§ 15. В растворе вещества могут распадаться на ионы

Определения и обозначения

Электролитическая диссоциация — распад частиц растворённого вещества на положительные и отрицательные ионы. Ионы с положительным зарядом называют катионами, а с отрицательным — анионами. Это понятие помогает объяснить, почему одни растворы проводят электрический ток, а другие — нет. При записи схем диссоциации следят, чтобы суммарный заряд частиц после распада соответствовал заряду исходного вещества.

Электролит — вещество, раствор или расплав которого проводит электрический ток благодаря подвижным ионам. В растворе частицы могут перемещаться, поэтому переносить заряд могут не только электроны, но и ионы. Понимание этого определения позволяет связать состав раствора с его электропроводностью. К электролитам относятся, например, поваренная соль и многие другие соли.

Неэлектролит — вещество, раствор или расплав которого практически не проводит электрический ток, поскольку в нём нет подвижных ионов. При растворении такого вещества частицы могут остаться нейтральными молекулами. Например, сахар растворяется в воде, но не становится электролитом. Это определение помогает не путать способность растворяться со способностью проводить ток.

Гидратированные ионы — ионы в водном растворе, окружённые молекулами воды. Вода притягивается к заряженным частицам, поэтому они находятся в растворе не изолированно. Слово «гидратированный» указывает на связь иона с окружающими его молекулами воды. Этот термин нужен, чтобы описывать состояние ионов именно в водной среде.

Как это устроено

Раствор некоторых веществ проводит электрический ток, потому что в нём есть частицы, способные перемещаться и нести заряд. Такими частицами являются ионы: катионы движутся к электроду с отрицательным зарядом, а анионы — к положительному. При движении они переносят заряд через раствор. Поэтому проводимость определяется не просто наличием растворённого вещества, а присутствием подвижных ионов.

Молекула воды полярна: в ней есть участки с частичными положительным и отрицательным зарядами. Заряженные частицы вещества притягивают к себе обращённые подходящим образом участки молекул воды. Вода окружает частицы и ослабляет их притяжение друг к другу. Благодаря этому ионы легче отделяются и переходят в раствор; в нём они оказываются гидратированными.

В ионном соединении катионы и анионы уже расположены в кристаллической решётке. Когда вода взаимодействует с поверхностью кристалла, её молекулы притягиваются к ионам и помогают преодолеть их взаимное притяжение. Частицы отделяются от решётки и переходят в раствор, сохраняя свои заряды. Так, при растворении хлорида натрия образуются катионы натрия и анионы хлора.

Некоторые вещества состоят из нейтральных молекул, но при взаимодействии с водой могут образовать ионы. Это происходит потому, что молекулы воды влияют на связи и распределение зарядов в частицах растворённого вещества. В результате часть частиц превращается в катионы и анионы, которые стабилизируются молекулами воды. Поэтому способность образовывать ионы зависит не только от того, что вещество растворилось, но и от его состава и взаимодействия с водой.

Сахар растворяется в воде, но его молекулы при этом не распадаются на ионы. Молекулы сахара распределяются между молекулами воды, оставаясь электрически нейтральными. В растворе нет достаточного количества подвижных заряженных частиц, поэтому он не проводит ток как раствор электролита. Этот пример показывает, что растворение и электролитическая диссоциация — не одно и то же.

Поведение веществ при растворении в воде

Сравнивайте вещества по наличию подвижных ионов, а не только по тому, растворяются ли они в воде. Если раствор проводит ток, значит, в нём есть подвижные заряженные частицы. Для неэлектролита характерно сохранение нейтральных молекул.

Разбор задач

Раствор соли или раствор сахара

Определите, какой раствор проводит электрический ток: раствор поваренной соли или раствор сахара. Нужно выяснить, какие частицы появляются в каждом растворе. Электрический заряд в растворе могут переносить подвижные ионы. Поэтому решающим признаком будет не растворимость, а диссоциация.

1. При растворении поваренной соли её частицы разделяются на катионы натрия и анионы хлора.
2. Ионы получают возможность перемещаться по раствору и переносить электрический заряд.
3. Молекулы сахара растворяются, но остаются нейтральными; подвижных ионов при этом практически не возникает.
4. Сопоставляем состав растворов: соль образует электролитический раствор, а сахар — раствор неэлектролита.

