§ 11. Сильные и слабые электролиты

Определения и обозначения

Электролит — вещество, раствор или расплав которого проводит электрический ток благодаря движению ионов. Ионы — это заряженные частицы, возникающие, когда атомы или группы атомов отдают или присоединяют электроны. Это определение помогает отличить растворы, способные проводить ток, от растворов нейтральных молекул.

Сильный электролит — электролит, который в растворе практически полностью распадается на ионы. Слово «практически» учитывает, что реальный процесс не всегда достигает абсолютных ста процентов. К сильным электролитам относят растворимые соли, сильные кислоты и щёлочи; их обычно записывают в уравнениях в виде ионов.

Слабый электролит — электролит, который в растворе диссоциирует лишь частично, устанавливая равновесие между молекулами и ионами. Диссоциация — распад частиц вещества на ионы. Для слабого электролита одновременно идут распад молекул и соединение ионов обратно, поэтому в растворе присутствуют обе формы.

Степень диссоциации — отношение числа распавшихся на ионы частиц к общему числу растворённых частиц, выраженное долей или процентом. Её обозначают α и рассчитывают по формуле α = Nраспавшихся / Nобщего, а для процентов результат умножают на 100%. Эта величина показывает, какая часть частиц образовала ионы, и позволяет сравнивать растворы при заданных условиях.

Как это устроено

Молекулы воды полярны: у них есть участки с частичными положительным и отрицательным зарядами. Эти участки притягиваются к заряженным частицам вещества и ориентируются вокруг них, ослабляя связи между частицами. В результате ионы могут отделиться и двигаться в растворе, а не оставаться связанными в исходном веществе. Именно подвижность ионов позволяет раствору проводить ток.

Степень диссоциации зависит от свойств вещества и растворителя, температуры и концентрации раствора. Чтобы её найти, считают, сколько исходных частиц распалось на ионы, и делят это число на общее число растворённых частиц. Например, если распалась четверть исходных частиц, α = 0,25, или 25%. При подсчёте важно сравнивать распавшиеся частицы с исходным общим количеством, а не только с числом оставшихся молекул.

У сильных электролитов взаимодействие с водой способствует почти полному разделению частиц на ионы. Поэтому в растворе остаётся очень мало исходных частиц, а процесс в обычных условиях записывают стрелкой в одну сторону. У слабых электролитов распад идёт не до конца: часть молекул образуется обратно при встрече ионов. Когда скорости распада и обратного соединения сравниваются, устанавливается динамическое равновесие: превращения продолжаются, но соотношение молекул и ионов в среднем не меняется.

Разбавление водой обычно повышает степень диссоциации слабого электролита. При меньшей концентрации ионы реже встречаются друг с другом, поэтому реже соединяются обратно в молекулы; равновесие смещается в сторону образования ионов. Это не означает, что в каждом литре разбавленного раствора обязательно стало больше ионов: частиц всего раствора стало меньше на единицу объёма. Рост степени диссоциации — это увеличение доли распавшихся частиц.

Ток в растворе переносят ионы, а вклад каждого из них зависит от заряда и подвижности. Поэтому большее число подвижных ионов обычно означает более высокую электропроводность, но сравнивать нужно растворы с учётом их концентрации и природы ионов. Сильный электролит при одинаковой концентрации часто проводит ток лучше слабого, так как образует больше ионов. По одной проводимости нельзя определить лишь концентрацию вещества: на результат влияют также степень диссоциации и подвижность частиц.

Сравнение сильных и слабых электролитов

Сначала сравните степень диссоциации и характер процесса, а затем проверьте примеры и способ записи уравнений. Сравнение электропроводности справедливо при одинаковой концентрации и прочих сопоставимых условиях.

Разбор задач

Задача 1. Распределите HCl, NaOH, H₂CO₃, C₂H₅OH и NaCl на сильные электролиты, слабые электролиты и неэлектролиты. Нужно определить, какие вещества дают много ионов, какие — только часть и какие практически не образуют ионов в растворе. Классифицируем каждое вещество по его типу.

