elettroliti

elettroliti

Gli elettroliti sono sostanze le cui soluzioni o fusioni conducono una corrente elettrica. Gli elettroliti comprendono acidi, basi e sali. Le sostanze che non conducono corrente elettrica in uno stato disciolto o fuso sono chiamate non elettroliti. Questi includono molte sostanze organiche, ad esempio zuccheri, alcoli , ecc. La capacità delle soluzioni elettrolitiche di condurre la corrente elettrica è spiegata dal fatto che le molecole di elettroliti si dissolvono in ioni di particelle caricati elettricamente e negativamente. L'entità della carica ionica è numericamente uguale alla valenza dell'atomo o del gruppo di atomi che formano lo ione. Gli ioni differiscono dagli atomi e dalle molecole non solo per la presenza di cariche elettriche, ma anche da altre proprietà, ad esempio gli ioni di cloro non hanno odore, colore o altre proprietà delle molecole di cloro. Gli ioni caricati positivamente sono chiamati anioni caricati negativamente. I cationi formano atomi di idrogeno di H + , metalli: K + , Na + , Ca 2+ , Fe 3+ e determinati gruppi di atomi, ad esempio il gruppo di ammonio NH + 4 ; gli anioni formano atomi e gruppi di atomi che sono residui acidi, per esempio, Cl - , NO - 3 , SO 2 4 , CO 2 3 .

Il decadimento delle molecole di elettroliti in ioni è chiamato dissociazione elettrolitica, o ionizzazione, ed è un processo reversibile, cioè, si verifica uno stato di equilibrio nella soluzione, in cui molte molecole di elettroliti si rompono in ioni, quindi molte di esse sono nuovamente formate da ioni. La dissociazione degli elettroliti in ioni può essere rappresentata dall'equazione generale: , dove KmAn è una molecola indissociata, K z + 1 è un catione che trasporta cariche positive z 1 , e z 2 è un anione avente cariche negative z 2 , m e n sono il numero di cationi e anioni formati sulla dissociazione di una molecola di elettrolita. Ad esempio, .

Il numero di ioni positivi e negativi nella soluzione può essere diverso, ma la carica totale dei cationi è sempre uguale alla carica totale degli anioni, quindi la soluzione nel suo insieme è elettricamente neutra.

Forti elettroliti si dissociano quasi completamente in ioni a qualsiasi concentrazione di essi in soluzione. Questi includono acidi forti (vedi), basi forti e quasi tutti i sali (vedi). Elettroliti deboli, che includono acidi e basi deboli e alcuni sali, ad esempio HgCl 2 , si dissociano solo parzialmente; il grado della loro dissociazione, cioè la frazione di molecole che si sono disgregate in ioni aumenta con la diminuzione della concentrazione della soluzione.

Una misura della capacità degli elettroliti di decadere in ioni in soluzioni può essere la costante di dissociazione elettrolitica (costante di ionizzazione), che è uguale a
dove la concentrazione delle particelle corrispondenti nella soluzione è mostrata tra parentesi quadre.

Quando una corrente continua scorre attraverso la soluzione elettrolitica, i cationi si spostano sull'elettrodo caricato negativamente - il catodo, gli anioni si spostano sull'elettrodo positivo - l'anodo, dove danno le loro cariche, trasformandosi in atomi o molecole elettricamente neutri (i cationi ottengono elettroni dal catodo e gli anioni danno elettroni all'anodo) . Poiché il processo di attacco degli elettroni alla sostanza è un restauro e il processo di rinculo degli elettroni dalla sostanza - ossidazione, quando la corrente elettrica passa attraverso la soluzione elettrolitica al catodo, i cationi vengono ripristinati e l'anione ossida gli anioni. Questo processo di riduzione dell'ossidazione è chiamato elettrolisi.

Gli elettroliti sono una componente indispensabile dei liquidi e dei tessuti densi degli organismi. Nei processi fisiologici e biochimici, ioni inorganici come H + , Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ , OH - , Cl - , HCO 3 , H 2 PO 4 , SO 2 4 (vedi Scambio Minerario). Gli ioni H + e OH - nel corpo umano sono in concentrazioni molto piccole, ma il loro ruolo nei processi vitali è enorme (vedi bilancio acido-base). La concentrazione di ioni Na + e Cl - supera significativamente quella di tutti gli altri ioni inorganici presi insieme. Vedi anche soluzioni tampone, ioniti.

Elettroliti - sostanze, soluzioni o fusioni di cui conducono corrente elettrica. Gli elettroliti tipici sono sali, acidi e basi.

