9. Электролитическая диссоциация

Определения и обозначения

Электролиты — вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток благодаря подвижным ионам. К ним относятся многие кислоты, основания и соли. Это понятие помогает связать проводимость раствора с наличием заряженных частиц.

Неэлектролиты — вещества, растворы которых практически не проводят электрический ток, поскольку не образуют ионов. Например, сахар растворяется в воде, но сохраняется в виде нейтральных молекул. Поэтому растворимость сама по себе ещё не означает электропроводность.

Электролитическая диссоциация — распад электролита на положительно и отрицательно заряженные ионы при растворении или плавлении. В воде этот процесс происходит под действием полярных молекул растворителя. Термин нужен, чтобы описывать появление носителей тока в растворе.

Ионы — электрически заряженные частицы; положительные ионы называют катионами, а отрицательные — анионами. Ионом может быть отдельный атом, например Na⁺, или группа атомов, например SO₄²⁻. Знаки и величины зарядов обязательно указывают в уравнениях диссоциации.

Как это устроено

Раствор и расплав электролита проводят ток потому, что в них могут перемещаться заряженные частицы. Под действием электрического поля катионы движутся к отрицательному электроду, анионы — к положительному. В твёрдом кристалле ионы закреплены в узлах решётки, поэтому такой кристалл обычно ток не проводит.

Молекула воды полярна: у её атомов возникают участки с частично положительным и частично отрицательным зарядом. Эти участки притягиваются к ионам кристалла и направляются к ним противоположными сторонами. В результате притяжение между частицами кристалла ослабевает, а ионы окружаются молекулами воды и переходят в раствор.

При плавлении кристаллическая решётка разрушается из-за нагревания, поэтому ионы получают возможность перемещаться. Их химический состав при этом не меняется: например, ион Na⁺ остаётся ионом натрия. В растворе движение ионов становится возможным благодаря промежуткам между молекулами растворителя.

Электролит до диссоциации электрически нейтрален, и раствор в целом тоже остаётся нейтральным. Например, одна частица CaCl₂ даёт один катион Ca²⁺ и два аниона Cl⁻: заряд +2 уравновешивается двумя зарядами −1. Поэтому диссоциация не создаёт избытка положительного или отрицательного заряда.

Уравнение диссоциации составляют по формуле исходного вещества и зарядам ионов. Кислота образует H⁺ и анион кислотного остатка, основание — катион металла и OH⁻, соль — катион металла и анион остатка кислоты. Это не образование новых веществ в смысле химической реакции: частицы электролита разделяются, а свойства раствора определяются тем, какие ионы в нём находятся.

Диссоциация основных классов электролитов

Пользуйтесь таблицей как схемой: сначала определите класс вещества, затем разделите его формулу на ионы. Индексы у элементов или групп ионов превращаются в коэффициенты. После записи проверьте состав частиц и равенство суммарных зарядов.

Разбор задач

Задача 1

Запишите уравнение диссоциации хлорида натрия NaCl и назовите образующиеся ионы. Это соль, потому что в её составе есть металл натрий и кислотный остаток хлорид. Значит, при растворении она распадается на катион металла и анион кислотного остатка.

1. Определяем частицы: натрий образует Na⁺, хлор — Cl⁻.
2. Записываем распад: NaCl → Na⁺ + Cl⁻.
3. Проверяем заряды: +1 и −1 взаимно компенсируются.

Ответ: NaCl → Na⁺ + Cl⁻. Образуются катионы натрия Na⁺ и анионы хлорида Cl⁻.

Задача 2

Нужно записать диссоциацию H₂SO₄, Ba(OH)₂ и Al₂(SO₄)₃ и посчитать ионы из одной формульной единицы. Индексы показывают, сколько частиц каждого вида содержится в формуле. Заряды ионов нужны для проверки электрической нейтральности.

1. H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄²⁻: образуются 2 иона H⁺ и 1 ион SO₄²⁻.
2. Ba(OH)₂ → Ba²⁺ + 2OH⁻: образуются 1 ион Ba²⁺ и 2 иона OH⁻.
3. Al₂(SO₄)₃ → 2Al³⁺ + 3SO₄²⁻: образуются 2 иона Al³⁺ и 3 иона SO₄²⁻.

Ответ: уравнения записаны выше, а общее число ионов соответственно равно 3, 3 и 5. В каждом случае суммарный заряд продуктов равен нулю.

Задача 3

В растворе содержится 0,20 моль CaCl₂, диссоциацию считаем полной. Сначала определяем соотношение частиц по уравнению, а затем умножаем количество вещества соли на соответствующие коэффициенты. Один моль CaCl₂ даёт один моль Ca²⁺ и два моля Cl⁻.

1. Записываем: CaCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl⁻.
2. Находим катионы: n(Ca²⁺) = 0,20 · 1 = 0,20 моль.
3. Находим анионы: n(Cl⁻) = 0,20 · 2 = 0,40 моль.

Ответ: n(Ca²⁺) = 0,20 моль, n(Cl⁻) = 0,40 моль. Проверка по заряду: 0,20 · (+2) и 0,40 · (−1) дают противоположные заряды одинаковой величины.

Типичные ошибки

Считают электролитом любое растворимое вещество. Так происходит из-за смешения растворимости с образованием ионов: сахар растворяется, но остаётся молекулярным веществом. Проверяйте, появляются ли в растворе заряженные частицы.

Записывают молекулы вместо ионов или неверно указывают их заряды. Ошибку вызывают забытая валентность и невнимание к составу вещества. Проверьте, что катион и анион имеют правильные символы и их суммарные заряды компенсируются.

Не ставят коэффициент перед ионом в формулах CaCl₂ или Al₂(SO₄)₃. Индекс внутри формулы показывает число соответствующих ионов после диссоциации, поэтому его нельзя пропускать. Сосчитайте атомы каждого элемента в обеих частях уравнения.

Полагают, что при диссоциации образуются новые атомы или молекулы. На самом деле частицы электролита разделяются на уже существующие ионы, а не превращаются в другие вещества. Сверьте состав исходной формулы и набора ионов справа.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать состав и формулы кислот, оснований и солей, валентность элементов и правила составления химических формул. Без этого трудно определить, какие ионы образуются и сколько их будет.

Электролитическая диссоциация объясняет электропроводность растворов и служит основой для ионных уравнений. Она также нужна при изучении реакций обмена в водных растворах, где взаимодействуют именно ионы.

Что запомнить

• Электролиты проводят ток в растворах и расплавах благодаря подвижным ионам.
• Электролитическая диссоциация происходит при растворении или плавлении электролита.
• Катионы имеют положительный заряд, а анионы — отрицательный.
• Кислоты диссоциируют с образованием катионов водорода и анионов кислотных остатков.
• Основания диссоциируют с образованием катионов металлов и гидроксид-ионов.
• Соли диссоциируют на катионы металлов и анионы кислотных остатков.
• При записи уравнения диссоциации число и заряд ионов должны соответствовать формуле электролита.