Электролитическая диссоциация

При изучении свойств веществ ученые обнаружили, что водные растворы некоторых веществ проводят электрический ток. Причем в нерастворенном состоянии такого свойства нет. Такие вещества назвали электролитами.

Объяснение этому явлению смог найти шведский химик Сванте Август Аррениус. Он предположил, что при растворении в воде электролиты распадаются на ионы: катионы (положительно заряженные) и анионы (отрицательно заряженные).

Электролитическая диссоциация 1

Такой процесс распада на ионы называется электролитическая диссоциация.

Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц. Например, в проводе от лампочки движутся электроны. А в растворе электролита движутся ионы. Поэтому такие растворы электропроводны.

Теория электролитической диссоциации Аррениуса подтвердилась. И теперь мы можем на молекулярном уровне объяснить, почему происходит диссоциация.

Все дело в растворителе – воде. В молекуле воды связи O–H сильно полярны. Электронная плотность оттягивается к кислороду. На нем создается избыток электронной плотности – возникает частичный отрицательный заряд (обозначается как δ–: «дельта минус»). От атомов водорода электронная плотность оттягивается: на них создается частичный положительный заряд (обозначается как δ+: «дельта плюс»).

Электролитическая диссоциация 2

Поэтому молекула воды – диполь (ди – значит два), у нее есть два «полюса»: положительный и отрицательный.

Электролитическая диссоциация 3

Положительный полюс притягивает анион, отрицательный – катион в молекуле электролита.

Электролитическая диссоциация 4

Современное определение термина: электролит – вещество, которое распадается на ионы (диссоциирует) при растворении или расплавлении.

Электролиты – вещества разнообразные. Некоторые из них хорошо диссоциируют, некоторые плохо. Для численного выражения того, насколько вещество диссоциировало существует есть величина – степень диссоциации (обозначается буквой a). Степень диссоциации равна отношению числа диссоциировавших на ионы молекул к общему (исходному) числу молекул:

Электролитическая диссоциация 5

Предположим, изначально было 100 молекул, 50 диссоциировало, значит степень диссоциации равна:

Электролитическая диссоциация 6

В зависимости от величины степени диссоциации электролиты подразделяют на сильные, средней силы и слабые. По школьной программе электролиты средней силы приравниваются к слабым.

Сильные электролиты.

Степень диссоциации у сильных электролитов стремится к единице, то есть они практически полностью диссоциируют. Сильными электролитами являются:

  1. Растворимые соли (растворимость солей смотрим в таблице растворимости).

Соли диссоциируют на катионы металла и анионы кислотного остатка. Заряд металла численно равен его степени окисления. Заряд кислотного остатка равен числу замещенных атомов водорода (которые заместил металл в кислоте, соответствующей соли) только с отрицательным знаком.

Электролитическая диссоциация 7

ВАЖНО! Число ионов, образовавшихся при диссоциации, равно числу ионов в соли:

Электролитическая диссоциация 8

Электролитическая диссоциация 9

  1. Сильные кислоты.

Кислоты в растворе диссоциируют на катион водорода (H+) и анион кислотного остатка. Сила кислот обусловлена их способностью диссоциировать. Сильные кислоты делают это хорошо – они сильные электролиты. Сильные кислоты = сильные электролиты.

Электролитическая диссоциация 10

Есть кислоты, которые могут образовать более одного катиона водорода (H+). Например, H2SO4. Такие кислоты будут диссоциировать ступенчато (то есть в несколько этапов).

Электролитическая диссоциация 11

Электролитическая диссоциация 12

Электролитическая диссоциация 13

Такая диссоциация называется ступенчатой. Кислоты, которые диссоциируют в одну ступень называются одноосновными, которые диссоциируют в две ступени – двухосновными, в три – трехосновными.

При ступенчатой диссоциации каждая последующая ступень идет чуть хуже. То есть по первой ступени диссоциация идет лучше всего.

  1. Щелочи.

Растворимые в воде основания – щелочи являются сильными электролитами. Как мы помним, щелочей всего восемь: LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH, Ca(OH)2, Sr(OH)2, Ba(OH)2.

Если сила кислот определяется способностью диссоциировать с образованием (H+), то сила оснований определяется способностью диссоциировать с образованием гидроксид-иона (OH). Опять-таки, щелочи – потому и сильные основания, потому что хорошо диссоциируют.

