"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
При растворении электролита в воде или его плавлении частицы могут распадаться на ионы — этот процесс называют электролитической диссоциацией. Подвижные ионы проводят электрический ток, а их состав помогает объяснять свойства растворов ионных веществ. Кислоты при диссоциации дают катионы водорода, основания — гидроксид-ионы, соли — катионы металлов или аммония и анионы кислотных остатков. Важно учитывать, полностью или частично распадается вещество, и правильно сохранять 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. Процесс обратим: ионы могут соединяться и снова образовывать исходные частицы. Это определение помогает отличить образование ионов от простого растворения вещества.
Электролиты — вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток благодаря движению ионов. К ним относятся кислоты, например HCl, основания, например NaOH, и соли, например NaCl. Классификация помогает предсказать, какие частицы появятся в растворе.
Степень диссоциации — отношение числа распавшихся на ионы частиц к общему числу растворённых частиц; её обозначают греческой буквой α. Формула: α = nдисс/nобщ. Она нужна, чтобы оценить, какая доля вещества образовала ионы.
Сильные и слабые электролиты различаются тем, насколько полно распадаются на ионы в растворе. Сильные диссоциируют почти полностью, а слабые — лишь частично, поэтому в растворе остаются и исходные частицы. Это различие определяет, какую стрелку ставить в уравнении и сколько ионов ожидать.
Молекула воды полярна: заряд в ней распределён неравномерно, поэтому у разных её участков есть частичные заряды. Эти участки притягиваются к заряженным частицам электролита и ослабляют взаимодействие между ними. В результате частицы расходятся, а вода окружает образовавшиеся ионы; такие частицы называют гидратированными. Именно воздействие растворителя помогает объяснить, почему ионы сохраняются в растворе.
При диссоциации кислоты один или несколько атомов водорода переходят в раствор как катионы H⁺, а оставшаяся часть формулы становится анионом кислотного остатка. Например, HCl → H⁺ + Cl⁻, а H₂SO₄ при полном суммарном распаде даёт 2H⁺ и SO₄²⁻. Состав остатка определяют по формуле кислоты: у серной кислоты после отделения двух атомов водорода остаётся SO₄. У многоосновных кислот процесс может идти ступенчато, потому что ионы водорода отщепляются последовательно.
Основание распадается на катион металла или аммония NH₄⁺ и гидроксид-ионы OH⁻. Например, NaOH → Na⁺ + OH⁻, а Ba(OH)₂ → Ba²⁺ + 2OH⁻. Число гидроксид-ионов связано с зарядом катиона: оно должно уравновесить его положительный заряд. Поэтому у бария с зарядом +2 образуются два OH⁻ с суммарным зарядом −2.
Соль распадается на катионы металла или аммония и анионы кислотного остатка. Так, Na₂SO₄ → 2Na⁺ + SO₄²⁻: два катиона с зарядом +1 уравновешивают заряд аниона −2. При составлении уравнения число частиц каждого вида задаётся формулой соли, а суммарный заряд справа должен совпасть с зарядом слева. Тот же принцип действует для кислых и основных солей, в составе ионов которых сохраняются H или OH.
Для сильного электролита используют стрелку →, поскольку почти все его частицы распадаются на ионы. Для слабого ставят обратимую стрелку ⇄: распад и соединение ионов происходят одновременно, а равновесие включает ионы и исходные частицы. Степень диссоциации показывает долю распавшегося вещества, но число ионов зависит ещё и от коэффициентов в уравнении. Например, при распаде одной частицы Ba(OH)₂ образуются три иона, а не один.
Схемы показывают, какие ионы образуются из разных классов электролитов. Стрелка → типична для сильных электролитов, а ⇄ — для слабых; конкретное поведение зависит от вещества. Проверяйте по формуле число частиц и заряд каждого иона.
| Класс электролита | Общая схема диссоциации | Пример уравнения | Какие ионы образуются | Характер электролита |
|---|---|---|---|---|
| Кислота | HₙA → nH⁺ + Aⁿ⁻ | HCl → H⁺ + Cl⁻ | H⁺ и анион кислотного остатка | Зависит от кислоты |
| Одноосновная кислота | HA ⇄ H⁺ + A⁻ | CH₃COOH ⇄ H⁺ + CH₃COO⁻ | Один H⁺ и один анион | Сильная или слабая |
| Многоосновная кислота | HₙA ⇄ nH⁺ + Aⁿ⁻, возможны ступени | H₂CO₃ ⇄ H⁺ + HCO₃⁻; HCO₃⁻ ⇄ H⁺ + CO₃²⁻ | H⁺ и остаток, меняющий заряд по ступеням | Обычно слабая |
| Основание | M(OH)ₙ → Mⁿ⁺ + nOH⁻ | Ba(OH)₂ → Ba²⁺ + 2OH⁻ | Катион и гидроксид-ионы | Зависит от растворимости и силы |
| Растворимое основание — щёлочь | M(OH)ₙ → Mⁿ⁺ + nOH⁻ | NaOH → Na⁺ + OH⁻ | Катион металла или NH₄⁺ и OH⁻ | Сильный электролит |
| Средняя соль | MₐAᵦ → катионы + анионы | Na₂SO₄ → 2Na⁺ + SO₄²⁻ | Катионы и анионы кислотного остатка | Зависит от растворимости |
| Кислая соль | Кислотный катион + анион с H | NaHCO₃ → Na⁺ + HCO₃⁻ | Катионы и анионы, содержащие H | Зависит от соли |
| Основная соль | Катион с OH + анион кислотного остатка | Mg(OH)Cl ⇄ MgOH⁺ + Cl⁻ | Катионы или их группы с OH и анионы | Зависит от соли |
Задача 1. Записать уравнения диссоциации HCl, Ba(OH)₂ и Na₂SO₄. Сначала определим класс каждого вещества: HCl — кислота, Ba(OH)₂ — основание, Na₂SO₄ — соль. Затем по формулам установим состав и число ионов, чтобы проверить уравнения по атомам и заряду.
