3.1 Электролитическая диссоциация

Назад Назад Далее Далее


При растворении многие вещества взаимодействуют с растворителем и распадаются на положительно и отрицательно заряженные частицы – ионы, образуя раствор, который проводит электрический ток. Это явление называют электролитической диссоциацией в растворах. Теория электролитической диссоциации была разработана Сванте Аррениусом в 1887 г. Известно также, что многие вещества распадаются на ионы при плавлении, данное явление называют электролитической диссоциацией в расплавах. В случае диссоциации в растворе молекулы воды взаимодействуют с ионами вещества (этот процесс называют сольватацией), облегчая процесс диссоциации. В случае диссоциации в расплаве ионы образуются просто за счет разрушения кристаллической решетке при тепловом движении частиц.

Например, хлорид натрия при растворении в воде диссоциирует на положительно заряженный катион натрия и отрицательно заряженный анион хлора.

$$\mathrm{NaCl \longrightarrow Na^+ + Cl^-}$$

Вещества, способные к электролитической диссоциации, называют электролитами. Некоторые вещества полностью диссоциируют в растворителе, их называют сильными электролитами. Вещества, в растворе которых не все молекулы распадаются на ионы, называют слабыми электролитами. Вещества, не способные к диссоциации, называют неэлектролитами.

Электролиты в воде Неэлектролиты в воде
\(\mathrm{NaBr, KOH, H_2SO_4, Al(NO_3)_3}\) Сахара, спирты, ацетон

Следует помнить, что вещество может прекрасно растворяться, но практически не диссоциировать, как, например, ацетон или сахароза в воде. Поэтому не следует путать способность к диссоциации вещества и его растворимость.

Для того, чтобы подчеркнуть полную диссоциацию сильных электролитов при написании уравнения диссоциации используют одностороннюю стрелку:

$$\mathrm{Ca(NO_3)_2 \longrightarrow Ca^{2+} + 2NO_3^-}$$

Для слабых электролитов используют двухстороннюю стрелку, подчёркивая неполную диссоциацию:

$$\mathrm{H_2SiO_3 \rightleftharpoons H^+ + HSiO_3^-}$$

Вещества, проявляющие свойства сильных электролитов обычно имеют ионные или сильно полярных ковалентных связей, которые могут легко разорваться с образованием ионов. В неэлектролитах обычно присутствуют ковалентные неполярные или малополярные связи.

При диссоциации вещества образуются именно ионы, а не нейтральные атомы. Ионы отличаются от нейтральных атомов электронной конфигурацией и свойствами. При диссоциации ионы образуются, как правило, таким образом, чтобы атом-носитель заряда приобрёл электронную конфигурацию благородного газа:

Электронная конфигурация
Нейтрального атома Иона в растворе

\(\mathrm{[Ne]3s^1}\)

Электронная конфигурация натрия

\(\mathrm{[Ne]}\)

Электронная конфигурация иона натрия

\(\mathrm{[Ne]3s^23p^1}\)

Электронная конфигурация алюминия

\(\mathrm{[Ne]}\)

Электронная конфигурация иона алюминия

\(\mathrm{[Ar]3d^{10}4s^24p^5}\)

Электронная конфигурация брома

\(\mathrm{[Kr]}\)

Электронная конфигурация аниона брома

\(\mathrm{[Ne]3s^23p^4}\)

Электронная конфигурация серы

\(\mathrm{[Ar]}\)

Электронная конфигурация аниона серы

Ионами могу быть и многоатомные частицы, например \(\mathrm{NO_3^-}\), \(\mathrm{OH^-}\), \(\mathrm{NH_4^+}\). В этом случае в ионе также всегда присутствует атом-носитель заряда, электронные оболочки которого соответствуют благородному газу.

Молекула воды является полярной, поскольку атом кислорода, имеющий высокую электроотрицательность, тянет на себя электроны двух связей с атомами водорода. Молекула воды имеет форму треугольника с углом между связями H–O–H равным \(104{,}45^{\circ}\). На «кислородном» конце молекулы накапливается повышенная электронная плотность и он приобретает частичный отрицательный заряд. «Водородный» конец молекулы воды оказывается обеднен электронами, которые оттянул к себе кислород, поэтому молекулу можно представить как диполь с положительным полюсом в районе атомов водорода и отрицательным – в районе атома кислорода. Находящиеся в водном растворе ионы имеют заряд и поэтому взаимодействуют с полярными молекулами воды, которые образуют плотную «шубу» из молекул воды вокруг иона, которые ориентируются к иону соответствующим концом диполя. Это явление в водном растворе называется гидратацией.