Secondo la teoria della dissociazione elettrolitica Arrhenius, le molecole di elettroliti in soluzioni si decompongono spontaneamente in ioni particellari carichi positivamente e negativamente. Gli ioni caricati positivamente sono chiamati cationi, caricati negativamente - dagli anioni. L'entità della carica ionica è determinata dalla valenza (vedi) dell'atomo o del gruppo di atomi che formano lo ione dato. I cationi di solito formano atomi di metallo, per esempio, K +, Na +, Ca2 +, Mg3 +, Fe3 +, e alcuni gruppi di altri atomi (per esempio, il gruppo di ammonio NH 4 ); gli anioni sono solitamente formati da atomi e gruppi di atomi che sono residui acidi, per esempio, Cl-, J-, Br-, S2-, NO3-, CO3, SO4, PO4. Ogni molecola è elettricamente neutra, quindi il numero di cariche elementari positive di cationi è uguale al numero di cariche elementari negative di anioni formatisi durante la dissociazione della molecola. La presenza di ioni spiega la capacità delle soluzioni elettrolitiche di condurre corrente elettrica. Pertanto, le soluzioni di elettroliti sono chiamate conduttori ionici o conduttori del secondo tipo.

La dissociazione di molecole di elettroliti in ioni può essere rappresentata dalla seguente equazione generale:

dove - una molecola indissociata, - una catione che contiene n1 cariche positive, - anione avente n2 cariche negative, p e q - il numero di cationi e anioni che costituiscono la molecola dell'elettrolito. Così, ad esempio, la dissociazione di acido solforico e idrossido di ammonio è espressa dalle equazioni:

Il numero di ioni contenuti nella soluzione viene solitamente misurato in gram-ioni per 1 litro di soluzione. Grammatica è la massa di ioni di una data specie, espressa in grammi e numericamente uguale al peso formula dello ione. Il peso della formula si ottiene sommando i pesi atomici degli atomi che formano lo ione dato. Così, ad esempio, il peso della formula degli ioni SO 4 è pari a: 32,06 + 4-16,00 = 96,06.

Gli elettroliti sono suddivisi in polielettroliti a basso peso molecolare, alto-molecolare e colloidale. Esempi di elettroliti a basso peso molecolare, o semplicemente elettroliti, sono acidi, basi e sali ordinariamente a basso peso molecolare, che a loro volta possono essere suddivisi in elettroliti deboli e forti. Gli elettroliti deboli non si dissociano completamente in ioni, in conseguenza dei quali viene stabilito un equilibrio dinamico nella soluzione tra ioni e molecole indissociate di elettroliti (equazione 1). Tra gli elettroliti deboli ci sono acidi deboli, basi deboli e alcuni sali, per esempio, HgCl 2 . Quantitativamente, il processo di dissociazione può essere caratterizzato dal grado di dissociazione elettrolitica (grado di ionizzazione) α, dal coefficiente isotonico i e dalla costante di dissociazione elettrolitica (costante di ionizzazione) K. Il grado di dissociazione elettrolitica α è la frazione di molecole di elettroliti che decadono in ioni in una data soluzione. Il valore di a, misurato in frazioni di un'unità o in%, dipende dalla natura dell'elettrolita e del solvente: diminuisce all'aumentare della concentrazione della soluzione e di solito cambia leggermente (aumenta o diminuisce) all'aumentare della temperatura; diminuisce anche quando un elettrolita più forte viene aggiunto alla soluzione dell'elettrolito dato, formando le stesse nones (ad esempio, il grado di dissociazione elettrolitica dell'acido acetico CH 3 COOH diminuisce quando si aggiunge acido cloridrico HCl o sodio acetato CH 3 COONa alla sua soluzione).

Il coefficiente isotonico, o coefficiente di Van't Hoff, è uguale al rapporto tra la somma del numero di ioni e le molecole non dissociate dell'elettrolita al numero delle sue molecole prese per preparare la soluzione. Sperimentalmente viene determinato misurando la pressione osmotica, abbassando il punto di congelamento della soluzione (vedere Criometria) e alcune altre proprietà fisiche delle soluzioni. I valori di i e α sono correlati dall'equazione

dove n è il numero di ioni formati durante la dissociazione di una molecola di un dato elettrolita.

La costante di dissociazione elettrolitica K è la costante di equilibrio. Se l'elettrolito si dissocia in ioni secondo l'equazione (1), allora

dove, e - concentrazione nella soluzione di cationi e anioni (in g-ion / l) e molecole non dissociate (in mol / l), rispettivamente. L'equazione (3) è un'espressione matematica della legge delle masse che agiscono in applicazione al processo di dissociazione elettrolitica. Più K, più elettroliti si decompongono in ioni. Per un dato elettrolita, K dipende dalla temperatura (di solito aumenta con l'aumentare della temperatura) e, a differenza di a, non dipende dalla concentrazione della soluzione.

