§ 7. Сильные и слабые электролиты. Количественные характеристики процесса электролитической диссоциации

Определения и обозначения

Электролиты — вещества, растворы и расплавы которых проводят электрический ток благодаря подвижным ионам. Ионы — заряженные частицы: положительные катионы и отрицательные анионы. Это понятие помогает объяснить, почему ток проходит через раствор, хотя в нём нет металлической проволоки.

Сильные электролиты — вещества, практически полностью распадающиеся на ионы в растворе. Исходных молекул или других частиц, не распавшихся на ионы, остаётся очень мало. Такое определение нужно, чтобы отличать почти полный распад от частичного.

Слабые электролиты диссоциируют, то есть распадаются на ионы, лишь частично. В растворе одновременно присутствуют ионы и недиссоциированные частицы, а между ними устанавливается равновесие. Поэтому состав раствора слабого электролита нельзя описать как состоящий только из ионов.

Степень электролитической диссоциации — отношение числа распавшихся на ионы частиц к их исходному числу. Её обозначают греческой буквой α: α = n(распавшихся частиц) / n(исходных частиц). Степень можно выразить долей или процентом: например, α = 0,2 соответствует 20%; это позволяет количественно сравнивать диссоциацию.

Как это устроено

Вода состоит из полярных молекул: в них заряд распределён неравномерно. Когда электролит растворяется, молекулы воды притягиваются к заряженным частям его частиц и ослабляют взаимодействие между ними. Частицы отделяются друг от друга, образуются ионы, которые могут перемещаться по раствору. В электрическом поле катионы движутся к отрицательному электроду, анионы — к положительному, поэтому возникает электрический ток.

У сильного электролита взаимодействие с растворителем приводит к распаду почти всех исходных частиц на ионы. Обратное соединение ионов в частицы в растворе выражено настолько слабо, что обычно им пренебрегают. У слабого электролита распадается только часть частиц, а ионы могут вновь соединяться. Скорости распада и соединения уравниваются, поэтому устанавливается динамическое равновесие: превращения продолжаются, но соотношение частиц в растворе в целом не меняется.

Различие в характере процесса показывают знаками в уравнениях. Для практически полного распада используют стрелку в сторону образования ионов: NaCl → Na⁺ + Cl⁻. Для слабого электролита ставят знак обратимости: CH₃COOH ⇄ H⁺ + CH₃COO⁻. Этот знак показывает, что в растворе идут и диссоциация, и обратное соединение частиц, а не то, что реакция остановилась.

Степень диссоциации зависит от природы электролита и растворителя, температуры и концентрации раствора. Например, одно и то же вещество может вести себя по-разному в разных растворителях, потому что растворители неодинаково взаимодействуют с его частицами. При разбавлении слабого электролита его степень диссоциации обычно возрастает: равновесие смещается к образованию ионов. Поэтому нельзя считать α неизменной характеристикой вещества при любых условиях.

Для расчётов сначала связывают число распавшихся частиц с исходным количеством: α = nрасп / nисх. Если известна степень диссоциации, то количество распавшегося вещества равно nрасп = α · nисх; процент перед вычислением переводят в долю. Затем по уравнению определяют количество каждого иона. Коэффициенты показывают, сколько частиц данного вида образуется из одной распавшейся частицы электролита.

Сравнение сильных и слабых электролитов

Сначала по строкам сравните, насколько полно распадаются частицы и какой знак ставить в уравнении. Примеры помогают ориентироваться, но при решении задачи обязательно учитывайте конкретное вещество. Последняя строка сравнивает влияние разбавления на ионы и на степень диссоциации: эти величины не следует смешивать.

Разбор задач

Сильные и слабые электролиты и их уравнения

Задача. Распределите HCl, CH₃COOH, NaOH и NaCl на сильные и слабые электролиты и запишите уравнения их диссоциации. Для выбора знака важно определить, происходит ли почти полный распад или частичная диссоциация с равновесием. Соляная кислота, гидроксид натрия и растворимая соль NaCl относятся к сильным электролитам, а уксусная кислота — к слабым.

1. Запишите формулы веществ и определите их тип: HCl — кислота, CH₃COOH — кислота, NaOH — щёлочь, NaCl — соль.
2. Для сильных электролитов покажите образование ионов одной стрелкой: HCl → H⁺ + Cl⁻; NaOH → Na⁺ + OH⁻; NaCl → Na⁺ + Cl⁻.
3. Для слабой уксусной кислоты покажите обратимость: CH₃COOH ⇄ H⁺ + CH₃COO⁻. Проверьте, чтобы суммарный заряд и состав атомов в обеих частях уравнения совпадали.