Гидратация

При гидратации иона выделяется энергия, именно это является движущей силой электролитической диссоциации, поскольку суммарная энергия, выделяющаяся при гидратации ионов сильных электролитов выше, чем энергия связей между ионами в кристаллической решётке.

Между ионом и молекулами воды зачастую образуются настолько сильные связи, что многие вещества после выпаривания растворов образуют кристаллогидраты – соединения, содержащие некоторое количество связанных молекул воды. Кристаллогидраты образуются в случае, если связь катиона с молекулами воды прочнее, чем с анионами в кристаллической решетке, например:

\(\mathrm{CuSO_4 \cdot 5H_2O}\) – медный купорос (синий);

\(\mathrm{FeSO_4 \cdot 7H_2O}\) – железный купорос (светло-зелёный);

\(\mathrm{CaSO_4 \cdot 2H_2O}\) – гипс (бесцветный);

\(\mathrm{KAl(SO_4)_2 \cdot 12H_2O}\) – алюмокалиевые квасцы (красные);

\(\mathrm{Na_2SO_4 \cdot 10H_2O}\) – глауберова соль (бесцветная);

Многие кристаллогидраты и растворы соответствующих солей окрашены, что наглядно свидетельствует о взаимодействии ионов с молекулами воды. Как правило, окраска гидратированных ионов характерна для \(\mathrm{d}\)-элементов, например \(\mathrm{Co}\), \(\mathrm{Cr}\), \(\mathrm{Cu}\), \(\mathrm{Fe}\). В таблице растворимости приведена окраска кристаллогидратов, растворов и сухих солей.

Кислоты, основания и соли с точки зрения теории Аррениуса

Кислотами называют вещества, диссоциирующие при растворении с образованием иона водорода \(\mathrm{H^+}\) и кислотного остатка:

$$\mathrm{HCl \longrightarrow H^+ + Cl^-}$$

Растворы, в которых ионов водорода больше, чем в чистой воде, называют кислыми.

Вещества, диссоциирующие при растворении с образованием ионов металлов и гидроксид-ионов, называют основаниями:

$$\mathrm{NaOH \longrightarrow Na^+ + OH^-}$$

При их растворении и диссоциации в воде накапливаются гидроксид-ионы, а концентрация ионов водорода ниже, чем в чистой воде. Такие растворы называют осно́вными или щелочными.

Вещества, диссоциирующие при растворении с образованием катионов металлов и кислотных остатков называются солями:

$$\mathrm{K_3(PO)_4 \longrightarrow 3K^+ + PO_4^{3-}}$$

Соли, содержащие в своём составе атомы водорода, например, \(\mathrm{NaH_2PO_4}\) называются кислыми солями. Соли, содержащие в своём составе гидроксильные группы, например, \(\mathrm{(CuOH)_2CO_3}\), называют основными солями.

Задачи Задачи


Как объясняется электропроводность растворов электролитов?

Наличием заряженных частиц в растворе (ионов), способных двигаться под действием внешнего электромагнитного поля.

Как осуществить реакции

$$\mathrm{NaCl \longrightarrow Na^+ + Cl^-}$$

$$\mathrm{Na^+ + Cl^- \longrightarrow NaCl}$$

в домашних условиях?

Растворением поваренной соли в воде, а затем выпариванием полученного раствора.

Среди перечисленных веществ выберите электролиты: а) хлорид натрия; б) ацетон; в) сахароза; г) нитрат калия; д) серная кислота; е) бромид бария; ж) азот.

а, г, д, е.

Среди перечисленных веществ выберите неэлектролиты: а) борная кислота; б) аргон; в) гидроксид натрия; г) этанол; д) хлорид кальция.

б, г.

Что из перечисленного проводит электрический ток: а) сжиженный \(\mathrm{SO_2}\); б) водный раствор \(\mathrm{SO_2}\); в) расплав \(\mathrm{KI}\); г) раствор \(\mathrm{KOH}\).

б, в, г. Раствор диоксида серы проводит ток из-за диссоциации образующейся при растворении сернистой кислоты:

$$\mathrm{SO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2SO_3}$$

Расставьте в порядке увеличения электропроводности: а) дождевая вода; б) водопроводная вода; в) дистиллированная вода.

