§ 36. Электролитическая диссоциация

Определения и обозначения

Электролитическая диссоциация — распад электролита на ионы при растворении в воде или расплавлении. Ионы — это заряженные частицы, а не нейтральные частицы вещества. Благодаря их движению раствор или расплав может проводить электрический ток, поэтому диссоциация помогает объяснить электрические свойства растворов.

Электролиты — вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток благодаря подвижным ионам. К электролитам относят кислоты, например соляную кислоту HCl, основания, например гидроксид натрия NaOH, и соли, например хлорид натрия NaCl. Это название помогает объединить вещества с общим свойством: при растворении в воде они образуют ионы.

Неэлектролиты — вещества, растворы которых практически не проводят электрический ток, потому что в них не образуется достаточного количества подвижных ионов. Примеры таких веществ — сахар и этанол. Их растворение само по себе не означает диссоциацию: частицы могут оставаться нейтральными молекулами.

Ионы — заряженные частицы, которые возникают при диссоциации. Положительные ионы называют катионами, а отрицательные — анионами; например, Na⁺ — катион, а Cl⁻ — анион. Эти названия нужны, чтобы различать знаки зарядов и правильно записывать продукты распада вещества.

Как это устроено

Кислоты, основания и соли относят к электролитам, потому что при растворении в воде их частицы дают ионы. Например, из частиц соли NaCl в растворе возникают Na⁺ и Cl⁻, а раствор кислоты тоже содержит заряженные частицы. Именно наличие ионов, способных двигаться, отличает такие растворы от растворов многих молекулярных веществ.

Молекулы воды полярны: со стороны атома кислорода у них сосредоточен небольшой отрицательный заряд, а со стороны атомов водорода — небольшой положительный. Поэтому молекулы воды притягиваются к заряженным частям вещества и окружают их. Такое взаимодействие ослабляет притяжение частиц друг к другу, и ионы могут разделиться и распределиться по раствору.

При диссоциации ионы не возникают из ничего: частицы вещества перераспределяют электрические заряды. Если атом или группа атомов получает недостающие электроны, частица становится отрицательной; если отдаёт электроны — положительной. Поэтому катионы имеют знак «плюс», анионы — знак «минус», а раствор в целом остаётся электрически нейтральным: суммарные положительные и отрицательные заряды уравновешиваются.

В электрическом поле ионы начинают направленно двигаться: катионы притягиваются к отрицательному электроду, анионы — к положительному. Электроды — проводники, через которые ток входит в раствор и выходит из него. Перемещение ионов переносит заряд через весь объём раствора, поэтому электролит проводит ток; в отличие от металлического проводника, здесь заряд переносят не электроны, свободно движущиеся по раствору, а ионы.

Состав формулы подсказывает, какие ионы образуются и сколько их нужно записать. В хлориде кальция один атом кальция и два атома хлора, поэтому CaCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl⁻: коэффициент 2 сохраняет число атомов хлора, а заряды взаимно компенсируются. В гидроксиде кальция два гидроксид-иона OH⁻ уравновешивают заряд катиона Ca²⁺: Ca(OH)₂ → Ca²⁺ + 2OH⁻. Скобки и индексы формулы помогают не потерять целые группы атомов.

Электролиты и неэлектролиты

Чтобы определить тип вещества, сравните, появляются ли в его растворе подвижные ионы и проводит ли раствор ток. Таблица даёт общую картину, но не заменяет проверку конкретной формулы. Помните, что речь идёт именно о растворе или расплаве, а не обязательно о твёрдом веществе.

Разбор задач

1. Электролиты и неэлектролиты

Определите, какие из веществ — хлорид натрия, сахар и соляная кислота — относятся к электролитам. Сравним вещества не по тому, растворяются ли они в воде, а по тому, образуют ли в растворе подвижные ионы. Это различие важно: растворимость сама по себе ещё не означает способность раствора проводить ток.

1. Хлорид натрия — соль, поэтому в воде он распадается на Na⁺ и Cl⁻; раствор содержит подвижные ионы.
2. Сахар растворяется, но его частицы остаются нейтральными молекулами, поэтому заметного количества ионов не появляется.
3. Соляная кислота HCl — кислота и электролит: при растворении она образует положительные и отрицательные ионы.

