1. Понятие электролитическая диссоциация

Тема на­ше­го урока – «Элек­тро­ли­ти­че­ская дис­со­ци­а­ция». Мы по­про­бу­ем объ­яс­нить неко­то­рые уди­ви­тель­ные факты:

- По­че­му рас­тво­ры кис­лот, солей и ще­ло­чей про­во­дят элек­три­че­ский ток.

-  По­че­му тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния рас­тво­ра элек­тро­ли­та все­гда будет выше, чем тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния рас­тво­ра не элек­тро­ли­та той же кон­цен­тра­ции.

Сван­те Ар­ре­ни­ус

В 1887 году швед­ский фи­зи­ко - химик Сван­те Ар­ре­ни­ус, ис­сле­дуя элек­тро­про­вод­ность вод­ных рас­тво­ров, вы­ска­зал пред­по­ло­же­ние, что в таких рас­тво­рах ве­ще­ства рас­па­да­ют­ся на за­ря­жен­ные ча­сти­цы – ионы, ко­то­рые могут пе­ре­дви­гать­ся к элек­тро­дам – от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­но­му ка­то­ду и по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­но­му аноду.

Это и есть при­чи­на элек­три­че­ско­го тока в рас­тво­рах. Дан­ный про­цесс по­лу­чил на­зва­ние элек­тро­ли­ти­че­ской дис­со­ци­а­ции (до­слов­ный пе­ре­вод – рас­щеп­ле­ние, раз­ло­же­ние под дей­стви­ем элек­три­че­ства). Такое на­зва­ние также пред­по­ла­га­ет, что дис­со­ци­а­ция про­ис­хо­дит под дей­стви­ем элек­три­че­ско­го тока. Даль­ней­шие ис­сле­до­ва­ния по­ка­за­ли, что это не так: ионы яв­ля­ют­ся толь­ко пе­ре­нос­чи­ка­ми за­ря­дов в рас­тво­ре и су­ще­ству­ют в нем неза­ви­си­мо от того, про­хо­дит через рас­твор ток или нет. При ак­тив­ном уча­стии Сван­те Ар­ре­ни­у­са была сфор­му­ли­ро­ва­на тео­рия элек­тро­ли­ти­че­ской дис­со­ци­а­ции, ко­то­рою часто на­зы­ва­ют в честь этого уче­но­го. Ос­нов­ная идея дан­ной тео­рии за­клю­ча­ет­ся в том, что элек­тро­ли­ты под дей­стви­ем рас­тво­ри­те­ля са­мо­про­из­воль­но рас­па­да­ют­ся на ионы. И имен­но эти ионы яв­ля­ют­ся но­си­те­ля­ми за­ря­да и от­ве­ча­ют за элек­тро­про­вод­ность рас­тво­ра.

Элек­три­че­ский ток - это на­прав­лен­ное дви­же­ние сво­бод­ных за­ря­жен­ных ча­стиц. Вы уже зна­е­те, что рас­тво­ры и рас­пла­вы солей и ще­ло­чей элек­тро­про­вод­ны, так как со­сто­ят не из ней­траль­ных мо­ле­кул, а из за­ря­жен­ных ча­стиц – ионов. При рас­плав­ле­нии или рас­тво­ре­нии ионы ста­но­вят­ся сво­бод­ны­ми пе­ре­нос­чи­ка­ми элек­три­че­ско­го за­ря­да.

Про­цесс рас­па­да ве­ще­ства на сво­бод­ные ионы при его рас­тво­ре­нии или рас­плав­ле­нии на­зы­ва­ют элек­тро­ли­ти­че­ской дис­со­ци­а­ци­ей.

Рис. 1. Схема рас­па­да на ионы хло­ри­да на­трия

2. Сущность процесса электролитической диссоциации солей

Сущ­ность элек­тро­ли­ти­че­ской дис­со­ци­а­ции  за­клю­ча­ет­ся в том, что ионы ста­но­вят­ся сво­бод­ны­ми под вли­я­ни­ем мо­ле­ку­лы воды. Рис.1. Про­цесс рас­па­да элек­тро­ли­та на ионы отоб­ра­жа­ют с по­мо­щью хи­ми­че­ско­го урав­не­ния. За­пи­шем урав­не­ние дис­со­ци­а­ции хло­ри­да на­трия и бро­ми­да каль­ция.       При дис­со­ци­а­ции од­но­го моля хло­ри­да на­трия об­ра­зу­ют­ся один моль ка­ти­о­нов на­трия и один моль хло­рид - ани­о­нов.    NaCl⇄Na⁺ + Cl^-

При дис­со­ци­а­ции од­но­го моля бро­ми­да каль­ция об­ра­зу­ет­ся один моль ка­ти­о­нов каль­ция и два моля бро­мид - ани­о­нов.

