10. Свойства растворов электролитов

Определения и обозначения

Электролит — вещество, раствор или расплав которого проводит электрический ток благодаря подвижным ионам. К электролитам относят многие кислоты, основания и соли. Это понятие нужно, чтобы отличать растворы с заряженными переносчиками тока от растворов нейтральных молекул.

Электролитическая диссоциация — распад электролита на положительные и отрицательные ионы при растворении в воде или плавлении. Положительные ионы называют катионами, отрицательные — анионами. Такое представление объясняет появление заряженных частиц в растворе.

Степень диссоциации — отношение числа частиц, распавшихся на ионы, к их общему числу в растворе: α = n_{распавшихся} / n_общего. Если показатель выражают в процентах, результат умножают на 100%. Он показывает не концентрацию вещества, а долю частиц, превратившихся в ионы.

Сильный и слабый электролит — это электролиты, распадающиеся на ионы практически полностью или лишь частично соответственно. Для слабых электролитов диссоциация обратима, поэтому в растворе одновременно присутствуют молекулы и ионы. Сила электролита определяется степенью диссоциации, а не просто растворимостью вещества.

Как это устроено

Молекула воды полярна: у атома кислорода есть частичный отрицательный заряд, а у атомов водорода — частичный положительный. Поэтому молекулы воды ориентируются около частиц растворяемого вещества противоположно заряженными сторонами. Они ослабляют притяжение между ионами или полярными частями молекул, отделяют частицы друг от друга и окружают их гидратными оболочками.

В растворе электролита катионы и анионы не закреплены в одном месте, а хаотично перемещаются между молекулами воды. Если приложить напряжение, катионы начинают преимущественно двигаться к отрицательному электроду, анионы — к положительному. Направленное движение этих двух групп частиц и создаёт электрический ток, поэтому проводимость зависит от числа и подвижности ионов.

В растворе сильного электролита исходных молекул остаётся очень мало: основная часть частиц существует в виде ионов. В растворе слабого электролита заметная доля вещества сохраняется в виде молекул, а ионов образуется меньше. Поэтому при одинаковой концентрации слабый электролит обычно проводит ток хуже, хотя полностью непроводящим не становится.

При разбавлении слабого электролита расстояния между его частицами увеличиваются, а столкновения ионов с исходными молекулами происходят реже. Обратное соединение ионов в молекулы затрудняется, поэтому равновесие смещается в сторону диссоциации. В результате степень диссоциации обычно возрастает, хотя общее число частиц электролита в данном объёме может уменьшаться.

Химические свойства раствора определяются частицами, которые реально в нём находятся, прежде всего ионами. Например, осадок сульфата бария образуется при встрече ионов Ba²⁺ и SO₄²⁻, а не при взаимодействии условных молекул BaCl₂ и Na₂SO₄. Поэтому для реакций в растворах используют полные и сокращённые ионные уравнения, убирая ионы, которые не изменяются.

Сравнение растворов электролитов и неэлектролитов

Сначала по строке о частицах определите, что находится в растворе: ионы, молекулы или то и другое. Затем сравните степень диссоциации и проводимость, не смешивая силу электролита с его растворимостью. Последняя строка особенно полезна при объяснении разбавления слабых электролитов.

Разбор задач

1. Классификация веществ и уравнения диссоциации

Нужно распределить HCl, NaCl, CH₃COOH и C₂H₅OH на электролиты и неэлектролиты. Сначала выясним, образуются ли в воде ионы, затем запишем формулы появившихся частиц с правильными индексами и зарядами. HCl, NaCl и уксусная кислота являются электролитами, а этанол — неэлектролит.

1. HCl → H⁺ + Cl⁻; это сильный электролит.
2. NaCl → Na⁺ + Cl⁻; это растворимая соль и сильный электролит.
3. CH₃COOH ⇄ H⁺ + CH₃COO⁻; обратимая стрелка показывает слабую диссоциацию.
4. C₂H₅OH на заметные ионы не распадается, поэтому является неэлектролитом.

Ответ: электролиты — HCl, NaCl и CH₃COOH; неэлектролит — C₂H₅OH. В каждом уравнении число атомов и суммарный заряд слева и справа совпадают.

2. Расчёт степени диссоциации

Дано 0,50 моль исходных частиц электролита, из них 0,35 моль распалось на ионы. Требуется найти долю распавшихся частиц и выразить её в процентах. Используем формулу α = n_{распавшихся} / n_общего · 100%.

1. Подставляем данные: α = 0,35 моль / 0,50 моль.
2. Моли сокращаются, поэтому α = 0,70.
3. Переводим долю в проценты: 0,70 · 100% = 70%.

Ответ: степень диссоциации равна 0,70, или 70%. Проверка проста: распавшаяся часть меньше общего числа частиц, значит результат должен быть между 0 и 100%.

3. Ионное уравнение реакции

Смешивают растворы BaCl₂ и Na₂SO₄. По таблице растворимости видно, что BaSO₄ малорастворим и выпадает в осадок, поэтому взаимодействуют ионы Ba²⁺ и SO₄²⁻. Остальные ионы остаются растворёнными и являются наблюдателями.

1. Молекулярное уравнение: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl.
2. Полное ионное уравнение: Ba²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻.
3. Сокращаем одинаковые ионы Na⁺ и Cl⁻: Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓.

Ответ: осадок образуют ионы бария и сульфат-ионы, а сокращённое уравнение показывает самую суть реакции. Стрелка вниз означает выпадение малорастворимого вещества.

Типичные ошибки

Некоторые считают, что любой раствор проводит ток одинаково. На самом деле проводимость зависит от концентрации ионов, их подвижности и температуры. Проверяйте себя вопросом: какие частицы переносят заряд и сколько их в растворе.

Электролитическую диссоциацию иногда принимают за полное разрушение вещества. Это неверно: у слабого электролита процесс обратим, поэтому рядом с ионами остаются молекулы. Если в записи нет обратимости там, где она нужна, уточните силу электролита.

Ошибки в уравнениях часто связаны с неверными зарядами ионов или индексами. После записи проверьте число атомов каждого элемента и суммарный заряд обеих частей уравнения. Например, из NaCl должны получиться Na⁺ и Cl⁻, а не частицы с произвольными зарядами.

Растворимость вещества не определяет силу электролита. Хорошо растворимое вещество может быть слабым электролитом, если его частицы лишь частично образуют ионы. Сначала выясняйте степень диссоциации, а уже затем оценивайте растворимость и проводимость.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления о строении атома, образовании ионов и химической связи. Также пригодятся правила растворимости: по ним можно предсказать появление осадка. Без этих знаний трудно правильно записывать ионные уравнения.

Тема опирается на знания о растворах, концентрации и массовой доле растворённого вещества. Концентрация показывает количество вещества в растворе, а степень диссоциации — долю частиц, распавшихся на ионы. Это разные характеристики, их нельзя заменять друг другом.

Знания об электролитах нужны при изучении кислот, оснований, солей, ионных реакций и pH. Они также помогают понять процессы в электрохимии, где движение ионов связано с превращением химической энергии в электрическую и наоборот.

Что запомнить

• Электролиты проводят ток в растворах и расплавах благодаря подвижным ионам.
• Вода способствует распаду растворённых веществ на гидратированные ионы.
• Сильные электролиты диссоциируют практически полностью, слабые — частично.
• Степень диссоциации показывает долю частиц, распавшихся на ионы.
• Свойства раствора электролита определяются присутствующими в нём ионами.
• В ионных уравнениях сильные растворимые электролиты записывают в виде ионов, а осадки, газы и слабые электролиты — в виде веществ.