Ответ: хлорид натрия и соляная кислота — электролиты, сахар — неэлектролит. Для проверки вывода можно спросить, какие заряженные частицы будут переносить заряд в каждом растворе. У сахара таких частиц почти нет.

2. Диссоциация хлорида кальция

Запишите уравнение диссоциации CaCl₂ в воде. Сначала определим, из каких ионов состоит соль: кальций образует катион Ca²⁺, а хлор — анион Cl⁻. Затем подберём число частиц так, чтобы совпали и состав исходной формулы, и общий заряд.

1. Запишите сначала катион кальция, затем анион хлора: Ca²⁺ и Cl⁻.
2. В формуле CaCl₂ указаны два атома хлора, поэтому справа поставьте коэффициент 2 перед Cl⁻.
3. Проверьте заряд: +2 + 2 · (−1) = 0. Число атомов кальция и хлора также совпадает с исходной формулой.

Ответ: CaCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl⁻. Коэффициент 2 показывает, что из одной формульной единицы соли возникают два хлорид-иона. Индекс 2 в формуле и коэффициент перед ионом выполняют разные роли, но оба учитывают число частиц хлора.

3. Диссоциация сульфата алюминия

Запишите диссоциацию Al₂(SO₄)₃ и определите число катионов и анионов из одной формульной единицы. Сульфат-ион SO₄²⁻ — группа атомов с общим зарядом −2, а катион алюминия имеет заряд +3. Скобки показывают, что группа SO₄ повторяется три раза целиком.

1. Разделите состав на ионы: алюминий даёт Al³⁺, сульфатная группа — SO₄²⁻.
2. Учтите индексы: в формуле два атома алюминия и три сульфат-иона, поэтому запишите 2Al³⁺ и 3SO₄²⁻.
3. Проверьте заряд: 2 · (+3) + 3 · (−2) = +6 − 6 = 0. Состав атомов тоже сохранён: два Al и три группы SO₄.

Ответ: Al₂(SO₄)₃ → 2Al³⁺ + 3SO₄²⁻. Из одной формульной единицы образуются два катиона и три аниона, всего пять ионов. Равенство суммарного заряда нулю подтверждает, что заряды ионов учтены верно.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что при диссоциации появляются нейтральные атомы. Такое представление возникает, если забыть, что раствор электролита проводит ток именно благодаря заряженным частицам. Проверка: у каждого иона в записи должен быть указан заряд, а продукты должны соответствовать формуле вещества.

Иногда катион принимают за отрицательный ион, а анион — за положительный. Названия легко перепутать, если не закрепить их по знаку заряда. Проверяйте знак: катион всегда положительный, анион — отрицательный; в записи Na⁺ катион стоит перед Cl⁻.

Если не учесть индексы, в уравнении окажется неверное число ионов или атомов. Это случается, когда формулу читают только по символам и пропускают цифры или скобки. Сосчитайте атомы и группы по обе стороны стрелки: для CaCl₂ справа нужны два Cl⁻, а для Al₂(SO₄)₃ — три SO₄²⁻.

Неверно объяснять проводимость раствора движением электронов по всему его объёму. Электроны действительно участвуют в переносе заряда в проводах и электродах, поэтому их легко ошибочно приписать и раствору. Проверьте себя по частицам раствора: ток через него переносят движущиеся катионы и анионы, направляющиеся к электродам противоположного знака.

Связь с другими темами

Для понимания диссоциации нужны знания об атоме, молекуле, химическом элементе, химической формуле и заряде частицы. По формуле находят состав вещества, а по зарядам — какие ионы могут возникнуть и сколько их нужно записать. Эти умения пригодятся при изучении свойств растворов кислот, оснований и солей. Позже они помогут разбирать реакции ионного обмена, где взаимодействуют частицы в растворе.

Что запомнить

• Электролитическая диссоциация — распад вещества на ионы в воде или расплаве.
• К электролитам относят кислоты, основания и соли.
• Положительные ионы называются катионами, отрицательные — анионами.
• Растворы электролитов проводят электрический ток благодаря движению ионов.
• При записи диссоциации нужно сохранять число атомов и суммарный заряд.
• Неэлектролиты не образуют в растворе достаточного количества подвижных ионов.