CaBr₂⇄Ca²⁺ + 2Br^-

Об­ра­ти­те вни­ма­ние: так как в левой части урав­не­ния за­пи­са­на фор­му­ла элек­тро­ней­траль­ной ча­сти­цы, то сум­мар­ный заряд ионов дол­жен быть равен нулю.

Вывод: при дис­со­ци­а­ции солей об­ра­зу­ют­ся ка­ти­о­ны ме­тал­ла и ани­о­ны кис­лот­но­го остат­ка.

3. Сущность процесса электролитической диссоциации щелочей

Рас­смот­рим про­цесс элек­тро­ли­ти­че­ской дис­со­ци­а­ции ще­ло­чей. За­пи­шем урав­не­ние дис­со­ци­а­ции в рас­тво­ре гид­рок­си­да калия и гид­рок­си­да бария.

При дис­со­ци­а­ции од­но­го моля гид­рок­си­да калия об­ра­зу­ют­ся один моль ка­ти­о­нов калия и один моль гид­рок­сид-ани­о­нов.   KOH⇄K⁺ + OH^-

При дис­со­ци­а­ции од­но­го моля гид­рок­си­да бария об­ра­зу­ют­ся один моль ка­ти­о­нов бария и два моля гид­рок­сид - ани­о­нов. Ba(OH)₂⇄Ba²⁺ + 2 OH^-

Вывод: при элек­тро­ли­ти­че­ской дис­со­ци­а­ции ще­ло­чей об­ра­зу­ют­ся ка­ти­о­ны ме­тал­ла и гид­рок­сид - ани­о­ны.

Нерас­тво­ри­мые в воде ос­но­ва­ния прак­ти­че­ски не под­вер­га­ют­ся элек­тро­ли­ти­че­ской дис­со­ци­а­ции, так как в воде они прак­ти­че­ски нерас­тво­ри­мы, а при на­гре­ва­нии – раз­ла­га­ют­ся, так что рас­плав их по­лу­чить не уда­ет­ся.

4. Сущность процесса электролитической диссоциации кислот

Рис. 2. Стро­е­ние мо­ле­кул хло­ро­во­до­ро­да и воды

Рас­смот­ри про­цесс элек­тро­ли­ти­че­ской дис­со­ци­а­ции кис­лот. Мо­ле­ку­лы кис­лот об­ра­зо­ва­ны ко­ва­лент­ной по­ляр­ной свя­зью, а зна­чит, кис­ло­ты со­сто­ят не из ионов, а из мо­ле­кул.

Воз­ни­ка­ет во­прос – как же тогда кис­ло­та дис­со­ци­и­ру­ет, т. е как в кис­ло­тах об­ра­зу­ют­ся сво­бод­ные за­ря­жен­ные ча­сти­цы? Ока­зы­ва­ет­ся, ионы об­ра­зу­ют­ся в рас­тво­рах кис­лот имен­но при рас­тво­ре­нии.

Рас­смот­рим про­цесс элек­тро­ли­ти­че­ской дис­со­ци­а­ции хло­ро­во­до­ро­да в воде, но для этого за­пи­шем стро­е­ние мо­ле­кул хло­ро­во­до­ро­да и воды. Рис.2.

Обе мо­ле­ку­лы об­ра­зо­ва­ны ко­ва­лент­ной по­ляр­ной свя­зью. Элек­трон­ная плот­ность в мо­ле­ку­ле хло­ро­во­до­ро­да сме­ще­на к атому хлора, а в мо­ле­ку­ле воды – к атому кис­ло­ро­да. Мо­ле­ку­ла воды спо­соб­на ото­рвать ка­ти­он во­до­ро­да от мо­ле­ку­лы хло­ро­во­до­ро­да, при этом об­ра­зу­ет­ся ка­ти­он гид­рок­со­ния Н₃О⁺.

В урав­не­нии ре­ак­ции элек­тро­ли­ти­че­ской дис­со­ци­а­ции не все­гда учи­ты­ва­ют об­ра­зо­ва­ние ка­ти­о­на гид­рок­со­ния – обыч­но го­во­рят, что об­ра­зу­ет­ся ка­ти­он во­до­ро­да.