Величина электропроводности зависит от концентрации носителей зарядов в растворе – диссоциирующих на ионы растворённых соединений. Дистиллированная вода самая чистая, её электропроводность будет наименьшей. Дождевая вода поглощает частички пыли и растворённые в атмосфере газы – \(\mathrm{CO_2}\), \(\mathrm{SO_2}\). Её электропроводность будет промежуточной. Наконец, водопроводная воды содержит значительное количество растворённых минеральных веществ и обладает наибольшей электропроводностью. Поэтому ответ: в < а < б.

Приведите примеры сильных электролитов и напишите уравнения их электролитической диссоциации.

Много вариантов, например:

$$\mathrm{KI \longrightarrow K^+ + I^-}$$

$$\mathrm{Al_2(SO_4)_3 \longrightarrow 2Al^{3+} + 3SO_4^{2-}}$$

Приведите примеры слабых электролитов и напишите уравнения их электролитической диссоциации.

Например:

$$\mathrm{H_2S \rightleftharpoons 2H^+ + S^{2-}}$$

$$\mathrm{CH_3COOH \rightleftharpoons H^+ + CH_3COO^-}$$

В растворе имеются следующие ионы: \(\mathrm{Na^+}\), \(\mathrm{Mg^{2+}}\), \(\mathrm{Cl^-}\), \(\mathrm{NO_3^-}\). Какие соли могли быть взяты для получения этого раствора?

\(\mathrm{NaCl + Mg(NO_3)_2}\) или \(\mathrm{NaNO_3 + MgCl_2}\).

Предложите способ обнаружения присутствия растворимых солей в образце почвы.

Образец почвы промывается дистиллированной водой, промывная вода затем проверяется на электропроводность.

Напишите уравнения электролитической диссоциации следующих соединений: а) \(\mathrm{HCl}\); б) \(\mathrm{Sr(NO_3)_2}\); в) \(\mathrm{H_2SiO_3}\).

а) \(\mathrm{HCl \longrightarrow H^+ + Cl^-}\);

б) \(\mathrm{Sr(NO_3)_2 \longrightarrow Sr^{2+} + 2NO_3^-}\);

в) \(\mathrm{H_2SiO_3 \rightleftharpoons H^+ + HSiO_3^-}\).

Напишите уравнения электролитической диссоциации следующих соединений: а) \(\mathrm{KAl(SO_4)_2}\); б) \(\mathrm{Zn(OH)Cl}\); в) \(\mathrm{NaHS}\).

а) \(\mathrm{KAl(SO_4)_2 \longrightarrow K^+ + Al^{3+} + 2SO_4^{2-}}\);

б) \(\mathrm{Zn(OH)Cl \longrightarrow Zn(OH)^+ + Cl^-}\);

\(\mathrm{Zn(OH)^+ \rightleftharpoons Zn^{2+} + OH^-}\);

в) \(\mathrm{NaHS \longrightarrow Na^+ + HS^-}\);

\(\mathrm{HS^- \rightleftharpoons H^+ + S^{2-}}\).

Среди перечисленных ниже соединений выберите электролиты, диссоциирующие ступенчато: а) \(\mathrm{H_2S}\); б) \(\mathrm{H_3PO_4}\); в) \(\mathrm{Na_2SO_4}\); г) \(\mathrm{KHSO_4}\); д) \(\mathrm{NiCl_2}\).

а, б, г.

В литре воды растворили \(1\) моль хлорида магния и \(1\) моль нитрата лития. Предложите другой вариант смеси солей, которые могли быть взяты для получения точно такого же раствора.

Определяем количества веществ ионов в образовавшемся растворе согласно уравнениям диссоциации:

$$\mathrm{MgCl_2 \longrightarrow Mg^{2+} + 2Cl^-}$$

$$\mathrm{LiNO_3 \longrightarrow Li^+ + NO_3^-}$$

При растворении \(1\) моль хлорида магния в растворе оказалось \(1\) моль ионов магния и \(2\) моль хлорид-ионов. При растворении \(1\) моль нитрата лития в растворе оказалось \(1\) моль ионов лития и \(1\) моль нитрат-анионов.

\(\mathrm{Mg^{2+}}\) – \(1\) моль;

\(\mathrm{Cl^-}\) – \(2\) моль;

\(\mathrm{Li^+}\) – \(1\) моль;

\(\mathrm{NO_3^-}\) – \(1\) моль.

Если взять для приготовления раствора нитрат магния, то его количество не может превышать \(0{,}5\) моль, поскольку общая концентрация нитрат-анионов не может превышать \(1\) моль. Оставшееся количество магния необходимо внести в виде хлорида магния. Оставшееся количество хлорид-ионов нужно внести в виде хлорида лития:

\(\mathrm{Mg(NO_3)_2}\) – \(0{,}5\) моль.