Ответ: электрический ток будет проводить раствор поваренной соли. Его проводят подвижные ионы натрия и хлора. Раствор сахара практически не проводит ток, потому что его молекулы не распались на ионы.

Диссоциация хлорида натрия

Запишите схему распада хлорида натрия на ионы при растворении в воде и укажите их заряды. Формульная единица NaCl электрически нейтральна. Следовательно, после распада суммарный заряд образовавшихся частиц тоже должен быть нулевым. Индекс 1 у натрия и хлора в формуле не пишут, но он учитывается.

1. Определяем, какие ионы образуют вещество: натрий даёт катион Na⁺, хлор — анион Cl⁻.
2. Записываем по одному иону каждого вида, так как в NaCl соотношение частиц равно 1:1.
3. Проверяем заряды: +1 и −1 в сумме дают ноль, как и заряд исходной формульной единицы.

Ответ: NaCl → Na⁺ + Cl⁻. Стрелка показывает образование ионов при диссоциации в воде. Получаются один катион натрия с зарядом +1 и один анион хлора с зарядом −1.

Диссоциация хлорида кальция

Составьте схему диссоциации хлорида кальция и укажите количество ионов каждого вида из одной формульной единицы. В формуле CaCl₂ индекс 2 показывает, что на один атом кальция приходятся два атома хлора. Ион кальция имеет заряд +2, а каждый ион хлора — заряд −1. Эти сведения позволяют одновременно записать число частиц и проверить баланс зарядов.

1. Записываем катион кальция Ca²⁺ и анион хлора Cl⁻.
2. Учитываем индекс 2: справа должно быть два хлорид-иона, а ион кальция только один.
3. Складываем заряды: +2 + 2 × (−1) = 0, поэтому заряд уравновешен.

Ответ: CaCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl⁻. Из одной формульной единицы образуются один катион кальция и два аниона хлора. Если в схеме не сходится заряд или число атомов, проверьте индексы в формуле исходного вещества.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любое растворённое вещество распадается на ионы. Её допускают, потому что растворение часто представляют как исчезновение частиц в воде. Но сахар растворяется, сохраняя молекулы целыми. Проверяйте, появились ли в растворе заряженные частицы, а не только то, стало ли вещество невидимым.

Ошибка — путать растворение с электролитической диссоциацией. Растворение означает переход вещества в раствор, а диссоциация — образование ионов; эти процессы могут не совпадать. Путаница возникает из-за того, что оба явления происходят при смешивании вещества с водой. Для проверки выясните, изменился ли состав частиц: если молекулы сохранились, диссоциации не было.

Ошибка — приписывать заряд нейтральным молекулам воды или всему раствору. В растворе есть и заряженные ионы, и полярные молекулы воды, но полярность воды не означает, что каждая её молекула имеет общий заряд. Ошибка возникает, когда свойства отдельных участков молекулы смешивают с зарядом всей частицы. Проверьте, что суммарные заряды катионов и анионов уравновешены, а раствор в целом нейтрален.

Ошибка — забывать, что в воде ионы окружены молекулами воды. Иногда схему диссоциации принимают за описание полностью изолированных частиц. На деле вода притягивается к ионам и образует вокруг них оболочку, поэтому ионы в растворе гидратированы. Проверяйте себя: если речь идёт о водном растворе, учитывайте взаимодействие ионов с молекулами воды.

Связь с другими темами

Для понимания диссоциации нужно знать строение атома и иона, а также различать положительный и отрицательный заряды. Эти знания помогают определять, какие частицы образуются и как проверять их суммарный заряд. Тема опирается и на представления о молекулах воды: их полярность объясняет притяжение воды к ионам. Позже это понадобится при изучении свойств растворов, реакций ионного обмена и электролиза, где поведение ионов определяет ход процессов.

Что запомнить

• В растворах электролитов есть подвижные ионы.
• Электролитическая диссоциация — образование ионов при растворении вещества.
• Катионы имеют положительный заряд, анионы — отрицательный.
• Раствор в целом электрически нейтрален.
• Молекулы воды окружают ионы, образуя гидратированные ионы.
• Не все вещества при растворении образуют ионы.