Лекция Теория электролитической диссоциации

Лекция № 30. Теория электролитической диссоциации

Электролитами называются вещества, растворы которых обладают электрической проводимостью. К электролитам относятся растворы кислот, солей и щелочей. Соли и щелочи проводят электрический ток не только в растворах, но и в расплавах. Неэлектролитами называются вещества, растворы которых не обладают электрической проводимостью. К неэлектролитам относятся многие органические вещества, сухие соли и основания, дистиллированная вода.

В 1887 г. шведский ученый Сванте Аррениус выдвинул теорию электролитической диссоциации. Электролитической диссоциацией называется процесс распада электролита на сольватированные ионы под действием молекул растворителя. Теория Аррениуса заключалась в следующем:

1. При растворении в воде (или расплавлении) электролиты распадаются на положительно (катионы) и отрицательно (анионы) заряженные ионы (т.е. подвергаются электролитической диссоциации).

2. Под действием электрического тока катионы двигаются к отрицательно заряженному электроду (катоду), а анионы – к положительно заряженному электроду (аноду).

3. Электролитическая диссоциация – процесс обратимый (обратная реакция называется моляризацией).

Механизм электролитической диссоциации ионных веществ

При растворении соединений с ионными связями (например, NaCl) процесс гидратации начинается с ориентации диполей воды вокруг всех выступов и граней кристаллов соли. Ориентируясь вокруг ионов кристаллической решетки, молекулы воды образуют с ними либо водородные, либо донорно-акцепторные связи. При этом процессе выделяется большое количество энергии, которая называется энергией гидратации. Энергия гидратации, величина которой сравнима с энергией кристаллической решетки, идет на разрушение кристаллической решетки. При этом гидратированные ионы слой за слоем переходят в растворитель и, перемешиваясь с его молекулами, образуют раствор.

Механизм электролитической диссоциации полярных веществ

Аналогично диссоциируют и вещества, молекулы которых образованы по типу полярной ковалентной связи (полярные молекулы). Вокруг каждой полярной молекулы вещества (например, HCl), определенным образом ориентируются диполи воды. В результате взаимодействия с диполями воды полярная молекула еще больше поляризуется и превращается в ионную, далее уже легко образуются свободные гидратированные ионы.

Процесс электролитической диссоциации принято записывать в виде схемы, не раскрывая его механизма и опуская растворитель (H₂O), хотя он является основным участником:

CaCl₂ = Ca²⁺ + 2Clˉ

HNO₃ = H⁺ + NO³ˉ

Ba(OH)₂ = Ba²⁺ + 2OHˉ

Из электронейтральности молекул следует вывод, что суммарный заряд катионов и анионов должен быть равен нулю. Например, Al₂(SO₄)₃: 2·(+3) + 3·(-2) = +6 – 6 = 0.

Количественной характеристикой процесса диссоциации электролита является степень диссоциации. Степень электролитической диссоциации (α) зависит от природы электролита и растворителя, температуры и концентрации. Она показывает отношение числа молекул, распавшихся на ионы (n) к общему числу молекул, введенных в раствор (N) и выражается в долях единицы или в %:

0

По величине степени диссоциации все электролиты делятся на сильные и слабые. Сильные электролиты – это вещества, которые при растворении в воде практически полностью распадаются на ионы. Как правило, к сильным электролитам относятся вещества с ионными или сильно полярными связями: все хорошо растворимые соли, сильные кислоты (HCl, HBr, HI, HClO₄, H₂SO₄, HMnO₄, HNO₃) и сильные основания (LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH, Ba(OH)₂, Sr(OH)₂, Ca(OH)₂). В растворе сильного электролита растворённое вещество находится в основном в виде ионов (катионов и анионов); недиссоциированные молекулы практически отсутствуют. Степень диссоциации сильных электролитов α30%.

Слабые электролиты – это вещества, частично диссоциирующие на ионы. Растворы слабых электролитов наряду с ионами содержат недиссоциированные молекулы. Степень диссоциации α₃COOH, C₂H₅COOH и др.); некоторые неорганические кислоты (H₂CO₃, H₂SO₃, H₂SiO₃, HCN, HNO₂, H₃PO₄, HF, H₂S и др.); почти все малорастворимые в воде соли, основания и гидроксид аммония (Ca₃(PO₄)₂; Cu(OH)₂; Al(OH)₃; NH₄OH); вода. Они плохо (или почти не проводят) электрический ток.

