34. Электролитическая диссоциация

Определения и обозначения

Электролиты — вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток благодаря подвижным ионам. К ним относятся многие кислоты, основания и соли. Это понятие помогает понять, почему одни жидкости проводят ток, а другие — нет.

Неэлектролиты — вещества, растворы которых практически не проводят электрический ток, поскольку в них не образуются подвижные ионы. Например, сахар растворяется в воде, но остаётся в виде нейтральных молекул. Различие между электролитами и неэлектролитами объясняет, будет ли раствор проводить ток.

Электролитическая диссоциация — распад электролита на ионы при растворении в воде или плавлении. Слово «диссоциация» означает разделение частиц вещества на более мелкие заряженные частицы. Понятие нужно, чтобы описывать, какие частицы возникают в растворе и участвуют в химических реакциях.

Ионы — положительно или отрицательно заряженные частицы; положительные ионы называют катионами, отрицательные — анионами. Заряд появляется, когда частица отдаёт или присоединяет электроны. Названия ионов помогают правильно читать уравнения: например, Na⁺ — катион, а Cl⁻ — анион.

Как это устроено

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц. В металле заряд переносят электроны, а в растворах и расплавах электролитов — ионы. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду, а отрицательные — к положительному, поэтому оба вида частиц участвуют в переносе тока. Если заряженные частицы не могут двигаться, раствор или вещество не проводит ток.

Молекула воды полярная: её части имеют небольшие противоположные заряды. Поэтому молекулы воды притягиваются к заряженным частям частиц растворяемого вещества. Их взаимодействие ослабляет притяжение между частицами вещества, и те отделяются друг от друга; в растворе вокруг ионов оказываются молекулы воды. Так вода помогает электролиту распасться на ионы, а не просто распределяет его частицы по объёму.

При диссоциации частица вещества разделяется на положительные и отрицательные ионы, а не превращается только в один вид заряженных частиц. Например, из нейтральной частицы NaCl образуются Na⁺ и Cl⁻. Положительный и отрицательный заряды взаимно компенсируются, поэтому общий заряд раствора остаётся нулевым. Это условие необходимо соблюдать и в записи уравнения.

Состав образующихся ионов зависит от класса электролита. Кислота даёт катионы водорода и анионы кислотного остатка; основание — катион металла и гидроксид-ионы OH⁻. Соль распадается на катион металла и анион кислотного остатка. Например, HCl даёт H⁺ и Cl⁻, а NaOH — Na⁺ и OH⁻.

В уравнении диссоциации формулу исходного вещества записывают слева, а формулы ионов — справа. Число атомов каждого элемента сохраняют, ставя коэффициенты перед формулами ионов; индексы внутри формул не меняют. Заряд иона указывают верхним индексом, а коэффициент показывает, сколько таких ионов образуется. В конце сравнивают суммарный заряд справа с зарядом исходного вещества: для нейтрального электролита он должен быть равен нулю.

Диссоциация основных классов электролитов

Сначала определите класс вещества, затем по формуле назовите катион и анион. Индексы в формуле подскажут, сколько частиц каждого вида нужно записать справа. После этого проверьте, что общий заряд ионов равен заряду исходного вещества.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнения электролитической диссоциации NaCl и HCl. Сначала определим, из каких ионов состоят эти вещества. NaCl — соль, поэтому образуются катион натрия и анион хлора; HCl — кислота, поэтому она даёт катион водорода и анион хлора. В обеих формулах атомы и заряды уравновешиваются без дополнительных коэффициентов.

1. NaCl распадается на Na⁺ и Cl⁻.
2. HCl распадается на H⁺ и Cl⁻.
3. Проверяем: у каждой пары общий заряд равен нулю.

Ответ: NaCl → Na⁺ + Cl⁻; HCl → H⁺ + Cl⁻.

Задача 2. Запишите уравнения диссоциации Ca(OH)₂ и Al₂(SO₄)₃, расставив коэффициенты. В Ca(OH)₂ один катион кальция и две группы OH; каждая группа образует отдельный гидроксид-ион. В Al₂(SO₄)₃ два атома алюминия и три группы SO₄, поэтому справа нужны два катиона алюминия и три сульфат-иона. Индексы внутри формул веществ и сложных ионов оставляем неизменными.

1. Для Ca(OH)₂ записываем Ca²⁺ и 2OH⁻.
2. Для Al₂(SO₄)₃ записываем 2Al³⁺ и 3SO₄²⁻.
3. Проверяем заряды: +2 − 2 = 0; 2·(+3) + 3·(−2) = 0.

Ответ: Ca(OH)₂ → Ca²⁺ + 2OH⁻; Al₂(SO₄)₃ → 2Al³⁺ + 3SO₄²⁻.

Задача 3. В растворе обнаружены ионы Ba²⁺ и Cl⁻. Определите формулу исходного электролита и запишите уравнение его диссоциации. Один ион бария имеет заряд +2, а каждый хлорид-ион — заряд −1. Чтобы положительный заряд уравновесился, нужны два хлорид-иона на один ион бария; значит, в формуле вещества будет один атом бария и два атома хлора.

1. Подбираем соотношение: один Ba²⁺ и два Cl⁻.
2. Записываем формулу нейтральной соли: BaCl₂.
3. Проверяем заряд: +2 + 2·(−1) = 0.

Ответ: формула электролита — BaCl₂; уравнение диссоциации: BaCl₂ → Ba²⁺ + 2Cl⁻.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что при диссоциации образуются нейтральные атомы или молекулы. Так можно подумать, если воспринимать распад как простое разделение вещества, но тогда не объяснить, откуда берётся проводимость раствора. При диссоциации образуются именно заряженные ионы. Проверьте запись: у каждой частицы-иона должен быть указан заряд.

Нельзя менять индексы в формуле исходного вещества, чтобы уравнять количество частиц. Индексы задают состав вещества, поэтому их изменение превращает его в другое соединение. Число ионов указывают коэффициентами перед их формулами. Для самопроверки сравните формулу слева с числом атомов и групп ионов справа.

Иногда забывают коэффициент перед ионом, если в исходной формуле содержится несколько одинаковых частиц. Например, запись Ca(OH)₂ → Ca²⁺ + OH⁻ не сохраняет две группы OH. Считайте индексы за скобками и ставьте соответствующий коэффициент перед ионом: Ca(OH)₂ → Ca²⁺ + 2OH⁻.

Ещё одна ошибка — неверно указывать заряд иона или не проверять общий заряд. Например, для Al₂(SO₄)₃ важно учесть, что два Al³⁺ дают заряд +6, а три SO₄²⁻ — заряд −6. Сложите заряды с учётом коэффициентов: для нейтрального вещества результат должен быть равен нулю. Если он не равен нулю, проверьте и заряды ионов, и их количество.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны знания о строении атома и ионах, а также умение определять валентность и составлять формулы веществ. Эти знания помогают понять, почему возникают заряженные частицы и как подобрать их количество. Диссоциация пригодится при изучении свойств кислот, оснований и солей и реакций обмена в растворах. Она также служит основой для записи полных и сокращённых ионных уравнений, где показывают частицы, реально участвующие в реакции.

Что запомнить

• Электролиты проводят ток в растворах и расплавах благодаря подвижным ионам.
• Электролитическая диссоциация — распад вещества на ионы при растворении или плавлении.
• Катионы имеют положительный заряд, а анионы — отрицательный.
• Кислоты диссоциируют с образованием ионов водорода.
• Основания диссоциируют с образованием гидроксид-ионов.
• Соли распадаются на катионы металла и анионы кислотного остатка.
• Суммарный заряд ионов соответствует электронейтральности исходного вещества.