов на мембраны и конструкции, раскрытые здесь, включая US 9,370,773, US 9,481,939, US 9,580,824, и патентные заявки США 15/400,775, 15/406,909, 15/411,831. Все авторы являются сотрудниками Dioxide Materials и имеют финансовую заинтересованность в этих патентах. Dioxide Materials предлагает все наши исследовательские материалы (мембраны, катализаторы и т. д.) для продажи другим исследовательским группам, чтобы они могли воспроизвести результаты и развить их.

    Благодарности

    Часть этой работы была поддержана Министерством энергетики по контракту DE-SC0004453, а также частично ARPA-E по контракту DE-AR0000684 и компанией 3M. Приведенные здесь мнения принадлежат авторам и могут не совпадать с мнением DOE или 3M. Мы с благодарностью признательны за помощь коллегам, сотрудникам и друзьям DM из 3M. Кроме того, особая признательность за поддержку со стороны LanzaTech, в частности Шона Симпсона (CSO и основатель), Кристофа Михальчи (директор по ферментации), Брюса Ли (старшийДев. инженер) и Ник Бурдакос (старший инженер по ферментации) за предоставление нам своих ценных экспериментальных рабочих данных о ячейке DM CO 2 .

    Ссылки

    Агарвал А.С., Чжай Ю., Хилл Д. и Шридхар Н. (2011). Электрохимическое восстановление диоксида углерода до формиата/муравьиной кислоты: техническое и экономическое обоснование. ChemSusChem 4, 1301–1310. doi: 10.1002/cssc.201100220

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Альварес-Герра, М. , Дель Кастильо, А., и Ирабиен, А. (2014). Непрерывное электрохимическое восстановление диоксида углерода в формиат с использованием оловянного катода: сравнение со свинцовым катодом. Хим. англ. Рез. Дез . 92, 692–701. doi: 10.1016/j.cherd.2013.11.002

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Альварес-Гуэрра, М., Кинтанилья, С., и Ирабиен, А. (2012). Преобразование диоксида углерода в формиат с использованием непрерывного процесса электрохимического восстановления на свинцовом катоде. Хим. англ.Дж. 207, 278–284. doi: 10.1016/j.cej.2012.06.099

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Аппель, А.М., Беркау, Дж.Е., Бокарсли, А.Б., Доббек, Х., Дюбуа, Д.Л., Дюпюи, М., и соавт. (2013). Границы, возможности и проблемы биохимического и химического катализа фиксации CO 2 . Хим. Версия . 113, 6621–6658. дои: 10.1021/cr300463y

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Ареста, М. (2010). Двуокись углерода как химическое сырье .Вайнхайм: Wiley-VCH, 1–13.

    Академия Google

    Ареста, М., и Дибенедетто, А. (2007). Использование CO 2 в качестве химического сырья: возможности и проблемы. Далтон Транс. 28, 2975–2992. дои: 10.1039/b700658f

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Ареста, М., Дибенедетто, А., и Куаранта, Э. (2016). Современное состояние и перспективы каталитического процесса преобразования CO 2 в химикаты и топливо: особый вклад химического катализа и биотехнологии. Катал. Дж . 343, 2–45. doi: 10.1016/j.jcat.2016.04.003

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Девин, О. И., Мерфи, С., Онг, А. Л., Пойнтон, С. Д., Зенг, Р., и Варко, Дж. Р. (2012). Анионообменные мембраны для щелочных полимер-электролитных топливных элементов: сравнение боковых головок бензилтриметиламмония и бензилметилимидазолия. Энергетика Окружающая среда. науч. 5, 8584–8597. дои: 10.1039/C2EE22466F

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Ду, Д., Лан, Р., Хамфис, Дж., и Тао, С. (2017). Прогресс в неорганических катодных катализаторах электрохимического превращения углекислого газа в формиат или муравьиную кислоту. J.Appl. Электрохим. 47, 661–678. doi: 10.1007/s10800-017-1078-x

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Du, D., Lan, R., Humphreys, J., Sengodan, S., Xie, K., Wang, H., et al. (2016). Достижение как высокой селективности, так и плотности тока для восстановления CO 2 до формиата на электрокатализаторах из нанопористой пены олова. Хим. Сел. 1, 1711–1715 гг. doi: 10.1002/slct.201600451

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Халманн, М. М. (1993). Химическая фиксация углекислого газа: методы переработки CO 2 в полезные продукты. Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, 67–127.