Как и в случае с кислотами, есть щелочи, диссоциирующие в одну ступень. А есть, которые в несколько.

Щелочи, образованные металлами со степенью окисления +1, диссоциируют в одну ступень:

Электролитическая диссоциация 14

Щелочи, образованные металлами со степенью окисления +2, диссоциируют в две ступени:

Электролитическая диссоциация 15

Раз от электронейтрального Ca(OH)2 отщепляется отрицательно заряженный ион (OH), он уносит с собой один отрицательный заряд (–), и остается частица, заряженная положительно (CaOH+).

Электролитическая диссоциация 16

Щелочи, которые диссоциируют в одну ступень называются однокислотными, которые диссоциируют в две ступени – двухкислотными. По второй ступени диссоциация идет чуть хуже.

Слабые электролиты.

Степень диссоциации этих веществ – величина небольшая. Эти вещества только частично диссоциируют в растворе, их диссоциация обратима.

  1. Самый известный слабый электролит – это вода.

Электролитическая диссоциация 17

Вода крайне незначительно диссоциирует. Очищенная от растворенных веществ она даже не проводит электрический ток. Но даже этой незначительной диссоциации достаточно для проявления некоторых свойств воды.

  1. Слабые кислоты.

Сильные кислоты – это сильные электролиты, а слабые кислоты, соответственно, слабые электролиты.

Диссоциация идет так же, как у сильных кислот, но обратимо, не полностью:

Электролитическая диссоциация 18

Многоосновные кислоты диссоциируют ступенчато:

Диссоциация H2S:

Электролитическая диссоциация 19

Диссоциация H3PO4:

Электролитическая диссоциация 20

Стоит отдельно отметить угольную и сернистую кислоту. Их формулы, если помните, H2CO3 и H2SO3. Дело в том, что в таком виде, в котором они записаны, их не существует. Поэтому записывать их так нельзя. Если угольная или сернистая кислота вступают в реакцию или образуются в ходе реакции нужно записывать в виде кислотного оксида и воды.

Электролитическая диссоциация 21

Поэтому уравнение диссоциации этих кислот будет выглядеть вот так (на примере угольной кислоты):

Электролитическая диссоциация 22

  1. Водный раствор аммиака (NH3).

У атома азота в аммиаке есть НЭП (неподеленная электронная пара)

Электролитическая диссоциация 23

Поэтому азот может образовывать связь с катионом водорода (H+) по донорно-акцепторному механизму: азот предоставляет пару электронов, а катион водорода (H+) – пустую орбиталь:

Электролитическая диссоциация 24

Образовавшийся ион (NH4+) называется ионом аммония.

Как мы помним, вода диссоциирует:

 Электролитическая диссоциация 25

Образовавшийся при диссоциации воды ион водорода присоединяется к молекуле аммиака. Уравнение диссоциации водного раствора аммиака имеет следующий вид:

Электролитическая диссоциация 26

Как сернистая и угольная кислота, соединения NH4OH – гидроксид аммония не существует. Если он образуется в ходе реакции или вступает в реакцию нужно писать: NH3 + H2O.

Природа катиона водорода.

Атом водорода (H0) представляет из себя ядро (содержащее один протон) и электронную оболочку (состоящую из одного электрона).

Электролитическая диссоциация 27

Чтобы превратиться в катион, атом водорода должен отдать один электрон:

Ho -1e → H+

Что произойдет если атом водорода отдаст один единственный электрон?

Электролитическая диссоциация 28

Но такого не может быть, протон – это очень маленькая частица, несопоставимая по размерам с атомами и ионами.

В действительности процесс образования иона водорода (H+) «выглядит» иначе. Ион H+ в растворе присоединен к молекуле воды. По тому же принципу, как ион H+ присоединяется к аммиаку. Ведь у кислорода тоже есть неподеленная электронная пара:

Электролитическая диссоциация 29

Поэтому реакции диссоциации следовало бы записывать вот так:

Электролитическая диссоциация 30

Ион H3O+ называется ионом гидроксония. Именно эта частица подразумевается, когда мы записываем H+. И правильнее было бы записывать H3O+, но по традиции записываем H+. Называем его протоном.