"Химия. Профильный уровень (в 2 частях)", Кузнецова Н.Е., Литвинова Т.Н., Лёвкин А.Н.
Теория электролитической диссоциации объясняет, почему одни растворы проводят электрический ток, а другие нет, и какие частицы участвуют в реакциях между веществами. При растворении или плавлении электролиты образуют подвижные катионы и анионы; по их составу можно записывать уравнения диссоциации и реакций в растворах. Главное — различать сильные и слабые электролиты, учитывать заряды ионов и понимать, что степень диссоциации показывает долю частиц, распавшихся на ионы.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электролит — вещество, раствор или расплав которого проводит электрический ток благодаря наличию подвижных ионов. К ним относятся, например, многие кислоты, основания и соли. Определение помогает понять, какие вещества могут проводить ток в растворе и участвовать в ионных реакциях.
Неэлектролит — вещество, раствор или расплав которого не проводит электрический ток, поскольку практически не образует ионов. Например, раствор сахарозы содержит молекулы, а не свободные заряженные частицы. Это понятие нужно, чтобы не путать хорошую растворимость вещества с его способностью проводить ток.
Электролитическая диссоциация — распад электролита на катионы и анионы при растворении или плавлении. Катионы — положительно заряженные ионы, а анионы — отрицательно заряженные. Термин описывает, откуда в растворе берутся носители электрического заряда и какие частицы следует указывать в уравнениях.
Степень диссоциации — отношение числа распавшихся на ионы частиц электролита к общему числу растворённых частиц. Её обозначают α: α = Nраспавшихся / Nобщего; для выражения в процентах результат умножают на 100%. Эта величина показывает, насколько полно электролит распался, и помогает сравнивать сильные и слабые электролиты.
В растворе или расплаве электролита есть ионы, способные перемещаться. Под действием электрического поля положительные ионы движутся к катоду, а отрицательные — к аноду, поэтому заряд переносится через всё вещество. В металлах ток переносят электроны, а в растворах электролитов — именно ионы. Если подвижных заряженных частиц нет, раствор не проводит ток заметно.
Молекула воды полярна: у её атомов кислорода и водорода частичные заряды различаются. Поэтому около катиона ориентируется преимущественно отрицательно заряженная сторона молекул воды, а около аниона — положительная. Водные оболочки притягиваются к ионам и ослабляют их взаимное притяжение, благодаря чему частицам легче разойтись в растворе. Такое взаимодействие также помогает удерживать ионы раздельно.
В ионном кристалле катионы и анионы уже образуют решётку, поэтому при растворении молекулы воды окружают существующие ионы и помогают отделить их друг от друга; этот процесс называют гидратацией. В молекулярном веществе исходные частицы — нейтральные молекулы, и некоторые из них под действием растворителя превращаются в ионы. Такой процесс называют ионизацией. Различие состоит в том, что в первом случае разделяются готовые ионы, а во втором они возникают из молекул.
Сильный электролит в растворе представлен преимущественно ионами, поэтому его степень диссоциации близка к единице. У слабого электролита остаётся заметное количество молекул, не распавшихся на ионы, и степень диссоциации меньше единицы. Частицы слабого электролита могут как распадаться, так и соединяться обратно, поэтому устанавливается обратимый процесс. Соотношение частиц зависит, в частности, от условий раствора.
В уравнении диссоциации формулу вещества заменяют формулами образующихся ионов, сохраняя число атомов каждого элемента и общий заряд. Для кислот указывают катионы водорода и анион кислотного остатка; для оснований — катион металла и гидроксид-ионы; соли дают катионы и анионы кислотного остатка. Индексы исходной формулы задают число ионов, а заряды отражают их состав. У сильных электролитов ставят →, у слабых — ⇄.
| Признак | Сильные электролиты | Слабые электролиты | Неэлектролиты |
|---|---|---|---|
| Наличие ионов в растворе или расплаве | Преимущественно ионы | Ионы и недиссоциированные частицы | Ионы практически отсутствуют |
| Степень диссоциации | Близка к 1 | Меньше 1, зависит от условий | Равна или близка к 0 |
| Обозначение в уравнении | Знак → | Знак ⇄ | Уравнение диссоциации не составляют |
| Примеры | HCl, NaOH, KNO₃ | CH₃COOH, NH₃·H₂O | Сахароза, этанол |
| Основные частицы в растворе | Катионы и анионы | Катионы, анионы и молекулы | Молекулы |
Сначала определите, к какой группе относится вещество: от этого зависят частицы в растворе и знак в уравнении. Затем сравните степень диссоциации и состав частиц, а не только растворимость вещества. В таблице приведены типичные примеры; при решении задач также учитывайте условия и свойства конкретного раствора.
Условие: составьте уравнения диссоциации Na₂SO₄, Ca(OH)₂ и H₂SO₄. Нужно определить, какие ионы образуются и сколько частиц каждого вида получается. Проверка баланса атомов и зарядов подтверждает правильность записи.
Na₂SO₄ — растворимая соль, поэтому записываем ионы натрия и сульфат-ион: Na₂SO₄ → 2Na⁺ + SO₄²⁻. Коэффициент 2 перед Na⁺ следует из индекса натрия в формуле. Суммарный заряд справа равен нулю.
Ca(OH)₂ образует катион кальция и два гидроксид-иона: Ca(OH)₂ → Ca²⁺ + 2OH⁻. Коэффициент 2 нужен, потому что в формуле две группы OH. Заряды +2 и двух ионов с зарядом −1 взаимно компенсируются.