    Ху, Б. , Гильд, К., и Суиб, С. Л. (2013). Термическая, электрохимическая и фотохимическая конверсия CO 2 в топливо и продукты с добавленной стоимостью. J. CO 2 Утил. 1, 18–27. doi: 10.1016/j.jcou.2013.03.004

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Качур, Дж. Дж., Ян, Х., Саджад, С. Д., и Мазель, Р. И. (2017). Способ и система электрохимического производства муравьиной кислоты из диоксида углерода , Бока-Ратон, Флорида: заявка на патент США, 2017/0037522.

    Академия Google

    Копляр Д., Инан А., Виндайер П., Вагнер Н. и Клемм Э. (2014). Электрохимическое восстановление CO 2 до формиата при высокой плотности тока с использованием газодиффузионных электродов. J. Appl. Электрохим . 44, 1107–1116. doi: 10.1007/s10800-014-0731-x

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Куц, Р. Б., Чен, К., Ян, Х., Саджад, С. Д., Лю, З., и Масел, И. Р. (2017). Sustainion Полимеры, функционализированные имидазолием, для CO 2 Электролиз. Энергетика . 5, 929–936. doi: 10.1002/ente.201600636

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Ли, Х., и Оломан, К. (2005). Электровосстановление диоксида углерода в реакторе непрерывного действия. J. Appl. Электрохим . 35, 955–965. doi: 10.1007/s10800-005-7173-4

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Ли, Х., и Оломан, К. (2006). Разработка реактора непрерывного действия для электровосстановления диоксида углерода в формиат. часть 1. Переменные процесса. J. Appl. Электрохим . 36, 1105–1115. doi: 10.1007/s10800-006-9194-z

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Ли, Х., и Оломан, К. (2007). Разработка реактора непрерывного действия для электровосстановления диоксида углерода в формиат.Часть 2. Масштабирование. J. Appl. Электрохим. 37, 1107–1117. doi: 10.1007/s10800-007-9371-8

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Liu, Z. , Masel, R.I., Chen, Q., Kutz, R., Yang, H., Lutz, D.R., et al. (2015). Электрохимическое производство синтез-газа из воды и углекислого газа с промышленно важными скоростями. J. CO 2 Util . 15, 50–56. doi: 10.1016/j.jcou.2016.04.011

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Лю, З., Sajjad, S.D., Gao, Y., Yang, H., Kaczur, JJ, and Masel, R.I. (2017a). Влияние мембраны на электролизер щелочной воды. Междунар. J. Hydrogen Energy 42, 29661–29665. doi: 10.1016/j.ijhydene.2017.10.050

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Лю, З., Саджад, С. Д., Гао, Ю., Качур, Дж. Дж., и Мазель, Р. И. (2017b). Электролизер щелочной воды с мембранами Sustainion™: 1 А/см 2 при 1,9 В с катализаторами из неблагородных металлов. ЭКС Транс .77, 71–73. дои: 10.1149/07709.0071ecst

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Лу, X., Леунг, Д.Ю.К., Ван, Х., Леунг, М.К.Х. , и Суан, Дж. (2014). Электрохимическое восстановление углекислого газа до муравьиной кислоты. ХимЭлектроХим 1, 836–849. doi: 10.1002/celc.201300206

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Махмуд, М. Н., Машедер, Д., и Харти, С. Дж. (1987). Применение газодиффузионных электродов для высокоскоростного электрохимического восстановления углекислого газа.I. Восстановление на электродах, импрегнированных свинцом, индием и оловом. J. Appl. Электрохим . 17, 1159–1170. дои: 10.1007/BF01023599

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Мазель, Р. И., и Чен, К. (2015). Преобразование двуокиси углерода в топливо и химикаты. Бока-Ратон, Флорида. Патент США 9 193 593.

