"Химия", Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г.
Электролитическая диссоциация — распад вещества на заряженные частицы, ионы, при растворении в воде или плавлении. Именно подвижные ионы позволяют растворам и расплавам проводить электрический ток. Положительные ионы называют катионами, отрицательные — анионами. Чтобы понять процесс, нужно различать ионные и молекулярные вещества, учитывать движение ионов в электрическом поле и правильно записывать уравнения, сохраняя число атомов и суммарный заряд.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электролитическая диссоциация — распад электролита на ионы при растворении в воде или плавлении. Слово «диссоциация» означает разделение частиц, а «электролитическая» указывает на связь процесса с электропроводностью. Это понятие помогает объяснить, почему одни вещества начинают проводить ток в растворе или расплаве.
Электролиты — вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток благодаря подвижным ионам. К ним относятся, например, многие соли, кислоты и основания. Зная, что вещество является электролитом, можно ожидать появления в его растворе частиц, способных переносить заряд.
Катионы — положительно заряженные ионы, образующиеся при диссоциации. К ним относятся ионы металлов, например Na⁺ и Ca²⁺, а также водородные ионы H⁺. Обозначение «плюс» позволяет отличить катион от нейтрального атома и определить направление его движения в электрическом поле.
Анионы — отрицательно заряженные ионы, образующиеся при диссоциации. Примерами служат кислотные остатки, такие как Cl⁻, и гидроксид-ионы OH⁻. Знак «минус» показывает заряд частицы и помогает правильно составлять уравнения диссоциации.
В твёрдом веществе заряженные частицы могут быть неподвижны, даже если они уже присутствуют в его составе. В ионном кристалле каждый ион удерживается соседями в определённом месте решётки, поэтому не может переносить заряд через всё вещество. При растворении или плавлении частицы получают возможность перемещаться, и электропроводность возрастает. Значит, для прохождения тока нужны не только заряды, но и подвижность носителей этих зарядов.
Молекула воды полярна: её части имеют неравномерное распределение электрического заряда. Поэтому молекулы воды притягиваются к заряженным частицам вещества и окружают их. Такое взаимодействие ослабляет притяжение между частицами, и они могут разойтись по раствору. В результате возникают подвижные ионы, которые и обеспечивают проводимость.
Ионное вещество уже состоит из катионов и анионов, соединённых в кристаллическую решётку. При растворении вода помогает разделить эти частицы, не создавая их заново. Молекулярное вещество состоит из нейтральных молекул, поэтому заряженные частицы могут появиться только в результате взаимодействия молекул с водой. От строения вещества зависит, как именно образуются ионы.
Когда раствор подключают к источнику тока, электрическое поле действует на заряженные частицы. Положительно заряженные катионы движутся к отрицательному электроду, а отрицательно заряженные анионы — к положительному. Перемещение этих частиц переносит заряд, поэтому раствор проводит электрический ток. В расплаве ионы тоже подвижны, хотя воды в нём нет.
Уравнение диссоциации описывает, какие частицы образуются из вещества, поэтому в нём должны совпадать числа атомов каждого элемента. Кроме того, суммарный заряд слева и справа должен быть одинаковым: исходная формульная единица соли обычно нейтральна, значит, заряды её ионов в сумме дают ноль. Индексы в формуле показывают, сколько частиц каждого вида образуется. По ним и по зарядам ионов можно проверить запись, не подбирая её наугад.
| Случай | Что происходит с частицами | Какие частицы подвижны | Проводит ли ток |
|---|---|---|---|
| Ионное вещество в твёрдом состоянии | Ионы расположены в кристаллической решётке | Свободно подвижных ионов нет | Практически нет |
| Ионное вещество в водном растворе | Вода разделяет составляющие вещество ионы | Катионы и анионы | Да |
| Ионное вещество в расплаве | Решётка разрушается, ионы освобождаются | Катионы и анионы | Да |
| Молекулярное вещество в водном растворе | При взаимодействии с водой молекулы могут образовать ионы | Ионы, если вещество диссоциирует | Зависит от образования ионов |
Сравнивайте прежде всего состояние вещества и возможность движения заряженных частиц. Если ионы заперты в решётке, ток почти не проходит; если они свободно перемещаются, вещество проводит. Для молекулярного вещества учитывайте, появляются ли ионы при взаимодействии с водой.
Условие. Запишите, на какие ионы диссоциирует хлорид натрия в воде. Формула вещества — NaCl. Нужно определить катион и анион и проверить, что частицы соответствуют составу и заряду исходного вещества.
В формуле есть натрий и хлор, по одному атому каждого элемента. Натрий образует катион Na⁺, а хлор — анион Cl⁻. Их заряды противоположны и по величине равны.
