§ 9. Электролиты и неэлектролиты. Электролитическая диссоциация

Определения и обозначения

Электролиты — вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток. К ним относятся кислоты, например HCl, основания, например NaOH, и соли, например NaCl. При растворении или плавлении такие вещества дают частицы, способные переносить электрический заряд. Это понятие помогает предсказать, будет ли раствор проводить ток.

Неэлектролиты — вещества, растворы которых практически не проводят электрический ток. К характерным примерам относятся сахар и этанол: при растворении их частицы в основном остаются нейтральными молекулами. Поэтому в растворе почти нет подвижных носителей заряда. Это понятие нужно, чтобы отличать ионные растворы от растворов молекулярных веществ.

Электролитическая диссоциация — распад электролита на ионы при растворении в воде или плавлении. Например, при растворении хлорида натрия появляются ионы натрия и хлора. Само слово «диссоциация» означает разделение частиц, но в данном случае результатом становятся именно ионы. Понятие объясняет, откуда в растворе берутся носители электрического заряда.

Ионы — частицы, имеющие электрический заряд. Положительно заряженные ионы называют катионами, а отрицательно заряженные — анионами. Например, Na⁺ — катион, а Cl⁻ — анион; знаки показывают заряд каждой частицы. Различение катионов и анионов позволяет верно записывать диссоциацию и понимать направление движения частиц.

Как это устроено

Провести опыт можно с электрической цепью, в которую включены источник тока, лампа и два электрода, опущенные в раствор. Если раствор соли, кислоты или щёлочи замыкает цепь, лампа загорается: внутри раствора есть подвижные заряженные частицы. В растворе сахара лампа обычно не загорается, поскольку нейтральные молекулы не могут переносить заряд от одного электрода к другому. Сравнение показывает, что одного присутствия растворённого вещества для проведения тока недостаточно.

Молекула воды полярна: у её частей есть небольшие заряды противоположных знаков. Поэтому молекулы воды притягиваются к заряженным частицам электролита и взаимодействуют с ними. В ионном кристалле это помогает отделить уже существующие ионы друг от друга, а у некоторых молекулярных веществ взаимодействие способствует образованию ионов. В результате частицы распределяются в воде и получают возможность перемещаться.

Когда электроды подключены к источнику тока, между ними возникает электрическое поле. Положительные катионы притягиваются к отрицательно заряженному катоду, а отрицательные анионы — к положительно заряженному аноду. Двигаясь в противоположных направлениях, ионы переносят заряд через раствор, поэтому цепь проводит ток. В металлическом проводнике заряд переносят электроны, а в растворе электролита — именно ионы.

Диссоциацию записывают уравнением: сначала указывают формулу вещества, затем стрелку и формулы образовавшихся ионов с их зарядами. Например, растворение соли можно представить так: NaCl → Na⁺ + Cl⁻. Стрелка показывает распад вещества на ионы; для обратимого процесса используют знак обратимости ⇄. При записи нужно учитывать индексы исходной формулы, чтобы число атомов каждого элемента не изменилось.

В твёрдом ионном кристалле частицы притягиваются и удерживаются в определённых местах, поэтому свободно перемещаться не могут. Даже если ионы заряжены, неподвижные частицы не обеспечивают перенос заряда через весь кристалл. При растворении кристалл распадается на подвижные ионы, а при плавлении его частицы также получают возможность перемещаться. Поэтому растворы и расплавы электролитов проводят ток, а твёрдые ионные кристаллы обычно — нет.

Электролиты и неэлектролиты

Сопоставляйте не только растворимость вещества, но и то, появляются ли в растворе подвижные ионы. Если вещество растворилось, это ещё не доказывает, что оно является электролитом. Именно наличие ионов объясняет проведение тока.

Разбор задач

Какие растворы проводят ток?

Условие. Даны водные растворы хлорида натрия, сахара и этанола. Нужно определить, какие из них проводят электрический ток. Учитываем, что речь идёт именно о растворах, а не о твёрдых веществах.