    Мазель, Р. И., Чен, К., Лю, З., и Куц, Р. (2017b). Ионопроводящие мембраны. Бока-Ратон, Флорида. Патент США 9 580 824.

    Мазель, Р.И., Чен К., Лю З. и Куц Р. (2017c). Ионопроводящие мембраны. Бока-Ратон, Флорида. Патент США 9 370 773.

    Мазель, Р. И., Чен, К., Лю, З., и Куц, Р. (2016c). Электрохимическое устройство для превращения углекислого газа в продукт реакции . Бока-Ратон, Флорида. Патент США 9 481 939.

    Мазель, Р. И., Лю, З., и Саджад, С. (2016b). Электролизеры с анионообменной мембраной, показывающие 1 А/см 2 при напряжении менее 2 В. ЭКС Транс . 75, 1143–1145.дои: 10.1149/07514.1143ecst

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Мазель Р.И., Ни Р., Лю З., Чен К., Куц Р. и Левински К. (2014a). Раскрытие потенциала преобразования CO 2 в топливо и химикаты как экономически выгодного пути к CCR. Энергия Проц. 63, 7959–7962. doi: 10.1016/j.egypro.2014.11.832

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Мазель, Р. И., Розен, Б. А., и Чжу, В. (2014b). Устройства и процессы для преобразования углекислого газа в полезные виды топлива и химикаты. Бока-Ратон, Флорида. Патент США 9 181 625.

    Мазель Р.И., Саджад С.Д., Гао Ю., Лю З. и Чен К. (2017a). Ионопроводящие мембраны . Бока-Ратон, Флорида. Патент США 9 849 450.

    Мазель, Р.И., Салахи-Хогин, А., и Розен, Б.А. (2015). Катализаторы для электрохимической конверсии углекислого газа. Бока-Ратон, Флорида. Патент США 9 012 345.

    Мазель, Р. И., Шаджад, С. Д., и Пеллерит, М. Дж. (2017d). Способ изготовления анионообменной мембраны .Бока-Ратон, Флорида. Заявка на патент США 2017/0189898.

    Мазель Р., Лю З., Чжао Д., Чен К., Лутц Д. и Неренг Л. (2016a). «CO 2 преобразование в химические вещества с упором на использование возобновляемых источников энергии/ресурсов для стимулирования преобразования», в Коммерциализация биопродуктов: возможности, проблемы, преимущества и риски RSC Green Chemistry, № 43 , под ред. С. Снайдера ( Кембридж: Королевское химическое общество), 215–257. дои: 10.1039/9781782622444-00215

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Мазель, Р. I. и Розен, Б. А. (2014). A Смеси катализаторов . Бока-Ратон, Флорида. Патент США 8 956 990.

    Пеллерит, М., Каплун, М., Хартманн-Томпсон, К., Левински, К.А., Кунц, Н., Грегар, Н., и др. (2017). Полимерные мембраны, функционализированные имидазолием, для топливных элементов и электролизеров. ЭКС Транс . 80, 945–956. дои: 10.1149/08008.0945ecst

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Плетчер, Д. (2015). Катодное восстановление двуокиси углерода — чего реально можно достичь? Мини обзор. Электрохим. коммун. 61, 97–101. doi: 10.1016/j.elecom.2015.10.006

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Плетчер, Д., и Ли, X. (2011). Перспективы щелочных электролизеров воды с нулевым зазором для производства водорода. Междунар. J. Hydrogen Energy 36, 15089–15104. doi: 10.1016/j.ijhydene.2011.08.080

