§ 5. Основные положения теории электролитической диссоциации

Определения и обозначения

Электролиты — вещества, водные растворы или расплавы которых проводят электрический ток благодаря подвижным ионам. Например, к ним относятся NaCl, HCl и NaOH. Это понятие помогает предсказать, будет ли раствор проводить ток и сможет ли участвовать в реакциях между ионами.

Неэлектролиты — вещества, водные растворы или расплавы которых практически не проводят электрический ток. К ним относятся сахар, спирт и глицерин: при растворении они преимущественно сохраняются в виде молекул. Такое определение позволяет отличать растворение вещества от образования ионов.

Электролитическая диссоциация — распад электролита на ионы при растворении в воде или плавлении. Например, при растворении поваренной соли в воде появляются ионы Na⁺ и Cl⁻. Понятие описывает процесс, который объясняет электропроводность раствора или расплава.

Ионы — положительно или отрицательно заряженные частицы, образующиеся из атомов или групп атомов при потере или присоединении электронов. Положительные ионы называют катионами, отрицательные — анионами. Различие зарядов помогает понять, как частицы движутся в электрическом поле и как записывать уравнения диссоциации.

Как это устроено

Молекула воды полярна: у её атомов есть участки с небольшими противоположными зарядами. Они притягиваются к заряженным частицам и полярным участкам молекул электролита, ослабляя взаимодействие между ними. В результате частицы легче разделяются, а молекулы воды окружают появившиеся ионы; такое окружение называют гидратацией.

У вещества с ионной кристаллической решёткой положительные и отрицательные ионы уже существуют в кристалле, но удерживаются притяжением в упорядоченной структуре. Вода притягивается к этим ионам и постепенно помогает отделить их от решётки. У полярной молекулы кислоты исходно нет отдельных ионов: молекулы воды взаимодействуют с ней и способствуют образованию ионов, например H⁺ и аниона кислотного остатка.

В растворе или расплаве ионы могут перемещаться, поэтому переносят электрический заряд. При подключении источника тока положительные ионы движутся к отрицательному электроду, а отрицательные — к положительному. В твёрдом кристалле электролита ионы обычно закреплены в узлах решётки и не могут направленно перемещаться, поэтому такой кристалл почти не проводит ток.

Диссоциация не всегда идёт только в одну сторону: ионы могут соединяться и снова образовывать недиссоциированные частицы. Поэтому распад и обратное соединение происходят одновременно. Если скорость этих процессов становится одинаковой, устанавливается динамическое равновесие: количество частиц в растворе внешне не меняется, хотя превращения продолжаются.

После диссоциации в растворе присутствуют ионы, и именно они определяют его химические свойства. Например, характерные свойства кислот связаны с катионами водорода, а свойства щелочей — с гидроксид-ионами OH⁻. Поэтому при объяснении реакций учитывают состав и поведение ионов, а не только формулы исходных веществ.

Сравнение электролитов и неэлектролитов

Чтобы сравнить вещества, сначала посмотрите, какие частицы образуются в растворе, а затем свяжите их наличие с проводимостью. Если есть подвижные ионы, раствор проводит ток. Слово «практически» учитывает, что неэлектролиты могут проводить ток очень слабо, но их не относят к проводникам-электролитам.

Разбор задач

Классификация веществ

Условие. Распределите NaCl, HCl, NaOH, сахар и этанол на электролиты и неэлектролиты. Объясните классификацию. Нужно выяснить, какие частицы появляются в воде: подвижные ионы или преимущественно молекулы.

1. Определяем вещества, для которых в водном растворе характерно образование ионов: NaCl, HCl и NaOH.
2. Относим их к электролитам, поскольку подвижные ионы обеспечивают перенос заряда.
3. Сахар и этанол растворяются преимущественно в виде молекул, поэтому относим их к неэлектролитам.

Ответ: электролиты — NaCl, HCl, NaOH; неэлектролиты — сахар и этанол. Классификация основана не на том, растворяется ли вещество, а на том, возникают ли в растворе подвижные ионы.