1. Определяем природу каждого вещества: хлорид натрия — соль, сахар и этанол — молекулярные вещества.
2. Проверяем, возникают ли при растворении подвижные ионы: NaCl распадается на Na⁺ и Cl⁻, а сахар и этанол остаются в основном нейтральными молекулами.
3. Связываем наличие ионов с проведением тока: заряженные частицы могут двигаться в электрическом поле и переносить заряд.

Ответ. Раствор хлорида натрия проводит электрический ток. Растворы сахара и этанола практически не проводят его, потому что в них почти нет подвижных ионов.

Диссоциация хлорида натрия

Условие. Запишите уравнение диссоциации хлорида натрия в воде и укажите заряды образующихся ионов. В формуле NaCl по одному атому натрия и хлора. Соотношение ионов должно соответствовать составу соли.

1. Разделяем формулу на частицы, которые образуются при распаде: ион натрия и ион хлора.
2. Записываем заряды: натрий образует катион Na⁺, хлор — анион Cl⁻.
3. Проверяем запись: слева и справа по одному атому каждого элемента, а заряды +1 и −1 в сумме дают ноль.

Ответ. NaCl → Na⁺ + Cl⁻. Коэффициенты не нужны, потому что одна формульная единица соли даёт по одному иону каждого вида.

Диссоциация сульфата алюминия

Условие. Запишите диссоциацию сульфата алюминия и проверьте число атомов и суммарный заряд. Формула соли — Al₂(SO₄)₃. Скобки показывают, что группа SO₄ повторяется три раза.

1. Учитываем состав формулы: в ней два атома Al и три сульфат-иона SO₄.
2. Алюминий образует катион Al³⁺, а сульфат-ион имеет заряд 2−; поэтому записываем 2Al³⁺ и 3SO₄²⁻.
3. Проверяем атомы: справа два Al, три S и двенадцать O, как и слева. Проверяем заряд: 2 · (+3) + 3 · (−2) = 0.

Ответ. Al₂(SO₄)₃ → 2Al³⁺ + 3SO₄²⁻. Число атомов каждого элемента совпадает, а общий заряд ионов равен нулю, как у исходной формульной единицы.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что ток в растворе переносят электроны так же, как в металле. Это кажется логичным, потому что электрический ток связан с движением зарядов, однако в электролите заряды переносят движущиеся ионы. Проверка простая: при объяснении проводимости раствора назовите катионы и анионы, а не электроны.

Ошибка — путать атом и ион или записывать частицу без заряда. Атом обычно нейтрален, а ион имеет заряд, поэтому запись Na без знака не показывает, что при диссоциации образовался катион. Проверяйте себя: у каждой формулы иона должен быть указан знак и, если нужно, величина заряда.

Ошибка — считать электролитом любое вещество, которое растворяется в воде. Растворимость означает, что частицы распределились в воде, но они могут остаться нейтральными молекулами, как у сахара. Чтобы проверить вывод, выясните, образуются ли ионы, а не ограничивайтесь наблюдением, что вещество исчезло в воде.

Ошибка — не учитывать индексы исходного вещества или получать неравный суммарный заряд. Например, при записи диссоциации соли можно забыть, что индекс относится к числу образующихся ионов. Сверьте число атомов каждого элемента по обе стороны и сложите заряды с учётом коэффициентов: обе проверки должны дать равенство.

Связь с другими темами

Для изучения диссоциации нужны знания о строении атома и электрическом заряде: они помогают понять, почему ионы имеют разные заряды. Также важно различать катионы и анионы и уметь читать формулы простых солей и кислот. Знание зарядов ионов позволяет правильно составлять уравнения диссоциации.

Диссоциация кислот, оснований и солей станет основой для изучения ионных реакций. Умение видеть ионы в растворе помогает объяснять, почему одни вещества взаимодействуют, а другие остаются без заметных изменений. Эти знания также нужны для понимания свойств водных растворов.

Что запомнить

• Электролиты проводят ток в растворах и расплавах благодаря подвижным ионам.
• Неэлектролиты в растворе практически не образуют ионов и не проводят ток.
• Электролитическая диссоциация — образование ионов при растворении или плавлении электролита.
• Катионы имеют положительный заряд, анионы — отрицательный.
• Катионы движутся к катоду, а анионы — к аноду.
• При записи диссоциации сохраняются число атомов и суммарный заряд.