Общие сведения об электролитах, применяемых при бурении скважин

К электролитам относят щелочи, кислоты, соли, легко диссоциирующие в воде на ионы, вследствие высокой их гидрофильности и слабой связи между ионами.

Щелочи - хорошо растворимые в воде основания. Чаще это соединения одновалентных металлов с гидроксиланионами:

Na – O – H K – O – H.

В качестве катионов электролитов-щелочей выступают одновалентные и двухвалентные металлы с большим ионным радиусом, например, Ва (ОН)₂ (ионный радиус Ва²⁺ 1,43 А°).

Основания двухвалентных металлов с малыми ионными радиусами в воде малорастворимы, например, Са(ОН)₂ (ионный радиус Са 1,06 А°), или нерастворимы, например, Мg(ОН)₂ (ионный радиус Мg 0,78 А°).

Кислоты - это химические соединения, диссоциирующие в воде с образованием в качестве катионов ионов водорода. К сильным кислотам относят кислоты со слабыми связями водорода с высокоотрицательными анионами: Cl, Вг, I, и кислородсодержащими анионными группами (при наличии в них не менее, двух атомов кислорода с двойными связями).

О

N

Н

О

О

Н

S

О

О

О

О

Н

S

Вследствие малых ионных радиусов металлоиды (S- 0,35 А⁰ , Р- 0,35 А°, N - 0,2 А°, С - 0,2 А°) с атомами кислорода образуют прочные связи (S–О 517 кДж/моль, Р-О 594 кДж/моль, С-О 1071 кДж/моль). Связи водорода с кислородсодержащими анионными группами ослаблены вследствие высокой электроотрицательности кислорода (для кислорода она равна Э = 3,5, для серы Э = 2,5, фосфора Э = 2,1 , азота Э ⁼ 3,0 , углерода Э = 2,5). Электронное облако в результате этого смещается в сторону несвязанного водородом кислорода. Связь металлоида с кислородом становится полярной. На полюсе металлоида положительный, на полюсе кислорода - отрицательный заряд. Электронное облако кислорода, связанного с водородом, в свою очередь смещается в сторону металлоида, а прочность связи водорода с кислородом понижается.

Н

О

С

Н

О

О

Чем больше атомов кислорода с двойной связью, выше полярность аниона, тем ниже прочность связей водорода с анионной группой. Так, сильные кислородсодержащие кислоты имеют не менее двух таких атомов: H₂S0₄, НNОз, НМnO₄ и т.д.

Эффективность электролита определяется количеством ионов, появившихся в растворе при его диссоциации. Наиболее полно диссоциируют кислоты с одновалентными анионами (галогенами). Причем с увеличением ионного радиуса галогена прочность связей ионов понижается, степень диссоциации повышается.

Степень диссоциации в химии обычно определяют по константе диссоциации

,

где в числителе указаны концентрации ионов (продуктов диссоциации), а в знаменателе - концентрация недиссоциированных молекул.

Соли-электролиты - это соли со слабыми связями гидрофильных ионов (соли сильных кислот и соли слабых кислот одновалентных металлов). Их можно разделить на три группы: щелочные, кислотные и нейтральные.

К кислотным солям относят соли поливалентных металлов, после диссоциации активно взаимодействующих с молекулами воды и образующих в результате гидролиза ионы водорода Н⁺, например,

А1С1_з=А1³⁺ +ЗСl^-

Al³⁺+H₂O=Al(OH)²⁺+H⁺

Al(OH)²⁺+ H₂O= Al(OH)⁺+H⁺

Al(OH)⁺+ H₂O = А1(ОН)₃ + H⁺

К "нейтральным" солям относят соли, диссоциирующие на ионы, слабо взаимодействующие с молекулами воды, соли с одновалентными анионами (галоиды): NaCI, КСl, CaC1₂ и др.

К щелочным солям относят соли слабых кислот чаще одновалентных металлов с поливалентными анионами, способными образовывать (после диссоциации) в растворе связи с водородом воды и ионы ОН^- : карбонаты, нитраты фосфаты и др.

Na₂CО₃+Н₂О=2Nа+НСО₃⁺ +ОН^-

Свойства полимеров. Растворимость (диссоциация) соли зависит от прочности связей анионов с катионами и их гидрофильности. Хорошо растворяются соли со слабыми связями одновалентных катионов с различными анионами. Значительно труднее растворяются соли, образованные двухвалентными анионами и катионами. Существенно влияет на растовримость соли их гидрофильность.

Гидрофильность электролитов можно определить по теплоте их растворения (табл.4.1).

Таблица 4.1