8.1. Электролиты и неэлектролиты

Определения и обозначения

Электролиты — вещества, водные растворы или расплавы которых проводят электрический ток благодаря наличию подвижных ионов. Ионы — заряженные частицы, способные перемещаться и переносить заряд. Это понятие помогает предсказать, будет ли раствор проводить ток.

Неэлектролиты — вещества, растворы и расплавы которых практически не проводят электрический ток, поскольку в них нет достаточного количества подвижных ионов. Их частицы могут растворяться, но оставаться нейтральными молекулами. Поэтому растворимость ещё не означает электрическую проводимость.

Электролитическая диссоциация — распад частиц электролита на ионы при растворении в воде или плавлении. В результате возникают или становятся подвижными частицы, которые переносят заряд. Этот термин описывает, откуда в растворе или расплаве берутся носители тока.

Катионы — положительно заряженные ионы, а анионы — отрицательно заряженные; названия указывают на их различный заряд и движение в электрическом поле. Катионы направляются к отрицательному электроду, анионы — к положительному. Различение этих частиц нужно, чтобы понимать, как проходит ток в растворе.

Как это устроено

Чтобы возник электрический ток, заряженные частицы должны не только присутствовать, но и перемещаться. В металлическом проводнике переносчиками заряда служат электроны, а в электролите — ионы. При подключении источника тока положительные и отрицательные ионы движутся в противоположных направлениях, создавая общий перенос заряда.

В кристалле ионного вещества положительные и отрицательные ионы расположены в определённом порядке и удерживаются в узлах кристаллической решётки. При растворении молекулы воды взаимодействуют с поверхностью кристалла: их полярные части притягиваются к ионам противоположного знака. Такое взаимодействие помогает отделить ионы от решётки и удержать их в растворе, где они могут перемещаться.

Некоторые молекулярные вещества образуют ионы уже при взаимодействии с водой, хотя в исходном веществе готовых ионов не было. Вода помогает изменить связи внутри молекул и стабилизировать возникшие заряженные частицы. Это отличается от растворения соли: в ионном кристалле ионы уже существуют, а растворитель разделяет их; в молекулярном веществе ионы появляются в ходе взаимодействия с водой.

При плавлении ионного вещества вода не требуется: нагревание ослабляет удерживание частиц в кристаллической решётке. Ионы получают возможность перемещаться и переносят электрический заряд через расплав. Поэтому расплав соли проводит ток, хотя в твёрдом состоянии та же соль практически не проводит.

К электролитам относят, например, хлорид натрия и хлорид кальция: в воде они дают подвижные ионы, а расплавы также проводят ток. Сахар, глюкоза и этанол могут растворяться, но остаются преимущественно нейтральными молекулами и относятся к неэлектролитам. Классификация зависит от поведения частиц в растворе или расплаве, а не только от того, что вещество растворимо или содержит элементы с определёнными свойствами.

Электролиты и неэлектролиты

Сравнивайте вещества по наличию подвижных ионов в конкретном состоянии: в растворе, расплаве или твёрдом кристалле. Таблица показывает, что проводимость определяется одновременно наличием зарядов и возможностью их движения. Используйте её, чтобы обосновывать ответ, а не только запоминать примеры.

Разбор задач

Задача 1. Распределите хлорид натрия, сахар и расплав хлорида натрия на электролиты и неэлектролиты. Обоснуйте классификацию по тому, появляются ли подвижные ионы. Учитывайте, что у одного вещества проводимость может зависеть от агрегатного состояния.

1. Определите, какие частицы возникают при растворении хлорида натрия: ионы натрия и хлора уже есть в кристалле. В воде они отделяются от решётки и становятся подвижными. Значит, раствор хлорида натрия — электролит.

2. Проверьте, что происходит с сахаром в воде: его молекулы растворяются, но не образуют достаточного количества ионов. Подвижных заряженных частиц в растворе нет. Поэтому сахар — неэлектролит.

3. Рассмотрите расплав хлорида натрия: при плавлении ионы освобождаются от фиксированных положений в кристалле. Они могут двигаться и переносить заряд. Следовательно, расплав — электролит.

Ответ: хлорид натрия в водном растворе и расплав хлорида натрия — электролиты; сахар — неэлектролит. Классификация основана на подвижности ионов, а не только на растворимости вещества.

