§ 9. Растворы электролитов

Определения и обозначения

Электролиты — вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток благодаря подвижным ионам. К ним относят многие кислоты, основания и соли. Это понятие помогает объяснить, почему одни растворы проводят ток, а другие почти нет.

Электролитическая диссоциация — распад электролита на ионы при растворении в воде или плавлении. В результате появляются катионы и анионы, которые могут перемещаться в электрическом поле. Так связывают состав раствора с его электропроводностью.

Степень диссоциации — отношение числа распавшихся на ионы молекул к общему числу растворённых молекул; обозначается α. Формула: α = N_расп / N_исх. Она показывает, какая доля частиц электролита превратилась в ионы.

Сильные и слабые электролиты различаются полнотой диссоциации в растворе. Сильные вещества распадаются практически полностью, слабые — только частично. Поэтому для них используют разные знаки в уравнениях диссоциации.

Как это устроено

Раствор электролита проводит ток потому, что в электрическом поле положительные ионы движутся к отрицательному электроду, а отрицательные — к положительному. Это направленное движение зарядов и создаёт электрический ток. В растворе неэлектролита свободных ионов недостаточно, поэтому его проводимость мала.

Вода способствует диссоциации благодаря полярности своих молекул: у атома кислорода возникает частичный отрицательный заряд, а у атомов водорода — частичный положительный. Молекулы воды притягиваются к противоположно заряженным частицам вещества и окружают их. Такая гидратация ослабляет притяжение между частицами и помогает ионам перейти в раствор.

У ионных веществ, например хлорида натрия, катионы и анионы уже есть в кристаллической решётке. Вода лишь разделяет их и окружает своими молекулами. Вещества с молекулярной связью, например уксусная кислота, не содержат готовых ионов в молекулах: они образуются при взаимодействии молекул с водой.

Сильные электролиты почти полностью превращаются в ионы, поэтому в уравнении показывают стрелку вправо: NaCl → Na⁺ + Cl⁻. У слабого электролита одновременно идут распад молекул и обратное соединение ионов. Поэтому используют знак обратимости: CH₃COOH ⇄ H⁺ + CH₃COO⁻.

Степень диссоциации зависит от природы электролита и растворителя, концентрации раствора и температуры. Для расчёта делят число распавшихся частиц на их первоначальное число: α = N_расп / N_исх. Если из 100 молекул распались 20, α = 0,20, или 20%; нераспавшиеся частицы в числитель не включают.

Сильные и слабые электролиты

Сначала определите, идёт ли диссоциация почти полностью или только для части частиц. Затем выберите значение α и соответствующий знак в уравнении. Сила электролита не равна концентрации раствора: это разные характеристики.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение диссоциации хлорида натрия в водном растворе. Нужно показать распад ионного вещества на катион натрия и анион хлора. Проверим, чтобы сохранились число атомов и суммарный заряд.

1. Определяем ионы, входящие в состав NaCl: Na⁺ и Cl⁻.
2. Записываем их по одну сторону уравнения и ставим стрелку вправо, так как соль относится к сильным электролитам.
3. Проверяем заряд: слева соединение нейтрально, справа +1 − 1 = 0.

Ответ: NaCl → Na⁺ + Cl⁻.

Задача 2. В растворе из 200 молекул уксусной кислоты диссоциировали 10. Найдите степень диссоциации. В числителе берём распавшиеся молекулы, а в знаменателе — все исходные.

1. Используем формулу α = N_расп / N_исх.
2. Подставляем данные: α = 10 / 200 = 0,05.
3. Переводим долю в проценты: 0,05 · 100% = 5%.

Ответ: α = 0,05, или 5%.

Задача 3. Растворили 0,20 моль слабой одноосновной кислоты, α = 5%. Требуется найти количество образовавшихся H⁺ и анионов кислотного остатка. Одноосновная кислота даёт по одному иону каждого вида.

1. Переводим процент в долю: α = 5% = 0,05.
2. Находим количество диссоциировавшей кислоты: n_расп = 0,20 · 0,05 = 0,010 моль.
3. По схеме HA ⇄ H⁺ + A⁻ определяем: n(H⁺) = 0,010 моль и n(A⁻) = 0,010 моль.

Ответ: образовалось по 0,010 моль катионов водорода и анионов кислотного остатка.

Типичные ошибки

Считать, что любой раствор проводит ток. Растворитель и неэлектролит могут почти не давать подвижных ионов. Проверьте, образуются ли при растворении катионы и анионы в заметном количестве.

Путать диссоциацию с растворением. Растворение описывает распределение частиц, а диссоциация — их распад на ионы. Спросите себя, появились ли новые заряженные частицы, а не просто исчезло кристаллическое вещество.

Записывать для слабого электролита необратимую стрелку. У слабого вещества часть молекул остаётся нераспавшейся, поэтому устанавливается равновесие. Проверьте, не относится ли вещество к слабым кислотам или основаниям.

Делить число нераспавшихся частиц на общее число. Такая запись не даёт степень диссоциации, потому что α показывает долю именно распавшихся частиц. В числителе всегда должны стоять N_расп или n_расп.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, ионах, химической связи и полярности молекулы воды. Диссоциация используется при составлении полных и сокращённых ионных уравнений, а также при объяснении свойств кислот, оснований и солей в растворах. Степень диссоциации понадобится при изучении химического равновесия и расчётах состава электролитов.

Что запомнить

• Электропроводность растворов электролитов обусловлена движением ионов.
• В водном растворе ионы взаимодействуют с молекулами воды и гидратируются.
• Сильные электролиты диссоциируют практически полностью, слабые — частично.
• Для сильных электролитов используют стрелку вправо, для слабых — знак обратимости.
• Степень диссоциации α равна отношению числа диссоциировавших частиц к их первоначальному числу.
• Значение α выражают числом от 0 до 1 или в процентах.