8.2. Теория электролитической диссоциации

Определения и обозначения

Электролитическая диссоциация — распад электролита на ионы при растворении в воде или плавлении. Например, кристалл соли в воде распадается на положительные и отрицательные частицы, которые могут двигаться независимо. Это понятие объясняет появление электропроводности раствора.

Электролит — вещество, раствор или расплав которого проводит электрический ток благодаря наличию подвижных ионов. К электролитам относят кислоты, основания и соли. Определение помогает связать состав вещества с его поведением в растворе.

Неэлектролит — вещество, раствор или расплав которого практически не содержит свободных ионов и не проводит электрический ток. Так ведут себя сахар, спирт и многие молекулярные вещества. Они могут растворяться, но в растворе сохраняют в основном нейтральные молекулы.

Степень электролитической диссоциации — отношение числа распавшихся на ионы частиц к общему числу растворённых частиц: α = Nдисс/Nобщ. Обычно её выражают долей или процентом, умножая результат на 100%. Величина показывает, какая часть исходных частиц электролита превратилась в ионы.

Как это устроено

Ионный кристалл состоит из положительных и отрицательных ионов, удерживаемых электростатическим притяжением. Полярные молекулы воды ориентируются около этих частиц: атом кислорода обращён к катионам, а атомы водорода — к анионам. В результате вода ослабляет связи в кристалле, окружает ионы гидратными оболочками и уносит их в раствор.

Полярная молекула растворённого вещества тоже может взаимодействовать с водой. Диполи воды поворачиваются под действием электрических полей частиц и растягивают полярные связи внутри молекул. Если энергия такого взаимодействия достаточно велика, частица распадается на ионы, которые становятся подвижными в растворе.

В электрическом поле катионы движутся к отрицательному электроду, анионы — к положительному. Их направленное движение создаёт электрический ток, хотя одновременно ионы совершают беспорядочное тепловое движение. В растворах кислот, оснований и солей есть такие носители заряда, а в растворах неэлектролитов преобладают нейтральные частицы.

Сильные электролиты распадаются на ионы практически полностью, поэтому в растворе мало исходных молекул. Слабые электролиты диссоциируют только частично, и между молекулами и ионами устанавливается равновесие: CH₃COOH ⇌ H⁺ + CH₃COO⁻. При изменении концентрации это равновесие может смещаться, поэтому разбавление обычно увеличивает степень диссоциации слабого электролита.

Уравнение диссоциации записывают так, чтобы слева была формула исходного вещества, а справа — формулы образовавшихся ионов. Коэффициенты показывают число частиц, индексы внутри формулы изменять нельзя. Проверка проста: число атомов каждого элемента и суммарный заряд слева и справа должны совпадать.

Сильные и слабые электролиты

Сначала определите, к какому типу относится вещество, затем сопоставьте его с нужной записью уравнения. Таблица также помогает заранее оценить число ионов и ожидаемую электропроводность раствора. Для сравнения растворов одинаковой концентрации обычно используют степень диссоциации.

Разбор задач

Задача 1

Запишем уравнения диссоциации HCl, NaOH и Na₂SO₄. Первое вещество является кислотой, второе — основанием, третье — солью. Все три вещества относят к сильным электролитам, поэтому диссоциацию показываем стрелкой полного распада.

1. Кислота HCl образует катион водорода и анион хлорида: HCl → H⁺ + Cl⁻.
2. Основание NaOH распадается на катион натрия и гидроксид-ион: NaOH → Na⁺ + OH⁻.
3. В одной формульной единице Na₂SO₄ два иона Na⁺ и один ион SO₄²⁻: Na₂SO₄ → 2Na⁺ + SO₄²⁻.

Проверим последний результат: атомов натрия и кислорода столько же, сколько было слева, а заряд справа равен 2 · (+1) − 2 = 0. Ответ: HCl → H⁺ + Cl⁻; NaOH → Na⁺ + OH⁻; Na₂SO₄ → 2Na⁺ + SO₄²⁻.

Задача 2

В растворе содержится 0,50 моль исходных частиц электролита, из них 0,35 моль распалось на ионы. Требуется найти степень диссоциации. Используем формулу α = nдисс/nобщ и затем переведём долю в проценты.

1. Подставим данные: α = 0,35/0,50 = 0,70.
2. Умножим долю на 100%: α = 0,70 · 100% = 70%.
3. Проверим смысл результата: из каждых 100 исходных частиц диссоциировало примерно 70.

Ответ: степень диссоциации равна 0,70, или 70%. Оставшиеся частицы в рамках этой модели не распались на ионы и находятся в растворе в исходной форме.

Задача 3

Сравним растворы HCl и CH₃COOH одинаковой концентрации. HCl — сильный электролит, а уксусная кислота — слабый, поэтому их поведение определяется разной степенью диссоциации. Нужно сравнивать не только количество растворённого вещества, но и число образовавшихся ионов.

1. HCl почти полностью распадается: HCl → H⁺ + Cl⁻.
2. CH₃COOH диссоциирует частично: CH₃COOH ⇌ H⁺ + CH₃COO⁻.
3. При одинаковой исходной концентрации в растворе HCl больше подвижных ионов, поэтому его электропроводность выше.

Ответ: раствор HCl проводит ток лучше раствора CH₃COOH той же концентрации. Разница объясняется не природой самих ионов, а главным образом их большей концентрацией в растворе сильного электролита.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что любой раствор проводит ток. Её допускают, потому что растворение ошибочно отождествляют с образованием заряженных частиц. Проверка: спросите себя, есть ли в растворе подвижные ионы, а не просто растворённые молекулы.

Ошибка: записывать распад молекулярного вещества на отдельные атомы. Так делают, забывая, что при диссоциации образуются устойчивые ионы с определёнными зарядами. Проверьте, совпадают ли формулы ионов с составом исходного вещества и указаны ли их заряды.

Ошибка: путать коэффициент перед формулой с индексом внутри формулы. Изменение индекса меняет состав частицы, а коэффициент показывает число одинаковых частиц. Чтобы проверить запись, пересчитайте атомы каждого элемента и суммарный заряд по обе стороны уравнения.

Ошибка: считать, что при разбавлении слабого электролита число всех частиц не меняется. При добавлении воды меняется равновесие между молекулами и ионами, поэтому степень диссоциации обычно возрастает. Разделяйте общее количество вещества и долю частиц, распавшихся на ионы.

Связь с другими темами

Для понимания диссоциации нужны знания о строении атома, ионах, химической связи, полярных молекулах и растворах. Эти представления объясняют, почему вода взаимодействует с заряженными и полярными частицами и делает их подвижными.

Теория используется при изучении реакций ионного обмена, электролиза, кислотно-основных равновесий и pH растворов. Во всех этих темах важно учитывать состав раствора и концентрации присутствующих ионов.

Что запомнить

• Электролитическая диссоциация — образование ионов из частиц вещества в растворе или расплаве.
• Электролиты проводят ток благодаря направленному движению ионов.
• К электролитам относятся кислоты, основания и соли.
• Сильные электролиты диссоциируют практически полностью, слабые — частично.
• Степень диссоциации равна отношению числа распавшихся частиц к их исходному числу.
• При диссоциации сохраняются число атомов и суммарный электрический заряд.
• Свойства раствора определяются составом и концентрацией образовавшихся ионов.