Se una molecola di un elettrolito debole può dissociarsi di più di due ioni, piuttosto che due, la dissociazione procede per fasi (dissociazione graduale). Ad esempio, l'acido carbonico debole H 2 CO 3 in soluzioni acquose si dissocia in due fasi:

In questo caso, la costante di dissociazione del primo stadio supera notevolmente quella del secondo stadio.

I forti elettroliti secondo la teoria di Debye-Hückel nelle soluzioni sono completamente dissociati in ioni. Esempi di questi elettroliti sono acidi forti, basi forti e quasi tutti i sali idrosolubili. A causa della completa dissociazione degli elettroliti forti, un numero enorme di ioni è contenuto nelle loro soluzioni, le distanze tra le quali sono tali che l'attrazione elettrostatica si verifica tra gli ioni caricati opposti, grazie ai quali ogni ione è circondato da ioni della carica opposta (atmosfera ionica). La presenza di un'atmosfera ionica riduce l'attività chimica e fisiologica degli ioni, la loro mobilità nel campo elettrico e altre proprietà degli ioni. L'attrazione elettrostatica tra ioni caricati diversamente aumenta con la forza ionica della soluzione, pari alla semi-somma dei prodotti della concentrazione C di ogni ione per quadrato della sua valenza Z:

Così, per esempio, la forza ionica di MgSO 4 soluzione molare 0,01 è

Soluzioni di elettroliti forti, indipendentemente dalla loro natura, con la stessa forza ionica (non eccedente, tuttavia, 0,1) hanno la stessa attività ionica. La forza ionica del sangue umano non supera 0,15. Per descrivere quantitativamente le proprietà di soluzioni di elettroliti forti, è stata introdotta una quantità, chiamata attività a, che sostituisce formalmente la concentrazione nelle equazioni che seguono la legge delle masse di azione, ad esempio nell'equazione (1). L'attività a, avendo la dimensionalità della concentrazione, è correlata alla concentrazione dell'equazione

dove f è un coefficiente di attività che mostra quanta parte della concentrazione effettiva di questi ioni nella soluzione è la loro concentrazione o attività effettiva. Con una diminuzione della concentrazione della soluzione, f aumenta e, in soluzioni molto diluite, diventa uguale a 1; nel secondo caso a = C.

Gli elettroliti a basso peso molecolare sono una componente indispensabile dei liquidi e dei tessuti densi degli organismi. Degli ioni elettroliti a basso peso molecolare nei processi fisiologici e biochimici, i cationi H +, Na +, Mg2 +, Ca2 + e anioni OH-, Cl-, HCOO3, H2PO4, HPO4, SO4 (vedi Scambio minerale) svolgono un ruolo importante. Gli ioni H + e OH negli organismi, incluso nel corpo umano, sono in concentrazioni molto piccole, ma il loro ruolo nei processi vitali è enorme (vedi equilibrio acido-base). Le concentrazioni di Na + e Cl- superano significativamente la concentrazione di tutti gli altri ioni presi insieme.

Per gli organismi viventi, il cosiddetto antagonismo degli ioni - la capacità degli ioni in soluzione - di ridurre reciprocamente l'azione intrinseca di ciascuno di essi è altamente caratteristico. È stabilito, ad esempio, che gli ioni Na + nella concentrazione in cui si trovano nel sangue sono velenosi per molti organi isolati di animali. Tuttavia, la tossicità di Na + viene soppressa quando aggiunta alla soluzione che li contiene alle opportune concentrazioni di ioni K + e Ca2 +. Quindi, gli ioni K + e Ca2 + sono antagonisti degli ioni Na +. Le soluzioni in cui l'effetto dannoso di qualsiasi ione viene eliminato dall'azione degli ioni antagonisti sono chiamate soluzioni equilibrate. L'antagonismo degli ioni viene rilevato quando agiscono su una varietà di processi fisiologici e biochimici.

I polielettroliti sono chiamati elettroliti altamente molecolari; gli esempi sono proteine, acidi nucleici e molti altri biopolimeri (vedi Composti altamente molecolari), nonché un certo numero di polimeri sintetici. Come risultato della dissociazione delle macromolecole dei polielettroliti, gli ioni a basso peso molecolare (contromisure) sono formati, di regola, di diversa natura e uno ione macromolecolare a carica multipla. Parte dei controioni è fortemente associata allo ione macromolecolare da forze elettrostatiche; il resto è in soluzione allo stato libero.

Esempi di elettroliti colloidali sono saponi, tannini e alcuni coloranti. Le soluzioni di queste sostanze sono caratterizzate da un equilibrio:
micelle (particelle colloidali) → molecole → ioni.

Quando la soluzione viene diluita, l'equilibrio si sposta da sinistra a destra.

Vedi anche Anfoliti.