§ 16. Электролитическая диссоциация

Определения и обозначения

Электролиты — вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток. Ток в них переносят не электроны, как в металлах, а подвижные ионы. К электролитам относятся многие кислоты, основания и соли.

Неэлектролиты — вещества, растворы которых не проводят электрический ток, потому что в них нет свободных подвижных ионов. Например, раствор сахара содержит молекулы сахара и воды, но не содержит частиц, способных переносить заряд. Это понятие помогает объяснить разницу между просто растворением и электропроводностью.

Электролитическая диссоциация — распад электролита на ионы при растворении в воде или плавлении. При этом частицы не исчезают: атомы сохраняются, но входят в состав заряженных частиц. Такое определение нужно, чтобы правильно понимать происхождение проводимости растворов.

Ионы — заряженные частицы, образующиеся при диссоциации. Положительные ионы называют катионами, а отрицательные — анионами; знаки их зарядов записывают сверху справа, например Na⁺ и Cl⁻. Вид и заряд ионов позволяют составить верное уравнение диссоциации.

Как это устроено

Молекула воды полярна: у атома кислорода возникает частичный отрицательный заряд, а у атомов водорода — частичный положительный. Поэтому разные участки молекул воды притягивают противоположно заряженные частицы растворяемого вещества. Такое притяжение ослабляет связи между частицами и помогает им отделиться друг от друга.

В ионном кристалле, например в хлориде натрия, катионы и анионы уже существуют и упорядоченно расположены в решётке. При растворении молекулы воды окружают ионы и ослабляют их взаимное притяжение, поэтому решётка разрушается. Освободившиеся Na⁺ и Cl⁻ переходят в раствор, сохраняя свои заряды.

У веществ с молекулярным строением исходные частицы являются нейтральными молекулами. Полярные молекулы воды иногда так взаимодействуют с ними, что внутри молекул образуются ионы, например при растворении хлороводорода. Однако молекулярное строение само по себе не гарантирует диссоциацию: сахар растворяется, но остаётся в виде нейтральных молекул.

В растворе ионы перемещаются хаотически из-за непрерывного движения частиц. Когда к раствору подключают источник тока, электрическое поле задаёт им преимущественное направление: катионы движутся к отрицательному электроду, анионы — к положительному. Так беспорядочное движение превращается в перенос электрического заряда.

Раствор или расплав проводит ток только тогда, когда в нём есть частицы, способные перемещаться и переносить заряд. У электролитов такими частицами служат ионы, свободно движущиеся в жидкости или расплаве. В растворе неэлектролита преобладают нейтральные молекулы, поэтому направленного переноса заряда практически нет.

Электролиты и неэлектролиты в растворе

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, какие частицы находятся в растворе: ионы или нейтральные молекулы. Затем по наличию подвижных ионов можно сделать вывод об электропроводности. Формулировка «растворилось» ещё не означает, что вещество стало электролитом.

Разбор задач

Задача 1. Определить, какие из веществ NaCl, сахар и HCl являются электролитами в водном растворе. Нужно связать состав раствора с наличием подвижных ионов. Проверяем не само вещество в сухом виде, а частицы, появившиеся после растворения.

1. NaCl распадается на ионы Na⁺ и Cl⁻, поэтому раствор проводит ток.
2. HCl в воде образует ионы H⁺ и Cl⁻, поэтому его раствор также является электролитом.
3. Сахар растворяется в виде нейтральных молекул и свободных ионов не образует.

Ответ: электролиты — NaCl и HCl; сахар — неэлектролит.

Задача 2. Составить уравнение диссоциации хлорида натрия в воде. Сначала определяем ионы, из которых построена формульная единица NaCl, затем проверяем количество атомов и зарядов. Один атом натрия и один атом хлора дают по одному иону.

1. Записываем исходную формулу: NaCl.
2. Определяем ионы: Na⁺ и Cl⁻.
3. Ставим стрелку и проверяем баланс: NaCl → Na⁺ + Cl⁻; слева и справа по одному атому каждого элемента, общий заряд справа равен 0.

Ответ: NaCl → Na⁺ + Cl⁻.

Задача 3. Составить уравнение диссоциации CaCl₂ и определить число катионов и анионов. Индекс ₂ относится к хлору, поэтому из одной формульной единицы образуются два хлорид-иона. Заряд Ca²⁺ компенсируется двумя зарядами Cl⁻.

1. Записываем катион кальция Ca²⁺ и анион хлора Cl⁻.
2. Учитываем индекс ₂ перед хлорид-ионами: CaCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl⁻.
3. Проверяем заряд: +2 + 2 · (−1) = 0, число атомов кальция и хлора сохранено.

Ответ: образуются один катион Ca²⁺ и два аниона Cl⁻; уравнение: CaCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl⁻.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что ионы возникают только под действием электрического тока. Так думают из-за связи темы с проводимостью, но диссоциация начинается при растворении или плавлении. Проверьте себя: сначала должны появиться ионы, а уже затем поле сможет направить их движение.

Ошибка — путать диссоциацию с распадом на нейтральные атомы или молекулы. При диссоциации электролит образует заряженные ионы, иначе раствор не получил бы ионную проводимость. В записи уравнения проверьте наличие знаков «+» или «−» у продуктов.

Ошибка — неверно указывать знаки зарядов и направление движения. Катион положителен и движется к отрицательному электроду, анион отрицателен и направляется к положительному. Для проверки мысленно используйте правило притяжения противоположных зарядов.

Ошибка — забывать индексы и заряды в уравнении. Из-за этого нарушаются число атомов или общий заряд, например вместо CaCl₂ ошибочно записывают один Cl⁻. Сосчитайте атомы слева и справа, а затем сложите заряды всех ионов.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать строение атома и иона, смысл электрического заряда и химической формулы. Также важно различать катионы и анионы: их заряд определяет состав раствора и направление движения в электрическом поле.

Электролитическая диссоциация понадобится при изучении реакций ионного обмена. Зная, какие ионы находятся в растворе, можно составлять полные и сокращённые ионные уравнения и понимать, какие частицы реально участвуют в реакции.

Что запомнить

• Электролиты образуют в растворе или расплаве подвижные ионы.
• Неэлектролиты не образуют в растворе достаточного количества подвижных ионов.
• Электролитическая диссоциация происходит при растворении в воде или плавлении.
• Положительно заряженные ионы называются катионами, отрицательно заряженные — анионами.
• В электрическом поле катионы движутся к отрицательному электроду, а анионы — к положительному.
• Суммарный заряд ионов в уравнении диссоциации должен соответствовать заряду исходной формульной единицы.