Ответ: уравнения записаны с коэффициентами, соответствующими индексам формул; во всех трёх случаях заряд сохраняется. Задача 2. Объяснить, какие ионы присутствуют в растворе H₂SO₄, и записать диссоциацию по ступеням. Серная кислота двухосновная, поэтому два иона H⁺ отщепляются последовательно, а не одновременно в каждом элементарном акте.
Ответ: диссоциация идёт ступенчато; суммарное уравнение показывает образование двух H⁺ и SO₄²⁻, но не отражает распределение частиц между ступенями. Задача 3. В растворе было 0,20 моль слабого электролита, из которых диссоциировало 0,03 моль. Найти α и количество образовавшихся ионов, если одна частица электролита даёт два иона. Сначала вычислим долю распавшихся частиц, затем учтём коэффициенты уравнения.
Ответ: α = 0,15, или 15%; образовалось 0,06 моль ионов. Если требуется количество каждого вида отдельно, его находят по коэффициентам конкретного уравнения диссоциации.
Считать, что растворение любого вещества означает диссоциацию. Ошибку допускают, потому что оба процесса происходят при смешивании вещества с водой. Но растворение может происходить без образования ионов, как у сахара. Проверьте себя: проводит ли раствор ток за счёт подвижных ионов и относится ли вещество к электролитам.
Записывать слабый электролит стрелкой полного превращения. Так делают, когда забывают, что часть частиц остаётся недиссоциированной и процесс обратим. Для слабого электролита ставят ⇄, а не →. Сверьте знак с тем, что должно присутствовать в растворе: ионы и исходные частицы.
Неверно определять количество ионов по формуле. Например, для CaCl₂ иногда записывают один хлорид-ион, хотя индекс 2 означает два: CaCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl⁻. Ошибку вызывает невнимание к индексам или попытка перенести формулу целиком без проверки. Подсчитайте атомы и ионы каждого вида до и после диссоциации.
Нарушать сохранение заряда. Это часто происходит при диссоциации многоатомных ионов или оснований, когда забывают заряд и коэффициент. Например, у Ba(OH)₂ два OH⁻ нужны, чтобы уравновесить Ba²⁺. Проверьте сумму зарядов обеих частей уравнения и сохранение состава частиц.
Для записи диссоциации нужны знания о строении атома и образовании ионов, валентности, степенях окисления и чтении химических формул. Эти основы помогают определить заряды частиц и коэффициенты. Диссоциация объясняет электропроводность растворов и служит основой для реакций ионного обмена, полных и сокращённых ионных уравнений. Позже она понадобится при изучении кислотно-основных реакций, pH, гидролиза солей и качественных реакций на ионы.
Чем электролитическая диссоциация отличается от простого растворения?
При простом растворении частицы вещества распределяются между молекулами растворителя, но не обязательно превращаются в ионы. При электролитической диссоциации электролит распадается именно на ионы, поэтому раствор или расплав может проводить ток. Например, сахар растворяется в воде, но практически не образует ионов.
Почему кислоты называют источниками ионов водорода?
При диссоциации кислоты образуются катионы водорода H⁺ и анионы кислотного остатка. У многоосновной кислоты отщепление ионов водорода может происходить по ступеням. В водном растворе H⁺ взаимодействует с молекулами воды, образуя гидратированные частицы.
Почему у слабых электролитов используют обратимую стрелку?
Слабый электролит распадается на ионы лишь частично, а ионы могут снова соединяться в исходные частицы. Поэтому в растворе устанавливается обратимый процесс. Его показывают двумя стрелками противоположных направлений: ⇄.
Как определить количество ионов, образующихся при диссоциации соли?
Запишите уравнение диссоциации и посмотрите на индексы в формуле соли: они показывают, сколько частиц каждого вида образуется. Например, CaCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl⁻: из одной формульной единицы получаются три иона. Проверьте, что суммарный заряд ионов равен нулю.
Всегда ли раствор электролита состоит только из свободных ионов?
Нет. В растворе сильного электролита большая часть частиц находится в виде ионов, но слабый электролит диссоциирует только частично, поэтому сохраняются и его недиссоциированные частицы. Кроме того, ионы окружены молекулами воды и образуют гидратированные частицы.
8.3. Диссоциация кислот, оснований и солей