Тогда урав­не­ние дис­со­ци­а­ции хло­ро­во­до­ро­да вы­гля­дит так:

HCl⇄H⁺ + Cl^-

При дис­со­ци­а­ции од­но­го моля хло­ро­во­до­ро­да об­ра­зу­ют­ся один моль ка­ти­о­на во­до­ро­да и один моль хло­рид - ани­о­нов.

5. Ступенчатая диссоциация кислот

Сту­пен­ча­тая дис­со­ци­а­ция сер­ной кис­ло­ты

Рас­смот­ри про­цесс элек­тро­ли­ти­че­ской дис­со­ци­а­ции сер­ной кис­ло­ты. Сер­ная кис­ло­та дис­со­ци­и­ру­ет сту­пен­ча­то, в две ста­дии.

I–я ста­дия дис­со­ци­а­ции

На пер­вой ста­дии от­ры­ва­ет­ся один ка­ти­он во­до­ро­да и об­ра­зу­ет­ся гид­ро­суль­фат-ани­он.

H₂SO₄⇄H⁺ + HSO₄^-

гид­ро­суль­фат-ани­он.

II - я ста­дия дис­со­ци­а­ции                                                                                                                         

На вто­рой ста­дии про­ис­хо­дит даль­ней­шая дис­со­ци­а­ция гид­ро­суль­фат - ани­о­нов. HSO₄^-⇄H⁺ + SO₄^2-

Эта ста­дия яв­ля­ет­ся об­ра­ти­мой, то есть, об­ра­зу­ю­щи­е­ся суль­фат - ионы могут при­со­еди­нять к себе ка­ти­о­ны во­до­ро­да и пре­вра­щать­ся в гид­ро­суль­фат - ани­о­ны. Это по­ка­за­но зна­ком об­ра­ти­мо­сти.

Су­ще­ству­ют кис­ло­ты, ко­то­рые даже на пер­вой ста­дии дис­со­ци­и­ру­ют не пол­но­стью – такие кис­ло­ты яв­ля­ют­ся сла­бы­ми. На­при­мер, уголь­ная кис­ло­та Н₂СО₃.

6. Сравнение температур кипения электролитов и неэлектролитов

Те­перь мы можем объ­яс­нить, по­че­му тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния рас­тво­ра элек­тро­ли­та будет выше, чем тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния рас­тво­ра неэлек­тро­ли­та.

При рас­тво­ре­нии мо­ле­ку­лы рас­тво­рен­но­го ве­ще­ства вза­и­мо­дей­ству­ют с мо­ле­ку­ла­ми рас­тво­ри­те­ля, на­при­мер – воды. Чем боль­ше ча­стиц рас­тво­рен­но­го ве­ще­ства на­хо­дит­ся в одном объ­е­ме воды, тем будет выше его тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния. Те­перь пред­ста­вим, что в оди­на­ко­вых объ­е­мах воды рас­тво­ри­ли рав­ные ко­ли­че­ства ве­ще­ства-элек­тро­ли­та и ве­ще­ства - неэлек­тро­ли­та. Элек­тро­лит в воде рас­па­дет­ся на ионы, а зна­чит – число его ча­стиц будет боль­ше, чем в слу­чае рас­тво­ре­ния неэлек­тро­ли­та. Таким об­ра­зом, на­ли­чие сво­бод­ных ча­стиц в элек­тро­ли­те объ­яс­ня­ет, по­че­му тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния рас­тво­ра элек­тро­ли­та будет выше, чем тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния рас­тво­ра неэлек­тро­ли­та.

Под­ве­де­ние итога

Вы узна­ли, что рас­тво­ры кис­лот, солей и ще­ло­чей элек­тро­про­вод­ны, так как при их рас­тво­ре­нии об­ра­зу­ют­ся за­ря­жен­ные ча­сти­цы – ионы. Такой про­цесс на­зы­ва­ет­ся элек­тро­ли­ти­че­ской дис­со­ци­а­ци­ей. При дис­со­ци­а­ции солей об­ра­зу­ют­ся ка­ти­о­ны ме­тал­ла и ани­о­ны кис­лот­ных остат­ков. При дис­со­ци­а­ции ще­ло­чей об­ра­зу­ют­ся ка­ти­о­ны ме­тал­ла и гид­рок­сид-ани­о­ны. При дис­со­ци­а­ции кис­лот об­ра­зу­ют­ся ка­ти­о­ны во­до­ро­да и ани­о­ны кис­лот­но­го остат­ка.