\(\mathrm{MgCl_2}\) – \(0{,}5\) моль.

\(\mathrm{LiCl}\) – \(1\) моль.

Заполните пропуски в таблице «формулы и заряды ионов в составе солей» (\(\mathrm{K}\) – катион, \(\mathrm{A}\) – анион):

Заряд катиона Заряд аниона Формула соли
\(?\) \(?\) \(\mathrm{K_3A}\)
\(+2\) \(–3\) \(?\)
\(+1\) \(?\) \(\mathrm{KA}\)
\(?\) \(-1\) \(\mathrm{KA_3}\)
\(+1\) \(?\) \(\mathrm{K_?A_2}\)

Заполненная таблица:

Заряд катиона Заряд аниона Формула соли
\(+1\) \(–3\) \(\mathrm{K_3A}\)
\(+2\) \(–3\) \(\mathrm{K_3A_2}\)
\(+1\) \(–1\) \(\mathrm{KA}\)
\(+3\) \(-1\) \(\mathrm{KA_3}\)
\(+1\) \(–1\) \(\mathrm{K_2A_2}\)

Рассмотрите установку для изучения движения окрашенных ионов в электрическом поле:

Установка для движения ионов

На основание \(1\) помещена пропитанная раствором неокрашенного электролита бумага \(2\), концы которой прижаты электродами \(3\). На бумагу помещают кристаллы исследуемых солей \(4\), которые частично растворяются в электролите. Находящиеся ионы начинают двигаться к соответствующему электроду, при этом на бумаге образуется окрашенный «хвост» цвета соответствующего иона. Ответьте на следующие вопросы:

а) Какой знак заряда имеет катод и какой анод?

б) Как доказать, какой знак заряда имеют окрашенные ионы?

в) В сторону катода или анода будет наблюдаться окрашенный «хвост» в случае исследования перманганата калия?

г) При исследовании неизвестного вещества выяснилось, что «хвост» в направлении катода имеет слабо-розовое окрашивание. Пользуясь нижней частью таблицы растворимости, определите, какой ион находится в составе соли.

Ответы на вопросы:

а) Катод имеет знак заряда минус \((–)\), а анод плюс \((+)\). Простое мнемоническое правило, позволяющее запомнить знаки: в парах словах «катод» и «минус», «анод» и «плюс» по одинаковому числу букв в каждом слове.

б) Чтобы доказать знак заряда окрашенного иона нужно определить к какому электроду он движется, если к катоду, то ион положительно заряжен, если к аноду – то отрицательно.

в) В сторону анода.

г) \(\mathrm{Co^{2+}}\).

Приведите электронные конфигурации следующих ионов: а) \(\mathrm{Li^+}\); б) \(\mathrm{H^+}\); в) \(\mathrm{F^-}\); г) \(\mathrm{Cl^-}\).

а) \(\mathrm{[He]}\); б) \(\mathrm{1s^0}\); в) \(\mathrm{[Ne]}\); г) \(\mathrm{[Ar]}\).

К раствору медного купороса голубого цвета прилили концентрированный раствор хлорида натрия. При этом цвет раствора изменился на зелёный. Почему?

Появление большого количества хлорид-ионов в растворе смещает равновесие реакции

$$\mathrm{CuCl_2 \rightleftharpoons Cu^{2+} + 2Cl^-}$$

влево, в растворе появляется большое количество неионизированных молекул хлорида меди. Цвет безводного хлорида меди – жёлтый, гидратированного иона меди – голубой. В присутствии ионов обоих цветов при смешении окраски образуется зелёный цвет.

Концентрированные растворы хлорида кобальта \(\mathrm{CoCl_2}\) имеют фиолетовый цвет. Разбавленные растворы этой же соли имеют розовый цвет.

а) Какова окраска гидратированных ионов \(\mathrm{Co^{2+}}\)?

б) Какова окраска молекул \(\mathrm{CoCl_2}\)?

Цвет гидратированного катиона соответствует цвету разбавленного раствора, поэтому окраска гидратированных ионов \(\mathrm{Co^{2+}}\) – розовая. Поскольку при концентрировании раствора окраска становится фиолетовой, значит в растворе возникают непродиссоциировавшие молекулы \(\mathrm{CoCl_2}\), цвет которых смешивается с розовым цветом. Цвет, который при смешении с розовым дает фиолетовый цвет – синий или голубой. Поэтому окраска молекул \(\mathrm{CoCl_2}\) должна быть соответствующей.

Назад Назад Далее Далее