Уравнения диссоциации

Условие. Запишите уравнения диссоциации Na₂SO₄, CaCl₂ и Al₂(SO₄)₃, укажите катионы и анионы. Индексы в формуле подсказывают, сколько частиц каждого вида нужно получить, а заряды ионов помогают проверить запись.

1. Для Na₂SO₄ получаем два катиона натрия Na⁺ и один сульфат-анион SO₄²⁻: Na₂SO₄ → 2Na⁺ + SO₄²⁻.
2. Для CaCl₂ получаем один катион кальция Ca²⁺ и два хлорид-аниона Cl⁻: CaCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl⁻.
3. Для Al₂(SO₄)₃ получаем два катиона алюминия Al³⁺ и три сульфат-аниона SO₄²⁻: Al₂(SO₄)₃ → 2Al³⁺ + 3SO₄²⁻.
4. Сверяем число атомов каждого элемента и общий заряд слева и справа: суммарный заряд ионов в каждом уравнении равен нулю.

Ответ: катионы — Na⁺, Ca²⁺, Al³⁺; анионы — SO₄²⁻ и Cl⁻. Коэффициенты показывают число ионов, а сохранение атомов и заряда служит проверкой уравнений.

Проводимость раствора и кристалла

Условие. Объясните, почему раствор NaCl проводит ток, а кристалл NaCl — почти нет; опишите движение частиц при подключении источника тока. Здесь важно различать наличие ионов и возможность этих ионов перемещаться.

1. В твёрдой соли ионы Na⁺ и Cl⁻ расположены в кристаллической решётке и закреплены в ней.
2. При растворении в воде частицы отделяются от решётки, оказываются окружены молекулами воды и могут свободно перемещаться.
3. Электрическое поле задаёт направление движения: Na⁺ движутся к отрицательному электроду, а Cl⁻ — к положительному.

Ответ: раствор NaCl проводит ток, потому что его подвижные ионы переносят заряд. В кристалле ионы присутствуют, но почти неподвижны, поэтому проводимость мала.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что любой раствор проводит электрический ток. Её допускают, смешивая сам факт растворения с образованием ионов: сахар растворяется, но остаётся преимущественно молекулами. Проверьте, появляется ли в растворе достаточно подвижных заряженных частиц; если нет, вещество относят к неэлектролитам.

Ошибка: записывать диссоциацию как распад на нейтральные атомы. Так можно подумать, если забыть, что электропроводность связана с заряженными частицами. Проверьте каждую частицу в правой части уравнения: это должен быть катион или анион с указанным зарядом, а не свободный нейтральный атом.

Ошибка: забывать коэффициенты или неверно указывать заряд, например писать Na₂SO₄ → Na⁺ + SO₄⁻. Тогда нарушаются число атомов натрия и баланс зарядов: сульфат-ион имеет заряд 2−, а двум ионам Na⁺ соответствует один SO₄²⁻. Для самопроверки пересчитайте атомы и сложите заряды обеих частей уравнения.

Ошибка: утверждать, что раствор электролита состоит только из ионов. Это упрощение возникает, если не учитывать обратное соединение ионов. Проверьте себя: при обратимой диссоциации в растворе могут оставаться недиссоциированные частицы, а соотношение между ними зависит от равновесия.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в диссоциации, нужно знать строение атома, образование ионов, виды химической связи и уметь читать формулы электролитов. Эти знания помогают определить, какие заряженные частицы могут появиться в растворе и с какими зарядами их записывать. Теория нужна для изучения реакций ионного обмена и составления полных и сокращённых ионных уравнений. На неё также опираются при изучении кислот, оснований, солей, электролиза и свойств растворов.

Что запомнить

• Электролиты проводят ток в растворах и расплавах.
• Причина электропроводности — наличие подвижных ионов.
• При диссоциации электролиты распадаются на катионы и анионы.
• Вода ослабляет связи между частицами электролита и гидратирует ионы.
• Диссоциация является обратимым процессом.
• Свойства раствора определяются ионами, находящимися в нём.
• Твёрдый электролит обычно не проводит ток, потому что его ионы закреплены в кристаллической решётке.