§ 9. Электролиты и неэлектролиты. Электролитическая диссоциация

Определения и обозначения

Электролиты — вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток благодаря подвижным ионам. К ним относятся многие соли, кислоты и основания: например, хлорид натрия NaCl и соляная кислота HCl. Это понятие помогает предсказать, будет ли раствор проводить ток.

Неэлектролиты — вещества, растворы или расплавы которых практически не проводят ток. К примерам относятся сахар и этанол: при растворении они не дают достаточного количества подвижных ионов. Термин нужен, чтобы отличать способность растворяться от способности проводить электричество.

Электролитическая диссоциация — распад электролита на ионы при растворении в воде или плавлении. Например, растворение соли приводит к появлению в растворе ионов Na⁺ и Cl⁻. Понятие объясняет, откуда в электролите берутся частицы, переносящие заряд.

Ионы — заряженные частицы, которые образуются при диссоциации. Катионы несут положительный заряд, например Na⁺, а анионы — отрицательный, например Cl⁻. Различать их нужно, чтобы правильно понимать движение частиц и записывать уравнения.

Как это устроено

Электрический ток в растворе или расплаве создаёт направленное движение заряженных частиц. В чистой воде таких частиц очень мало, поэтому она проводит ток плохо. В твёрдом ионном кристалле ионы есть, но они закреплены в узлах кристаллической решётки и не могут перемещаться по всему веществу. Значит, для переноса заряда нужны не просто ионы, а ионы подвижные.

В кристалле соли положительные и отрицательные ионы притягиваются друг к другу. Молекулы воды полярны: у них есть участки с частичным положительным и частичным отрицательным зарядом. Эти участки притягиваются к ионам противоположного знака и ослабляют их взаимное притяжение в решётке. В результате некоторые ионы отделяются от кристалла, окружаются молекулами воды и получают возможность перемещаться в растворе.

Некоторые электролиты состоят из молекул с полярной ковалентной связью, например HCl. В такой связи общая электронная пара смещена к одному из атомов, поэтому на частях молекулы появляются частичные заряды. Молекулы воды притягиваются к этим участкам и взаимодействуют с веществом. Это взаимодействие способствует образованию отдельных ионов, которые затем могут двигаться в растворе.

Если погрузить электроды в раствор электролита и подключить источник тока, возникает электрическое поле. Положительные катионы притягиваются к отрицательному электроду, а отрицательные анионы — к положительному. Частицы переносят заряд в противоположных направлениях, поэтому через раствор проходит ток. В твёрдой соли такого перемещения ионов нет, хотя сами заряженные частицы в ней присутствуют.

Диссоциацию записывают уравнением: слева ставят формулу вещества, справа — формулы образовавшихся ионов с их зарядами. Коэффициенты показывают, сколько ионов каждого вида получилось из одной формульной единицы: например, CaCl₂ даёт один Ca²⁺ и два Cl⁻. Индексы и коэффициенты должны сохранять число атомов каждого элемента. Суммарный заряд справа также должен совпадать с зарядом слева: у нейтрального вещества он равен нулю.

Сравнение электролитов и неэлектролитов

Сравнивайте вещества по наличию подвижных ионов, а не только по тому, растворяются ли они в воде. Таблица также показывает, почему один и тот же ионный состав ведёт себя по-разному в растворе и твёрдом кристалле. При определении электролита учитывайте именно свойства раствора или расплава.

Разбор задач

1. Распределите NaCl, сахар и HCl на электролиты и неэлектролиты для водных растворов

Решение. Сначала выясним, какие частицы возникают при растворении каждого вещества, не делая вывода только по его растворимости.

1. NaCl в воде распадается на ионы Na⁺ и Cl⁻, значит, раствор содержит подвижные заряженные частицы.
2. Молекулы сахара переходят в воду, но сохраняют нейтральность и не распадаются на ионы.
3. HCl взаимодействует с водой с образованием ионов, поэтому его раствор тоже содержит носители заряда.

