§ 19. Электролитическая диссоциация. Водородный показатель

Определения и обозначения

Электролитическая диссоциация — распад электролита на ионы при растворении в воде или расплавлении. Ионы бывают положительными, катионами, и отрицательными, анионами; они образуются из частиц вещества, а не возникают из ничего. Это понятие помогает объяснить состав раствора и его способность проводить ток.

Электролит — вещество, раствор или расплав которого проводит электрический ток благодаря подвижным ионам. К электролитам относятся многие кислоты, основания и соли. Неэлектролиты в растворе практически не образуют ионов, поэтому ток проводят плохо; различие важно при изучении реакций в растворах.

Степень диссоциации — отношение числа частиц, распавшихся на ионы, к общему числу растворённых частиц; её обозначают греческой буквой α. Чем больше α, тем большая доля вещества существует в виде ионов. Значение зависит от природы вещества, растворителя, температуры и концентрации, поэтому по одной лишь концентрации нельзя судить о силе электролита.

Водородный показатель pH — величина, характеризующая кислотность водной среды. Для разбавленных водных растворов pH = −lg[H⁺], где [H⁺] — концентрация ионов водорода в моль/л. Показатель удобен тем, что по нему можно сравнивать кислотность растворов, даже если концентрации отличаются во много раз.

Как это устроено

Молекулы воды полярны: у атома кислорода частичный отрицательный заряд, а у атомов водорода — частичный положительный. Поэтому вода притягивает заряженные участки частиц вещества и ослабляет связи между ионами или полярными частями молекул. Окружённые молекулами воды ионы отделяются друг от друга и переходят в раствор, что и приводит к диссоциации.

В твёрдом электролите ионы обычно закреплены в кристаллической решётке, а при растворении или плавлении получают возможность перемещаться. Электрическое поле направляет катионы к отрицательному электроду, а анионы — к положительному. Перенос заряда этими частицами и создаёт электрический ток; в металлах же ток переносят электроны.

В уравнении диссоциации формулу вещества раскрывают на ионы так, чтобы сохранились число атомов каждого элемента и суммарный заряд. Для сильных электролитов, распадающихся практически полностью, ставят стрелку →, а для слабых, диссоциирующих обратимо, — ⇄. Например, Na₂SO₄ → 2Na⁺ + SO₄²⁻: два иона натрия компенсируют заряд одного сульфат-иона.

Вода диссоциирует в очень малой степени, но образовавшиеся H⁺ и OH⁻ важны для определения характера среды. При 25 °C произведение их концентраций постоянно: [H⁺][OH⁻] = 1·10⁻¹⁴; это называют ионным произведением воды. Если концентрация H⁺ больше концентрации OH⁻, среда кислая; если они равны — нейтральная; если H⁺ меньше — щелочная. Добавление одного вида ионов изменяет количество другого так, чтобы произведение сохранялось.

Концентрацию H⁺ переводят в pH по формуле pH = −lg[H⁺]. Например, концентрации 1·10⁻³ моль/л соответствует pH = 3, то есть кислая среда. Поскольку используется десятичный логарифм с минусом, уменьшение pH на единицу означает десятикратное увеличение [H⁺]; уменьшение на две единицы — стократное. При 25 °C сравнение с числом 7 позволяет определить среду.

Характер водной среды и водородный показатель

Сначала сравните концентрации H⁺ и OH⁻, а затем проверьте вывод по pH: меньшему значению соответствует кислая среда, большему — щелочная. Граница pH = 7 относится к нейтральному раствору при 25 °C. Примеры в таблице иллюстрируют типичные случаи, а не единственные вещества каждого типа.

Разбор задач

Запишите уравнение электролитической диссоциации сульфата натрия Na₂SO₄.

