Вам бонус- начислено 1 монета за дневную активность. Сейчас у вас 1 монета

5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах

Лекция



Привет, Вы узнаете о том , что такое электролитическая диссоциация веществ, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое электролитическая диссоциация веществ , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Неорганическая химия.

К началу XIX века естествоиспытатели установили, что все растворы можно разделить на две большие группы — непроводящие электрический ток и проводящие его. Немецкий физик Г. С. Ом выявил, что растворы-проводники проводят ток по тем же законам, что и металлы-проводники. Английский физик М. Фарадей изучил явление электролиза и установил его основные законы. Наблюдаемые в растворах явления и закономерности в 1887 году объяснил шведский ученый Сванте Аррениус, предложивший теорию электролитической диссоциации. Ее сущность можно выразить следующим образом:

электролиты распадаются на ионы в расплавах под действием высокой температуры, а в растворах вследствие взаимодействия с растворителем (рис. 56).

5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах
Рис. 56. Электролиты: а — расплав NaOH, б — раствор NaOH в воде

Процесс распада электролита на ионы называют электролитической диссоциацией.

5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах

Сванте Август
Аррениус —
шведский физико-
химик, автор теории
электролитической
диссоциации (1887 г.)

В твердом состоянии большинство ионных и молекулярных соединений — это диэлектрики, не проводящие ток. Так, электропроводность твердого NaCl в 1000 млрд раз меньше, чем у металлов или графита. В то же время водные растворы электролитов проводят ток вследствие того, что ионные и многие молекулярные соединения под влиянием полярных молекул воды при растворении распадаются (диссоциируют) на катионы и анионы.

Электролитэто вещество, которое проводит электрический ток вследствие диссоциации на катионы и анионы в расплаве или в растворе.

Электропроводность электролитов обусловлена подвижностью катионов и анионов в расплавах и растворах.

К электролитам относятся соли, щелочи, кислоты, то есть соединения с ионной или ковалентной полярной химической связью.

Диссоциация соединений с ионным типом связи

Ионные кристаллы состоят из катионов и анионов, связанных между собой силами электростатического взаимодействия в упорядоченную кристаллическую структуру. Под воздействием полярных молекул воды происходит разрушение ионных кристаллов и их растворение с образованием гидратов ионов (рис. 57).

5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах
Рис. 57. Разрушение кристалла под действием молекул воды и гидратация
образующихся ионов

Изучите рисунок 57 и обратите внимание на относительный размер катионов Na+, анионов Cl, молекул воды, а также знаки частичных зарядов на атомах H и O в молекуле воды. Обратите внимание на то, каким атомом молекула воды повернута к катиону Na+, а каким — к аниону Cl. Почему молекула воды ориентирована к катиону Na+ атомом кислорода, а к аниону Cl — атомом водорода?

Особенностью диссоциации ионных соединений (солей и щелочей) является то, что эти вещества уже состоят из ионов и полярные молекулы воды только разделяют катионы и анионы. Затрата энергии на диссоциацию компенсируется выделением энергии при гидратации ионов, и в целом процесс протекает самопроизвольно.

Являясь хорошо растворимыми в воде основаниями, щелочи диссоциируют в водных растворах на гидроксид-анионы и катионы металла:

KОН space rightwards arrow space straight K to the power of plus space plus space ОН to the power of – semicolon
Са left parenthesis ОН right parenthesis subscript 2 rightwards arrow space Са to the power of 2 plus space end exponent plus space 2 ОН to the power of –.

В результате диссоциации солей в воде их ионные кристаллы распадаются на катионы металлов (или аммония) и анионы кислотных остатков:

Na subscript 2 CO subscript 3 space rightwards arrow space 2 Na to the power of plus space end exponent plus space CO subscript 3 superscript 2 minus end superscript semicolon
left parenthesis NH subscript 4 right parenthesis subscript 3 PO subscript 4 space rightwards arrow space 3 NH subscript 4 superscript plus space plus space PO subscript 4 superscript 3 minus end superscript.