Задача 2. Объясните, почему твёрдый хлорид натрия ток практически не проводит, а его водный раствор и расплав проводят. Нужно сопоставить, где находятся ионы и могут ли они перемещаться. Одного указания на наличие заряженных частиц недостаточно.

1. В твёрдом хлориде натрия есть ионы, но они закреплены в узлах кристаллической решётки. Свободно двигаться к электродам они не могут. Поэтому кристалл практически не проводит ток.

2. В воде взаимодействие полярных молекул растворителя с ионами помогает отделить их от кристалла. Ионы переходят в раствор и становятся подвижными. Поэтому водный раствор проводит ток.

3. При плавлении решётка разрушается, ионы теряют фиксированное положение. Они перемещаются через расплав даже без воды. Значит, расплав тоже проводит ток.

Ответ: твёрдая соль не проводит ток из-за неподвижности ионов, а раствор и расплав проводят, потому что ионы в них подвижны. Для проводимости важны и заряд частиц, и возможность их движения.

Задача 3. В растворе обнаружена электрическая проводимость. Среди хлорида кальция, глюкозы и этанола выберите возможное растворённое вещество. Обоснуйте выбор, сопоставив строение частиц и их поведение в воде. Рассматривается именно водный раствор.

1. Проверьте, что происходит с хлоридом кальция: это ионное вещество, и при растворении его ионы переходят в раствор. Подвижные заряженные частицы способны переносить ток. Поэтому он подходит к условию задачи.

2. Глюкоза и этанол — молекулярные вещества. При растворении их молекулы обычно остаются нейтральными и не создают достаточного количества ионов. Поэтому их растворы практически не проводят ток.

3. Сопоставьте результат с наблюдением: проводимость требует подвижных заряженных частиц. Из предложенных веществ такие частицы в растворе даёт хлорид кальция. Растворимость глюкозы или этанола сама по себе не доказывает проводимость.

Ответ: возможное растворённое вещество — хлорид кальция. Его водный раствор проводит ток благодаря подвижным ионам, тогда как глюкоза и этанол обычно остаются в растворе в виде нейтральных молекул.

Типичные ошибки

Ошибка — считать электролитом любое вещество, растворимое в воде. Её допускают, потому что растворение и образование ионов часто происходят одновременно, но это не одно и то же. Проверьте, возникают ли в растворе подвижные заряженные частицы: сахар растворяется, однако остаётся в основном молекулярным веществом.

Ошибка — считать твёрдый ионный кристалл проводником только потому, что в нём есть ионы. Заряженные частицы в кристалле закреплены в узлах решётки, поэтому не переносят заряд через вещество. Чтобы проверить себя, спросите, могут ли ионы свободно перемещаться; у твёрдой соли ответ отрицательный.

Ошибка — думать, что электролит проводит ток в любом агрегатном состоянии. На деле проводимость зависит от подвижности ионов, поэтому твёрдая соль и её расплав ведут себя по-разному. Сравните расположение частиц: в кристалле они закреплены, в расплаве могут перемещаться.

Ошибка — приписывать перенос тока в растворе электронам, как в металле. Такое объяснение переносят на растворы по аналогии с проводами, но в электролите заряд перемещают ионы. Проверьте, какие частицы направляются к электродам: катионы идут к отрицательному, а анионы — к положительному.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома и иона, типах химической связи, полярности молекулы воды и свойствах растворов. Они помогают объяснить, откуда берутся ионы и почему вода взаимодействует с ними. Понятие электролита пригодится при изучении кислот, оснований, солей, ионных уравнений и реакций обмена в растворах.

Представление о движении ионов понадобится при изучении электролиза, где электрический ток вызывает химические превращения. Оно также связано с окислительно-восстановительными процессами: в них частицы обмениваются электронами, а состав и заряды ионов помогают описывать изменения. Таким образом, свойства растворов связывают строение вещества с его химическим поведением.

Что запомнить

• Электролиты проводят ток в растворах или расплавах благодаря подвижным ионам.
• Неэлектролиты не образуют в растворе достаточного количества подвижных ионов.
• Растворение вещества не всегда сопровождается электролитической диссоциацией.
• В водном растворе подвижность ионов обеспечивается их отделением от кристалла или образованием из молекул.
• Ионное вещество в твёрдом состоянии может не проводить ток, хотя содержит заряженные частицы.
• В расплавах электролитов ток переносят подвижные ионы.