Записываем продукты справа от стрелки: Na⁺ и Cl⁻. Коэффициенты не нужны, потому что образуется по одному иону каждого вида. Проверяем: атомов натрия и хлора с обеих сторон по одному, а сумма зарядов справа равна нулю.
Ответ. NaCl → Na⁺ + Cl⁻.
Условие. Запишите уравнение диссоциации хлорида кальция и проверьте баланс зарядов. Его формула — CaCl₂, поэтому при составлении ответа необходимо учесть индекс 2 у хлора и заряд кальциевого иона.
Кальций образует катион Ca²⁺, а хлор — анион Cl⁻. Индекс 2 в формуле показывает, что на одну формульную единицу приходится два атома хлора. Значит, справа должны быть два хлорид-иона.
Записываем CaCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl⁻. Слева один атом кальция и два атома хлора, и справа их столько же. Заряд продуктов равен +2 + 2 · (−1) = 0, как и заряд исходного вещества.
Ответ. CaCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl⁻.
Условие. Объясните, почему твёрдый хлорид натрия почти не проводит ток, а его водный раствор и расплав проводят. Для ответа нужно сопоставить, какие частицы есть в каждом случае и могут ли они перемещаться.
В твёрдом NaCl катионы натрия и анионы хлора удерживаются в узлах кристаллической решётки. Они не могут свободно двигаться по веществу, поэтому не переносят заряд от одного места к другому. Этим объясняется очень слабая проводимость твёрдой соли.
В воде молекулы воды помогают разделить ионы, а при плавлении разрушается кристаллическая решётка. В обоих случаях ионы становятся подвижными. Под действием электрического поля Na⁺ движется к отрицательному электроду, а Cl⁻ — к положительному, поэтому раствор и расплав проводят ток.
Ответ. В твёрдой соли ионы неподвижны в решётке, а в растворе и расплаве могут перемещаться и переносить электрический заряд.
Ошибка — считать, что ионы появляются только под действием электрического тока. Так можно подумать, потому что проводимость наблюдают в электрической цепи, однако растворение вещества в воде уже связано с образованием или разделением ионов. Проверьте себя: объясните появление ионов до подключения тока, указав роль воды или расплава.
Ошибка — записывать продукты диссоциации как нейтральные атомы, например Na + Cl вместо Na⁺ + Cl⁻. Часто забывают поставить знаки, хотя именно заряд показывает, что частицы стали ионами. Проверьте каждую частицу: если это ион, рядом с символом должен быть указан его заряд.
Ошибка — не учитывать индексы в формуле и писать один хлорид-ион для CaCl₂. Индекс показывает число атомов элемента, но при переносе формулы в уравнение его легко упустить. Сосчитайте атомы слева и справа: для CaCl₂ справа должны быть один кальциевый и два хлорид-иона.
Ошибка — считать, что твёрдое ионное вещество проводит ток так же, как раствор или расплав. Путаница возникает из-за того, что ионы есть во всех трёх случаях, но в твёрдом кристалле они не свободны. Проверьте себя вопросом: способны ли частицы перемещаться по веществу? Если нет, они не обеспечивают обычную электропроводность.
Чтобы понять диссоциацию, нужно знать строение атома, различать ионы с положительным и отрицательным зарядом. Полезно вспомнить формулы веществ, валентность и состав солей, кислот и оснований: это помогает определять состав и заряды частиц. Понятие диссоциации понадобится при изучении свойств этих классов веществ, реакций ионного обмена и электролитической проводимости.
Почему чистая вода проводит ток хуже, чем раствор соли?
В чистой воде очень мало подвижных ионов, поэтому она проводит ток слабо. При растворении соли в воде появляются многочисленные катионы и анионы, которые переносят электрический заряд.
Чем электролитическая диссоциация отличается от плавления вещества?
При плавлении твёрдое вещество переходит в жидкое состояние, но само по себе это не обязательно означает образование ионов. Если расплавлено ионное вещество, его уже существовавшие в решётке ионы могут свободно двигаться; диссоциацией называют распад на ионы при растворении или плавлении.
Откуда при диссоциации берётся заряд иона?
Ионы возникают, когда атомы или группы атомов теряют или присоединяют электроны либо когда разделяются уже существовавшие заряженные частицы. При записи диссоциации заряд не создаётся заново: проверяют, чтобы суммарный заряд частиц совпадал с зарядом исходного вещества.
Почему твёрдая соль не проводит ток, а её расплав проводит?
В твёрдой соли ионы находятся в узлах кристаллической решётки и не могут свободно перемещаться. При плавлении решётка разрушается, ионы становятся подвижными и переносят заряд.
Как проверить, правильно ли записано уравнение диссоциации?
Сравните число атомов каждого элемента слева и справа, учитывая индексы и коэффициенты. Затем сложите заряды всех ионов: суммарный заряд продуктов должен равняться заряду исходного вещества.
§ 6. Сущность процесса электролитической диссоциации