Ответ. Сильные электролиты — HCl, NaOH и NaCl; слабый — CH₃COOH. У сильных веществ распад на ионы практически полный, а знак ⇄ у кислоты показывает установление равновесия между молекулами и ионами.

Вычисление степени диссоциации

Задача. В растворе содержалось 0,50 моль молекул электролита, из которых на ионы распалось 0,10 моль. Рассчитайте степень электролитической диссоциации. Нужно сравнить распавшееся количество с исходным, а не вычитать одно из другого. Величина α является отношением и потому не измеряется в молях.

1. Запишите формулу: α = n(распавшихся частиц) / n(исходных частиц).
2. Подставьте данные: α = 0,10 / 0,50 = 0,20. Единицы «моль» сокращаются, поэтому результат — безразмерная доля.
3. Чтобы получить проценты, умножьте долю на 100%: 0,20 · 100% = 20%.

Ответ. Степень диссоциации равна α = 0,20, или 20%. Это означает, что на ионы распалась пятая часть исходных частиц, а не что распалось 0,20 моль.

Количество ионов при распаде соли

Задача. При диссоциации 0,20 моль CaCl₂ определите количество ионов Ca²⁺ и Cl⁻, образовавшихся при полном распаде вещества. Главная подсказка — индексы в формуле соли: на один ион кальция приходятся два иона хлора. Поэтому количества разных ионов будут неодинаковыми.

1. Запишите уравнение: CaCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl⁻. Проверьте заряд: +2 и два заряда −1 дают суммарный заряд 0.
2. По коэффициенту перед Ca²⁺ найдите его количество: n(Ca²⁺) = 0,20 · 1 = 0,20 моль.
3. Перед Cl⁻ стоит коэффициент 2, поэтому n(Cl⁻) = 0,20 · 2 = 0,40 моль. Не забудьте, что число два относится к хлорид-ионам.

Ответ. Образуется 0,20 моль Ca²⁺ и 0,40 моль Cl⁻. Проверка по уравнению показывает, что на каждую формульную единицу CaCl₂ приходится один катион кальция и два аниона хлора.

Типичные ошибки

Сильный электролит иногда ошибочно считают обязательно более концентрированным. Так путают полноту распада частиц с количеством вещества в объёме раствора; проверьте себя вопросом: сравнивается доля распавшихся частиц или содержание вещества? Это разные характеристики, и разбавленный раствор может содержать сильный электролит.

Для слабой кислоты порой записывают одну стрелку к ионам, потому что при составлении уравнения вспоминают только продукты распада. Но слабый электролит диссоциирует частично, а ионы вновь соединяются; проверьте, есть ли между ними равновесие. Для такой реакции используйте знак ⇄.

Степень диссоциации иногда принимают за количество распавшегося вещества, поскольку оба значения участвуют в расчётах. Однако α — отношение распавшихся частиц к исходному числу, а не величина в молях; проверьте, сокращаются ли единицы при делении. Если в ответе для α остались моли, формула применена неверно.

При диссоциации соли можно не заметить индексы или коэффициенты и получить одинаковое число всех ионов. Их количества задаются уравнением, например в CaCl₂ на один катион кальция образуются два хлорид-иона. Проверьте ответ по коэффициентам и по сохранению суммарного заряда; для 0,20 моль CaCl₂ количество Cl⁻ должно быть вдвое больше количества Ca²⁺.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в диссоциации, нужно знать строение атома и иона, различать катионы и анионы и уметь составлять формулы кислот, оснований и солей. Тема продолжает изучение электролитической диссоциации: теперь распад на ионы можно сравнивать количественно. Эти знания объясняют электропроводность растворов и помогают составлять уравнения реакций ионного обмена, в том числе сокращённые ионные уравнения.

Степень диссоциации пригодится при сравнении силы электролитов и решении задач по растворам. Она показывает долю распавшихся частиц, тогда как уравнение диссоциации задаёт соотношение между образующимися ионами. Вместе эти способы описания позволяют перейти от состава раствора к расчёту количества частиц.

Что запомнить

• Электролиты проводят ток в растворах и расплавах благодаря подвижным ионам.
• Сильные электролиты диссоциируют практически полностью.
• Слабые электролиты диссоциируют частично, и в растворе устанавливается равновесие.
• Степень диссоциации обозначают α.
• α равна отношению числа распавшихся частиц к их исходному числу.
• При разбавлении раствора слабого электролита его степень диссоциации обычно увеличивается.
• Количество образовавшихся ионов определяют по уравнению диссоциации.