Диссоциация соединений с ковалентным полярным типом связи

5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах
Рис. 58. Водородные связи
между молекулами H2O и HCl

Большинство органических и неорганических кислот растворимы в воде и являются электролитами. В кислотах атомы водорода связаны ковалентными полярными связями с атомами кислотных остатков. В полярных молекулах готовых ионов нет. Рассмотрим процесс диссоциации кислот на примере молекулы 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах.

Вначале полярные молекулы кислоты притягиваются к полярным молекулам воды и еще больше поляризуются.

Образуются водородные связи между молекулами кислоты и воды (рис. 58).

Затем ковалентная полярная связь 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах удлиняется и становится менее прочной. В результате она разрывается, то есть происходит образование ионов:

5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах

Получившийся при диссоциации кислоты катион H+ присоединяется к молекуле воды с образованием катиона гидроксония H3O+ по донорно-акцепторному механизму, с которым вы познакомились, изучая материал § 13. Образовавшийся при ионизации ион хлора также оказывается гидратированным, что показано на рисунке 57.

Для упрощения уравнений реакций в ионной форме обычно записывают гидратированный катион водорода в виде Н+.

Аналогичным образом под действием полярных молекул воды происходит диссоциация и других соединений с ковалентным полярным типом связи.

Диссоциация включает процессы гидратации исходных молекул, их поляризации, разрушения связей в молекулах и их распада с образованием гидратированных ионов.

Молекулы кислот при диссоциации в водных растворах полностью или частично диссоциируют на катионы водорода и анионы кислотных остатков:

HNO subscript 3 rightwards arrow space straight H to the power of plus plus space NO subscript 3 superscript minus semicolon
CH subscript 3 COOH space rightwards arrow over leftwards arrow space straight H to the power of plus plus space CH subscript 3 COO to the power of –.

*Отличие химических свойств ионов от свойств атомов и молекул

Атомы и молекулы являются электронейтральными частицами. Катионы металлов, например K+, как вам известно, образуются в результате того, что атомы металлов отдают электроны. Анионы неметаллов, например Br, образуются в результате присоединения электронов к атомам неметаллов.

Свойства катионов и анионов отличаются от свойств соответствующих электронейтральных атомов. Так, в электрическом поле, которое создается электродами, происходит упорядоченное движение катионов и анионов электролита — электрический ток. Положительные ионы — катионы металлов, H+, 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах и др. перемещаются к отрицательному электроду (катоду).

Отрицательные ионы — анионы кислотных остатков и OH движутся к положительному электроду (аноду) (рис. 58.1).

5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах
Рис. 58.1. Движение ионов в растворе под действием электрического поля

В отличие от нейтральных атомов (в частности, атомов металлов) катионы, например Cu2+, Fe3+ и др., имеют меньшее число электронов на внешних электронных уровнях и меньший размер, всегда могут выступать в качестве окислителя и принимать электроны:

CuSO4 + Zn = ZnSO4 + Cu↓

или Cu2+ + Zn = Zn2+ + Cu↓.

В сравнении с нейтральными атомами (I, S, O) простые анионы, например, I, S2– , O2– и др., имеют большее число электронов на внешних электронных уровнях и больший размер, могут выступать в качестве восстановителя и отдавать электроны:

2NaI + Cl2 = 2NaCl + I2

или 2I + Cl2 = 2Cl + I2.

Сильные и слабые электролиты

Одновременно с электролитической диссоциацией в растворе электролита протекают процессы ассоциации ионов. Поэтому в электролитах лишь определенная доля вещества существует в виде свободных ионов, то есть вещество может не полностью распадаться на ионы.

Для количественной характеристики электролитической диссоциации используют понятие степени диссоциации α.

Степень диссоциации αэто отношение числа молекул или формульных единиц электролита, распавшихся на ионы, к общему числу его растворенных молекул или формульных единиц:

5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах.