Для серной кислоты в школьной записи указываем два катиона водорода и сульфат-ион: H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄²⁻. Число атомов водорода сохранено, а суммарный заряд продуктов равен нулю. Для сильного электролита в этой записи используют стрелку →.
Ответ: Na₂SO₄ → 2Na⁺ + SO₄²⁻; Ca(OH)₂ → Ca²⁺ + 2OH⁻; H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄²⁻. В каждом уравнении число атомов слева и справа одинаково. Суммарный заряд обеих частей равен нулю.
Условие: из 0,20 моль электролита распалось на ионы 0,15 моль вещества. Определите степень диссоциации и выразите её в процентах. Сравниваем количество распавшегося вещества с общим количеством растворённого.
Записываем формулу: α = nраспавшегося / nобщего. В числителе указываем 0,15 моль, а в знаменателе — 0,20 моль. Единицы измерения сокращаются, так что α — безразмерная величина.
Подставляем данные: α = 0,15 / 0,20 = 0,75. Это значит, что на ионы распалось 0,75 от общего количества частиц. Для перевода в проценты умножаем результат на 100%.
Получаем α = 75%. Проверяем смысл: распавшаяся часть меньше общего количества, поэтому степень диссоциации меньше 1. Значение соответствует частичной диссоциации в заданных условиях.
Ответ: α = 0,75, или 75%. Доля не распавшихся частиц составляет 25%. При подсчёте важно использовать одно и то же количество вещества в одинаковых единицах.
Условие: составьте полное и сокращённое ионные уравнения реакции растворов BaCl₂ и Na₂SO₄ и объясните роль ионов-наблюдателей. При смешивании растворов образуется малорастворимый BaSO₄. Поэтому именно его образование определяет ход реакции.
Составляем молекулярное уравнение: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl. Стрелка вниз показывает образование осадка. Коэффициент 2 перед NaCl нужен для сохранения числа атомов натрия и хлора.
Растворимые сильные электролиты записываем в виде ионов, а осадок оставляем целой формулой: Ba²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻. Так получается полное ионное уравнение. Осадок не расписываем на ионы, потому что он практически не растворяется.
Сокращаем одинаковые ионы по обе стороны: Na⁺ и Cl⁻ не участвуют в образовании осадка. Остаётся Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓. Проверяем, что атомы и суммарный заряд сохранены: слева заряд равен нулю, и продукт нейтрален.
Ответ: полное ионное уравнение: Ba²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻; сокращённое: Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓. Ионы Na⁺ и Cl⁻ называют ионами-наблюдателями. Они остаются в растворе и не изменяются в ходе реакции.
Запись атомов вместо ионов или отсутствие зарядов возникает, когда состав вещества путают с составом раствора. В растворе электролита нужно указывать реальные заряженные частицы, например Na⁺, а не Na. Проверьте, что у каждого иона есть заряд, а суммарный заряд продуктов соответствует заряду исходной частицы.
Слабые электролиты иногда полностью разделяют на ионы и обозначают стрелкой →. Так делают по аналогии с сильными электролитами, не учитывая, что у слабого электролита сохраняются молекулы и возможен обратный процесс. Сверьтесь с типом вещества: для частичной обратимой диссоциации ставят ⇄.
Ошибки с многозарядными ионами приводят к неверным коэффициентам или нарушению баланса. Например, два иона OH⁻ нужны для компенсации заряда Ca²⁺, а индекс в скобках показывает число гидроксид-групп. Пересчитайте атомы и проверьте сумму зарядов отдельно в левой и правой частях уравнения.
Растворение иногда принимают за диссоциацию, считая, что любое растворившееся вещество стало электролитом. Сахар растворяется, но остаётся молекулами и почти не создаёт ионов, поэтому его раствор практически не проводит ток. Чтобы проверить себя, выясните, какие частицы образуются после растворения: ионы или нейтральные молекулы.
Для понимания диссоциации нужны знания о строении атома, образовании ионной связи, формулах кислот, оснований и солей, а также о катионах и анионах. Теория позволяет составлять молекулярные, полные и сокращённые ионные уравнения реакций в растворах. Она помогает объяснять свойства кислот, оснований и солей, разбирать pH и реакции обмена. Представления о движении ионов также используются при изучении электрохимии.
Почему раствор сахара не проводит электрический ток, хотя сахар хорошо растворяется в воде?
При растворении сахар образует в воде отдельные молекулы, но практически не распадается на ионы. Ток переносят подвижные заряженные частицы, поэтому раствор сахара почти не проводит электричество.
Чем диссоциация ионного вещества отличается от ионизации молекулярного вещества?
В ионном кристалле положительные и отрицательные ионы уже существуют, а растворитель разделяет их и окружает своими молекулами. При ионизации молекулярного вещества нейтральные молекулы превращаются в ионы во время взаимодействия с растворителем.
Почему сильный электролит не считают абсолютно на сто процентов диссоциированным в любых условиях?
Степень диссоциации зависит от концентрации, температуры и природы растворителя. Кроме того, в реальном растворе ионы могут взаимодействовать друг с другом, поэтому модель полного распада является приближением.
Как понять, какой знак поставить в уравнении диссоциации?
Для сильного электролита, который в растворе практически полностью распадается на ионы, ставят стрелку →. Для слабого электролита, диссоциация которого обратима и неполна, используют ⇄.
Почему в сокращённом ионном уравнении некоторые ионы исчезают?
Ионы, которые не изменяются в ходе реакции, присутствуют в одинаковом виде и количестве по обе стороны полного ионного уравнения. Их можно сократить, оставив только частицы, непосредственно участвующие в превращении.
§ 25. Теория электролитической диссоциации