Ответ: растворы NaCl и HCl — электролиты, раствор сахара — неэлектролит. То, что все три вещества могут растворяться, не делает их одинаковыми по электропроводности.

2. Запишите уравнения диссоциации NaCl и CaCl₂ в воде

Решение. В каждой формуле определим положительную и отрицательную частицы, затем учтём индексы и проверим заряд.

1. В NaCl один ион Na⁺ и один ион Cl⁻: NaCl → Na⁺ + Cl⁻. Заряды +1 и −1 в сумме дают ноль.
2. В CaCl₂ один ион Ca²⁺ и два иона Cl⁻: CaCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl⁻. Два атома хлора учтены коэффициентом 2.
3. В правой части второго уравнения общий заряд равен +2 − 2 = 0, как и у нейтральной формулы CaCl₂.

Ответ: NaCl → Na⁺ + Cl⁻; CaCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl⁻. В обоих случаях сохранены число атомов каждого элемента и общий заряд.

3. В трёх стаканах находятся растворы NaCl, сахара и HCl. Объясните, в каких случаях загорится лампа прибора для проверки электропроводности и почему

Решение. Лампа загорается, когда через раствор может пройти ток; для этого нужны подвижные ионы. Поэтому каждый раствор проверяем по составу частиц.

1. В растворе NaCl есть ионы Na⁺ и Cl⁻, которые перемещаются в электрическом поле.
2. Раствор сахара состоит главным образом из нейтральных молекул, поэтому подвижных носителей заряда в нём недостаточно.
3. Раствор HCl содержит ионы, возникающие при взаимодействии кислоты с водой, и способен проводить ток.

Ответ: лампа загорится в стаканах с растворами NaCl и HCl, но не загорится (или будет светиться очень слабо) в стакане с сахарным раствором. Причина — наличие или отсутствие достаточного количества подвижных ионов.

Типичные ошибки

Ошибка — считать электролитом любое растворимое вещество. Её допускают, потому что растворение легко принять за распад на заряженные частицы, хотя сахар растворяется молекулами. Проверяйте, образуются ли в растворе ионы: одной растворимости для вывода недостаточно.

Иногда электролитом называют сам твёрдый кристалл и считают, что он проводит ток так же, как раствор. В кристалле ионы обычно закреплены, а в растворе или расплаве могут перемещаться. Уточняйте агрегатное состояние вещества и спрашивайте себя, способны ли его заряженные частицы двигаться.

При диссоциации нельзя записывать нейтральные атомы вместо ионов: продукты должны иметь заряды. Путаница возникает, когда формулу просто «разделяют» на составляющие, не учитывая, как частицы существуют в растворе. Проверьте, указаны ли заряды катиона и аниона и дают ли они вместе заряд исходной частицы.

Ещё одна ошибка — не проверять индексы и суммарный заряд уравнения. Например, запись CaCl₂ → Ca²⁺ + Cl⁻ не учитывает второй атом хлора и не сохраняет заряд. Пересчитайте атомы каждого элемента и сложите заряды всех частиц справа: для нейтрального вещества результат должен быть нулевым.

Связь с другими темами

Для понимания диссоциации нужны знания о строении атома и иона, а также о катионах и анионах. Представление об ионной связи объясняет, почему в кристалле удерживаются заряженные частицы, а знание полярной связи помогает понять взаимодействие молекул с водой. Эти темы дают основу для объяснения появления ионов в растворе.

Диссоциация пригодится при изучении реакций в водных растворах. Если вещества распадаются на ионы, можно понять, какие частицы взаимодействуют и какие остаются в растворе. Это необходимо для составления уравнений реакций ионного обмена.

Что запомнить

• Электролиты образуют в растворах или расплавах подвижные ионы.
• Неэлектролиты не образуют в растворе достаточного количества подвижных ионов для проведения тока.
• Электролитическая диссоциация происходит при растворении в воде или плавлении.
• Катионы имеют положительный заряд, анионы — отрицательный.
• В электрическом поле катионы движутся к отрицательному электроду, а анионы — к положительному.
• В уравнении диссоциации сохраняются число атомов и суммарный заряд.