Число частиц и их количество (моль) связаны между собой соотношением:

5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах, следовательно, 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах,

где n — количество (моль) соответствующих молекул или формульных единиц.

Величину α выражают в долях единицы или процентах. Степень диссоциации показывает, какая часть электролита распалась и существует в растворе в виде свободных ионов. Например, степень диссоциации уксусной кислоты в растворе с молярной концентрацией 0,1 моль/дм3 равна 1,3 %. Это означает, что из 1000 молекул кислоты только 13 распались на катионы H+ и анионы CH3COO.

Ассоциация ионовобъединение разноименных ионов под действием электростатических сил в нейтральные или заряженные частицы.

Примерами ассоциации могут быть необратимые реакции обмена (они будут рассмотрены в § 27), записанные в ионной форме:

Ag+ + Cl = AgCl↓,

или обратимые реакции диссоциации слабых кислот:

5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах.

Казалось бы, сильные кислоты в водных растворах полностью диссоциируют на ионы. Тем не менее смоченная водой лакмусовая бумага краснеет при помещении ее над 20–30%-ными растворами HCl и HNO3. Это свидетельствует о присутствии в растворе и парáх над раствором недиссоциированных молекул HCl и HNO3, которые диссоциируют, попадая на влажную бумагу. Однако уже над 5–10%-ными растворами этих сильных электролитов лакмусовая бумага не краснеет. Это свидетельствует о полной диссоциации молекул HCl и HNO3 на нелетучие ионы даже в таких сравнительно концентрированных растворах.

Можно оценить, насколько сильна диссоциация в водных растворах аммиака. Помещенная над разбавленным раствором аммиака влажная лакмусовая бумага окрашивается в синий цвет. Это объясняется тем, что бо́льшая часть аммиака в воде находится в молекулярном состоянии и улетучивается. Так, над 4%-ным раствором NH3 число молекул NH3 в полтора раза больше числа молекул паров воды.

Вероятность ассоциации ионов снижается при уменьшении концентрации электролита, а следовательно, степень диссоциации в разбавленных растворах больше, чем в концентрированных. Это означает, что степень диссоциации зависит не только от природы вещества, но и от концентрации электролита.

В зависимости от численного значения α электролиты условно делятся на сильные и слабые.

Сильные электролитыэто химические соединения, которые в разбавленных растворах практически полностью диссоциированы на ионы. Степень диссоциации α сильных электролитов близка к 1.

К сильным электролитам относятся растворимые ионные соединения и некоторые вещества с ковалентным полярным типом связи; в их случае практически отсутствует процесс ассоциации образовавшихся ионов. Поэтому в уравнениях, отражающих электролитическую диссоциацию, вместо знака равенства ставят стрелку в одном направлении. В качестве примеров приведем уравнения диссоциации растворимых солей (а), щелочей (б) и сильных кислот (в) — H2SO4, HCl, HBr, HI, HClO4, HNO3:

  • а) 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах
  • б) 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах
  • в) 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах

Степень диссоциации слабых электролитов составляет, как правило, менее 5 %. К слабым электролитам относится вода (5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах), а также:

  • • большинство органических кислот, фенол, ряд неорганических кислот: HNO2, HCN, H2S, H3BO3, H2CO3, H2SiO3 и др.;
  • • раствор аммиака в воде.

Слабые электролитыхимические соединения, которые даже в разбавленных растворах незначительно диссоциируют на ионы. Ионы слабых электролитов находятся в подвижном равновесии с молекулами, которые не продиссоциировали, или с веществом немолекулярного строения, которое не растворилось.

Диссоциацию слабых электролитов отображают уравнением распада со стрелками в двух направлениях: 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах.

Провести четкую границу между сильными и слабыми кислотами довольно трудно. Принято считать слабой кислотой плавиковую (HF), хотя она в разбавленных растворах диссоциирует на 8–25 %. Фосфорную H3PO4, сернистую H2SO3 и щавелевую HOOC—COOH кислоты также считают слабыми. По первой ступени диссоциации они диссоциируют на 10–30 % в концентрированных растворах и более 50 % — в разбавленных.

