§ 11. Удивительные свойства обычных растворов

Определения и обозначения

Электролиты — вещества, растворы и расплавы которых проводят электрический ток благодаря наличию ионов. К ним относятся многие кислоты, основания и соли. Это понятие помогает заранее понять, будет ли раствор проводить ток.

Неэлектролиты — вещества, растворы которых практически не проводят электрический ток, поскольку в них нет свободных ионов. Например, сахар и этиловый спирт могут растворяться в воде, но сохраняют нейтральные молекулы. Значит, само растворение ещё не доказывает наличие электропроводности.

Электролитическая диссоциация — распад электролита на положительные и отрицательные ионы при растворении в воде или плавлении. Например, частицы NaCl в воде превращаются в Na⁺ и Cl⁻. Это объяснение связывает состав раствора с его способностью проводить ток.

Ионы — заряженные частицы, образующиеся из атомов или групп атомов при потере или присоединении электронов. Ионы с положительным зарядом называют катионами, а с отрицательным — анионами. По знаку и заряду иона можно записать состав раствора и направление его движения.

Как это устроено

Раствор поваренной соли проводит ток, потому что кристалл NaCl в воде распадается на подвижные Na⁺ и Cl⁻. В кристалле эти частицы удерживаются силами притяжения, а сахар состоит из нейтральных молекул, которые при растворении не превращаются в заряженные частицы. Поэтому раствор сахара почти не проводит ток, хотя самого сахара в воде может быть много.

Молекула воды полярна: у её разных участков частично проявляются противоположные заряды. Такие молекулы притягиваются к ионам и ослабляют их связь друг с другом в кристалле или молекуле электролита. В результате частицы отделяются, окружаются молекулами воды и переходят в гидратированное, то есть водно-окружённое, состояние.

Ион нельзя отождествлять с исходным нейтральным атомом или молекулой. Например, атом натрия Na нейтрален, а ион Na⁺ имеет на один электрон меньше и положительный заряд. Молекула HCl также нейтральна, но после диссоциации в воде возникают заряженные H⁺ и Cl⁻.

При подключении электродов электрическое поле заставляет ионы двигаться направленно. Катионы перемещаются к катоду, анионы — к аноду, поэтому противоположные частицы переносят заряд в разных направлениях. Это упорядоченное движение ионов и есть электрический ток в растворе.

Электропроводность определяется тем, какие частицы образуются из растворённого вещества и сколько их становится свободными. Сильные электролиты, например соляная кислота или хлорид натрия, диссоциируют почти полностью, а слабые, например уксусная кислота, — только частично. При одинаковой концентрации раствор сильного электролита обычно содержит больше ионов и проводит ток лучше.

Сравнение растворов электролитов и неэлектролитов

Сначала определите, образует ли вещество ионы в воде, а затем оцените электропроводность. Если ионы есть, раствор относится к электролитам; количество ионов помогает сравнить сильные и слабые электролиты. Таблица особенно полезна при разборе новых веществ по их формуле и составу.

Разбор задач

Задача 1. Распределение веществ

Условие: распределите на электролиты и неэлектролиты хлорид натрия, сахар, соляную кислоту и этиловый спирт. Нужно выяснить, появляются ли в воде свободные ионы. Одного факта растворения для решения недостаточно.

1. NaCl — соль, поэтому в воде распадается на Na⁺ и Cl⁻.
2. HCl — кислота, образующая в растворе H⁺ и Cl⁻.
3. Сахар и этиловый спирт состоят из молекул, которые при растворении не диссоциируют на ионы.

Ответ: электролиты — хлорид натрия и соляная кислота; неэлектролиты — сахар и этиловый спирт.

Задача 2. Уравнения диссоциации

Условие: запишите диссоциацию NaCl, HCl и NaOH. Сначала определите, на какие заряженные частицы распадается формула вещества. Затем проверьте, чтобы число атомов и общий заряд сохранялись.

1. Хлорид натрия: NaCl → Na⁺ + Cl⁻.
2. Хлороводород: HCl → H⁺ + Cl⁻.
3. Гидроксид натрия: NaOH → Na⁺ + OH⁻.

Ответ: в каждом случае одна нейтральная формульная единица образует два иона с суммарным нулевым зарядом.

Задача 3. Сравнение кислот

Условие: сравните растворы уксусной и соляной кислот одинаковой концентрации. Требуется определить, в каком растворе больше свободных ионов. Концентрации одинаковы, поэтому решающим признаком будет степень диссоциации.

1. HCl — сильный электролит и в воде диссоциирует практически полностью.
2. Уксусная кислота — слабый электролит и распадается только частично.
3. В одинаковом объёме раствора HCl образуется больше свободных ионов, поэтому ток переносится эффективнее.

Ответ: раствор соляной кислоты проводит ток лучше, чем раствор уксусной кислоты той же концентрации.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что любое растворённое вещество распадается на ионы. Так происходит из-за смешения обычного растворения с диссоциацией. Проверьте себя вопросом: сохраняются ли нейтральные молекулы вещества в воде?

Ошибка 2. Записывать в растворе NaCl молекулы NaCl. В воде частицы соли представлены главным образом ионами Na⁺ и Cl⁻. Проверка проста: для электролита нужно указать заряженные частицы, на которые он распался.

Ошибка 3. Путать заряд иона с числом атомов в формуле. Верхний знак и число у Na⁺ или Cl⁻ показывают заряд, а нижний индекс в формуле показывает количество атомов. Отдельно проверьте оба обозначения перед записью уравнения.

Ошибка 4. Считать, что ток в растворе переносят электроны, как в металле. В электролите заряд перемещают катионы и анионы. Чтобы проверить ответ, назовите частицы, движущиеся к катоду и аноду.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, образовании ионов, химических формулах и электрическом заряде частиц. Без них трудно определить состав и заряд продуктов диссоциации.

Электролиты и ионы служат основой изучения кислот, оснований и солей. Позже эти понятия помогут составлять ионные уравнения реакций обмена в растворах.

При изучении электролиза понадобится представление о движении ионов к электродам. Оно также помогает объяснять, почему реакции в растворах протекают между конкретными заряженными частицами.

Что запомнить

• Электролиты в растворах распадаются на ионы.
• Именно свободные ионы обеспечивают электропроводность растворов.
• Неэлектролиты растворяются без образования заметного количества ионов.
• В воде ионы окружены молекулами воды и существуют в гидратированном состоянии.
• Катионы имеют положительный заряд, а анионы — отрицательный.
• Растворы сильных электролитов содержат больше свободных ионов, чем растворы слабых электролитов.