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Цяо Дж., Лю Ю., Хун Ф. и Чжан Дж. (2014). Обзор катализаторов электровосстановления диоксида углерода для получения низкоуглеродистых топлив. Хим. соц. Версия . 43, 631–675. дои: 10.1039/C3CS60323G

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Quadrelli, E.A., Centi, G., Duplan, J.L., и Perathoner, S. (2011). Переработка углекислого газа: новые крупномасштабные технологии с промышленным потенциалом. ChemSusChem 4, 1194–1215. doi: 10.1002/cssc.201100473

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Розен, Б. А., Салехи-Коджин, А., Торсен, М.Р., Чжу, В., Уиппл, П.Дж.А., Кенис, П.Дж.А., и Мазель, Р.И. (2011). Селективное превращение CO 2 в CO при низких перенапряжениях с помощью ионной жидкости. Наука 334, 643–644. doi: 10.1126/science.1209786

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Розен, Б. А., Чжу, В., Каул, Г., Салехи-Ходжин, А., и Масел, Р. И. (2013). Повышение конверсии CO 2 водой на серебре в тетрафторборате 1-этил-3-метилимидазолия. Дж. Электрохим.Соц . 160, h238–h241. дои: 10.1149/2.004303jes

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Саджад С., Гао Ю., Лю З., Ян Х. и Масел Р. (2017). Анионообменные мембраны Tunable-High Performance Sustance™ для электрохимических применений. ЭКС Транс . 77, 1653–1656. дои: 10.1149/07711.1653ecst

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Сен С., Скинн Б., Холл Т., Инман М., Тейлор Э. Дж. и Брашетт Ф. Р. (2016). Импульсное электроосаждение оловянных электрокатализаторов на газодиффузионные слои для восстановления углекислого газа до формиата. MRS Adv. 2, 451–458. doi: 10.1557/adv.2016.652

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Урсуа, А., Гандия, Л.М., и Санчис, П. (2012). Производство водорода электролизом воды: текущее состояние и перспективы. Проц. IEEE 100, 410–426. doi: 10.1109/JPROC.2011.2156750

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Венгатесан С., Санти С., Дживанантам С. и Сожан Г. (2015). Анионообменные мембраны из кватернизированного поли(стирола-со-винилбензилхлорида) для электролизеров щелочной воды. Дж. Поу. Источники 284, 361–368. doi: 10.1016/j.jpowsour.2015.02.118

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Уиппл, Д. Т., и Кенис, П. Дж. А. (2010). Перспективы утилизации СО 2 путем прямого гетерогенного электрохимического восстановления. J. Phys. хим. лат. 1, 3451–3458. дои: 10.1021/jz1012627

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Уиппл, Д. Т., Финке, Э. К., и Кенис, П. Дж. А. (2010). Микрожидкостный реактор для электрохимического восстановления диоксида углерода: влияние p H. Электрохим. Твердотельное письмо. 13, В109–В111. дои: 10.1149/1.3456590

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Уайт, Дж. Л., Херб, Дж. Т., Качур, Дж. Дж., Майстрик, П. В., и Бокарсли, А. Б. (2014). Фотоны в форму: эффективное электрохимическое преобразование солнечной энергии за счет восстановления углекислого газа. J. CO 2 Util . 7, 1–5. doi: 10.1016/j.jcou.2014.05.002

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Ян Х., Качур Дж.Дж., Саджад С.Д. и Масел Р.И. (2017a). Электрохимическая конверсия CO 2 в муравьиную кислоту с использованием мембран Sustance®. J. CO 2 Util . 20, 208–217. doi: 10.1016/j.jcou.2017.04.011

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Ян, Х., Качур, Дж., Саджад, С.Д., и Масел, Р.И. (2017b). CO 2 Преобразование в муравьиную кислоту в трехкамерной ячейке с мембранами Sustainment™. ЭКС Транс . 77, 1425–1431. дои: 10.1149/07711.1425ecst

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.