Например, в разбавленном растворе H3PO4 диссоциирует согласно уравнению:

5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах

Степень диссоциации по этой ступени может достигать 50 %. На каждой последующей ступени степень диссоциации значительно уменьшается, а диссоциация протекает согласно уравнениям:

straight H subscript 2 PO subscript 4 superscript minus space rightwards arrow over leftwards arrow space straight H to the power of plus plus space HPO subscript 4 superscript 2 minus end superscript semicolon
HPO subscript 4 superscript 2 minus end superscript space rightwards arrow over leftwards arrow space straight H to the power of plus plus space PO subscript 4 superscript 3 minus end superscript.

Уменьшение степени диссоциации связано с усилением взаимодействия ионов водорода 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах c кислотными остатками в ряду 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах, 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах и 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах.

Степень диссоциации α обычно определяют экспериментальным путем по электропроводности раствора.

Диссоциация слабых электролитов как обратимая реакция подчиняется принципу Ле Шателье. Так, образующиеся на первой ступени диссоциации катионы H+ согласно принципу Ле Шателье сдвигают равновесие реакции диссоциации на второй и третьей ступени влево. Тем самым уменьшается степень диссоциации анионов 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах и 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах и концентрация анионов 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах и 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах соответственно.

Как правило, на каждой последующей ступени степень диссоциации уменьшается.

В растворе H3PO4 с молярной концентрацией 1 моль/дм3 доли молекул H3PO4 и образовавшихся на разных стадиях анионов 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах, 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах и 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах составляют:

H3PO4 H+ 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах
92 % ~8 % ~8 % ~6 · 10–6 % ~10–16 %

Все многоосновные слабые кислоты диссоциируют практически только по первой ступени. Рассмотрим еще один пример диссоциации слабой сероводородной кислоты. На первой ступени небольшая часть молекул H2S диссоциирует с образованием ионов водорода и гидросульфид-ионов, на второй — из гидросульфид-ионов образуются сульфид-ионы:

H2S 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах H+ + HS;

продолжение следует...

Продолжение:


Часть 1 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах
Часть 2 Вопросы, задания, задачи - 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах
Часть 3 - 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах
Часть 4 - 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах
Часть 5 - 5.25. Электролитическая диссоциация веществ в растворах

Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.

создано: 2025-04-18
обновлено: 2025-04-18
76



Рейтиг 9 of 10. count vote: 2
Вы довольны ?:


Поделиться:

Найди готовое или заработай

С нашими удобными сервисами без комиссии*

Как это работает? | Узнать цену?

Найти исполнителя
$0 / весь год.
  • У вас есть задание, но нет времени его делать
  • Вы хотите найти профессионала для выплнения задания
  • Возможно примерение функции гаранта на сделку
  • Приорететная поддержка
  • идеально подходит для студентов, у которых нет времени для решения заданий
Готовое решение
$0 / весь год.
  • Вы можите продать(исполнителем) или купить(заказчиком) готовое решение
  • Вам предоставят готовое решение
  • Будет предоставлено в минимальные сроки т.к. задание уже готовое
  • Вы получите базовую гарантию 8 дней
  • Вы можете заработать на материалах
  • подходит как для студентов так и для преподавателей
Я исполнитель
$0 / весь год.
  • Вы профессионал своего дела
  • У вас есть опыт и желание зарабатывать
  • Вы хотите помочь в решении задач или написании работ
  • Возможно примерение функции гаранта на сделку
  • подходит для опытных студентов так и для преподавателей

Комментарии


Оставить комментарий
Если у вас есть какое-либо предложение, идея, благодарность или комментарий, не стесняйтесь писать. Мы очень ценим отзывы и рады услышать ваше мнение.
To reply

Неорганическая химия

Термины: Неорганическая химия