Реакции ионного обмена

Реакции между ионами, образовавшимися в результате диссоциации электролитов, называются реакциями ионного обмена.

Правила составления ионных уравнений реакций

1. Нерастворимые в воде соединения (простые вещества, оксиды, некоторые кислоты, основания и соли) не диссоциируют и на ионы не расписываются.

2. Сумма электрических зарядов ионов в левой и в правой части уравнения должна быть одинаковой.

Порядок составления ионных уравнений реакции

1. Записывают молекулярное уравнение реакции:

MgCl₂ + 2AgNO₃ = 2AgCl + Mg(NO₃)₂

2. Определяют растворимость каждого из веществ с помощью таблицы растворимости:

p p н p

MgCl₂ + 2AgNO₃ = 2AgCl↓ + Mg(NO₃)₂

3. Записывают полное ионное уравнение реакции

Mg²⁺ + 2Clˉ + 2Ag⁺ + 2NO₃^ˉ = 2AgCl↓ + Mg²⁺ + 2NO₃^ˉ

5. Составляют сокращенное ионное уравнение, сокращая одинаковые ионы с обеих сторон:

Mg²⁺ + 2Clˉ + 2Ag⁺ + 2NO₃ˉ = 2AgCl↓ + Mg²⁺ + 2NO₃ˉ

Ag⁺ + Clˉ = AgCl↓

Условия необратимости реакций ионного обмена

1. Если образуется осадок (↓):

Pb(NO₃)₂ + 2KI = PbI₂↓ + 2KNO₃

Pb²⁺ + 2Iˉ = PbI₂↓

2. Если выделяется газ (↑):

Na₂CO₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + H₂O + CO₂↑

CO₃^2- + 2H⁺ = H₂O + CO₂↑

3. Если образуется малодиссоциированное вещество (H₂O):

Ca(OH)₂ + 2HNO₃ = Ca(NO₃)₂ + 2H₂O

H⁺ + OHˉ = H₂O

В тех случаях, когда нет ионов, которые могут связываться между собой с образованием осадка, газа, малодиссоциированных соединений (H₂O), реакции обмена обратимы.

Теория кислот и оснований

На основании теории электролитической диссоциации Аррениус дал новые определения основаниям, кислотам и солям.

Кислоты – это электролиты, диссоциирующие с образованием катионов водорода Н⁺:

HNO₃ = H⁺ + NO₃ˉ

Диссоциация многоосновных кислот протекает по ступеням:

H₃PO₄ = H⁺ + H₂PO₄ˉ I ступень

H₂PO₄ˉ = H⁺ + HPO₄²ˉ II ступень

HPO₄²ˉ = H⁺ + PO₄³ˉ III ступень

Основания – это электролиты, диссоциирующие с образованием гидроксид-ионов ОНˉ:

NaOH = Na⁺ + OHˉ

Если основание содержит в молекуле несколько гидроксильных групп, то диссоциация будет происходить ступенчато:

Сa(OH)₂ =СаОН⁺ + OHˉ I ступень

СaOH⁺ =Сa²⁺ + OHˉ II ступень

Уравнение полной диссоциации имеет следующий вид:

Сa(OH)₂ = Сa²⁺ + 2OHˉ

Диссоциацию растворенной части амфотерного гидроксида можно представить следующей схемой:

H⁺ + МеO^– = МеOH = Ме⁺ + OH ^–.

В насыщенном водном растворе амфотерного гидроксида ионы H⁺, МеO^– и Ме⁺, OH^– находятся в состоянии равновесия, поэтому амфотерные гидроксиды взаимодействуют и с кислотами и с основаниями. При добавлении кислоты равновесие смещается в сторону диссоциации по типу основания, при добавлении основания – в сторону диссоциации по типу кислоты.

Соли – это электролиты, диссоциирующие с образованием катионов, отличных от ионов Н⁺, и анионов, отличных от ионов ОНˉ:

NaCl = Na⁺ + Clˉ

KHCO₃ = K⁺ + HCO₃ˉ

AlOHCl₂ = AlOH²⁺ + 2Clˉ

4