1. HCl — сильная кислота, поэтому это сильный электролит.
2. NaOH — сильное основание, а NaCl — растворимая соль; оба вещества относятся к сильным электролитам.
3. H₂CO₃ — слабая кислота, значит, это слабый электролит.
4. C₂H₅OH (этанол) растворяется в воде преимущественно в виде молекул и практически не образует ионов, поэтому это неэлектролит.

Ответ: сильные электролиты — HCl, NaOH, NaCl; слабый — H₂CO₃; неэлектролит — C₂H₅OH. Растворимость сама по себе не делает вещество электролитом: важно, появляются ли в растворе ионы.

Задача 2. Из 500 молекул электролита на ионы распалось 50. Найдите степень диссоциации. Дано общее число исходных молекул и число распавшихся частиц, поэтому используем их отношение, а затем переводим долю в проценты.

1. Записываем формулу: α = Nраспавшихся / Nобщего · 100%.
2. Подставляем числа: α = 50 / 500 · 100%.
3. Вычисляем отношение: 50 / 500 = 0,1; значит, α = 10%.

Ответ: степень диссоциации равна 10%. Проверка: распалась одна десятая от 500 частиц, то есть 50, что совпадает с условием.

Задача 3. Сравните электропроводность растворов HCl и CH₃COOH одинаковой концентрации, запишите диссоциацию и объясните результат. HCl — сильная кислота, а CH₃COOH — слабая, поэтому при одинаковой концентрации в первом растворе обычно больше ионов. Это и позволяет заранее сравнить проводимость.

1. Записываем диссоциацию соляной кислоты: HCl → H⁺ + Cl⁻. Односторонняя стрелка показывает практически полный распад.
2. Для уксусной кислоты записываем равновесие: CH₃COOH ⇄ H⁺ + CH₃COO⁻. Обратимая стрелка показывает, что часть молекул остаётся недиссоциированной.
3. Сопоставляем количество ионов при одинаковой концентрации: HCl образует их почти из всех частиц, CH₃COOH — только из части.

Ответ: раствор HCl обычно проводит ток лучше. Причина — большее количество подвижных ионов; вид стрелки в уравнении показывает, насколько полно проходит диссоциация.

Типичные ошибки

Ошибочно считать электролитом любое вещество, растворённое в воде. Такое впечатление возникает из-за того, что при растворении многие вещества исчезают из поля зрения, но сахар, например, остаётся в виде нейтральных молекул. Проверь себя: есть ли в растворе подвижные ионы? Если нет, одно лишь растворение не обеспечивает проводимость.

Другая ошибка — утверждать, что слабый электролит вообще не диссоциирует. Его называют слабым именно потому, что он образует ионы лишь частично, а не потому, что ионов нет. Чтобы проверить себя, запиши для него равновесие между молекулами и ионами: обе формы должны присутствовать.

Нельзя путать силу электролита с концентрацией раствора. Сильный электролит может быть сильно разбавлен, а слабый — содержаться в концентрированном растворе; сила характеризует долю распавшихся частиц, а концентрация — количество вещества в данном объёме. При сравнении сначала проверь, одинаковы ли условия, и не делай вывод о силе только по числу частиц на литр.

Для слабого электролита неверно изображать распад одной стрелкой полного превращения. Эту запись часто выбирают по привычке, не учитывая обратное соединение ионов. Проверь знак: сильный электролит обычно записывают со знаком равенства, а для слабого используют обратимую стрелку и показывают молекулы вместе с ионами.

Связь с другими темами

Для понимания диссоциации нужны знания о строении атомов и ионов, видах химической связи, свойствах воды и растворах. Они объясняют, откуда берётся заряд частиц и почему вода помогает им разделяться. Понимание силы электролитов пригодится при составлении полных и сокращённых ионных уравнений реакций: в них нужно решить, какие вещества записывать ионами, а какие — молекулами. Эти знания также связаны с кислотно-основными свойствами, pH и электролизом, где важны состав раствора и движение заряженных частиц.

Что запомнить

• Электролиты проводят ток в растворах и расплавах благодаря движению ионов.
• Сильные электролиты диссоциируют практически полностью.
• Слабые электролиты диссоциируют частично.
• Степень диссоциации показывает долю частиц, распавшихся на ионы.
• Разбавление обычно повышает степень диссоциации слабого электролита.
• Электропроводность зависит от количества и подвижности ионов в растворе.