1. В составе одной формульной единицы есть два атома натрия и один сульфат-ион SO₄²⁻. Сульфат-ион сохраняет свой состав и имеет заряд −2.
2. Каждый атом натрия образует катион Na⁺, поэтому нужны два таких иона. Их общий заряд +2 уравновешивает заряд SO₄²⁻.
3. Запишем распад сильного растворимого электролита со стрелкой вправо и проверим атомы и заряд. Получаем Na₂SO₄ → 2Na⁺ + SO₄²⁻.

Ответ: Na₂SO₄ → 2Na⁺ + SO₄²⁻.

В растворе [H⁺] = 1·10⁻³ моль/л. Найдите pH и определите характер среды.

1. Для разбавленного водного раствора используем формулу pH = −lg[H⁺]. Концентрацию уже удобно представить как степень десяти, поэтому вычисление можно сделать непосредственно.
2. Подставляем значение: pH = −lg(1·10⁻³) = 3. Минус перед логарифмом превращает показатель степени −3 в положительное значение 3.
3. Сравниваем результат с 7: при 25 °C значение меньше 7 означает кислую среду. Чем ниже полученный pH, тем выше кислотность раствора.

Ответ: pH = 3, среда кислая.

В растворе [OH⁻] = 1·10⁻⁴ моль/л. Определите [H⁺], pH и характер среды при 25 °C.

1. Используем ионное произведение воды: [H⁺][OH⁻] = 1·10⁻¹⁴. Выражаем неизвестную концентрацию: [H⁺] = (1·10⁻¹⁴)/(1·10⁻⁴) = 1·10⁻¹⁰ моль/л.
2. Находим pH по концентрации H⁺: pH = −lg(1·10⁻¹⁰) = 10. Расчёт согласуется с тем, что гидроксид-ионов в растворе больше, чем ионов водорода.
3. При 25 °C pH больше 7 соответствует щелочной среде. Проверка по концентрациям даёт тот же вывод: [H⁺] меньше [OH⁻].

Ответ: [H⁺] = 1·10⁻¹⁰ моль/л, pH = 10, среда щелочная.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что при диссоциации образуются нейтральные атомы. Её допускают, потому что распад вещества ошибочно представляют как разделение на отдельные части без учёта зарядов. Проверяйте, записаны ли именно ионы с правильными знаками и величинами зарядов.

Ошибка — неверно расставлять коэффициенты в уравнении диссоциации. При переносе индексов из формулы легко забыть, что индекс не всегда становится коэффициентом, или не уравновесить заряды. Проверьте число атомов каждого элемента слева и справа, а затем сложите заряды всех частиц: суммы должны совпадать.

Ошибка — считать сильный электролит просто концентрированным раствором. Это смешение двух разных характеристик: сила связана с долей диссоциировавших частиц, концентрация — с количеством вещества в заданном объёме. Для проверки спросите себя, описывается ли свойство самого вещества или состав конкретного раствора.

Ошибка — считать, что рост pH означает усиление кислотности. Путаница возникает из-за того, что большее число воспринимают как большее содержание кислоты. Формула pH = −lg[H⁺] показывает обратную связь: при увеличении pH концентрация H⁺ уменьшается, а среда становится менее кислой.

Связь с другими темами

Для понимания диссоциации нужны знания о строении атома и иона, зарядах частиц, химической связи и растворах. Они помогают определить, какие ионы образуются из формулы вещества и как взаимодействуют с водой. Эти навыки пригодятся при изучении реакций ионного обмена, кислот и оснований, гидролиза солей, а также при расчётах состава растворов. Понимание pH позволяет описывать среду, в которой идут такие процессы.

Что запомнить

• Электролиты проводят ток благодаря движению ионов.
• При диссоциации катионы и анионы образуются в соответствии с составом вещества.
• Сильные электролиты диссоциируют практически полностью, слабые — частично.
• В нейтральной среде концентрации H⁺ и OH⁻ равны.
• При 25 °C нейтральной среде соответствует pH = 7.
• Кислой среде соответствует pH < 7, щелочной — pH > 7.
• Для разбавленных водных растворов pH = −lg[H⁺].