fbpx
Предметы

Ионные равновесия в растворах электролитов

В зависимости от способности проводить электрический ток в растворах и расплавах вещества делятся на электролиты и неэлектролиты .

Электролиты — это вещества, которые диссоциируют или ионизируются в растворе или расплаве, образуя положительно и отрицательно заряженные ионы. Эти ионы способны проводить электрический ток из-за своей заряженности.

Неэлектролиты, напротив, не диссоциируют и не образуют ионов в растворе или расплаве, поэтому они не могут проводить электрический ток.

Примерами электролитов являются соли, кислоты и основания, а также многие металлические соединения. Примерами неэлектролитов являются сахар, спирт, масло и другие органические соединения.

Процесс распада электролита на ион называется электролитической диссоциацией.

Во время электролитической диссоциации молекулы электролита разделяются на положительно и отрицательно заряженные ионы под воздействием электрического поля. Например, соляная кислота HCl распадается на катионы водорода (H+) и хлорид-анионы (Cl). Эти же ионы могут снова объединиться, проходя через процесс ассоциации, который приводит к образованию исходного электролита.

Таким образом, процессы диссоциации и ассоциации образуют цикл, который позволяет электролитам изменять свою структуру и форму в зависимости от условий окружающей среды. Этот процесс играет важную роль в химических реакциях и процессах, происходящих в живых организмах.

Вещества преимущественно с ионной и сильно полярной ковалентной связями обладают хорошей диссоциацией в воде.

Существует три типа электролитов по характеристике образующихся ионов: кислоты, основания, соли.

Рассмотрим диссоциацию каждого типа подробно.

Кислоты — электролиты, диссоциирующие на катионы водорода и анионы кислотного остатка.

Например, диссоциация плавиковой кислоты выглядит следующим образом:

HF ⇄ H+ + F

Т. е., как можно заметить, данная кислота распадается в растворе на протон водорода и фторид-анион.

Многоосновные кислоты диссоциируют ступенчато. Например, число ступеней диссоциации серной кислоты равно двум, потому что в ее молекуле 2 атома водорода.

На 1-й ступени происходит образование гидросульфат-ионов:

H2SO4 ⇄ H+ + НSO4

2-я ступень характеризуется уже образованием сульфат-ионов:

НSO4 ⇄ H+ + SO42-

Суммарное уравнение диссоциации серной кислоты выглядит следующим образом:

H2SO4 ⇄ 2H+ + SO42-

Диссоциация подобных кислот на каждой последующей ступени падает. 

Как мы знаем, кислотам свойственен кислый вкус, изменение окраски индикатора и др. Именно катионы водорода обеспечивают такие общие свойства кислот. Поэтому при повышении pH раствора диссоциация будет происходить все медленнее, и константа диссоциации будет уменьшаться. Также стоит учитывать, что при низких значениях pH значительная часть кислот будет находиться в ионизированной форме, а при высоких значениях pH — в нейтральной форме.

Основания — электролиты, диссоциирующие на катионы металла и гидроксид-анионы.

Например, гидроксид калия, диссоциирует на катион калия и гидроксид-анион:

KOH ⇄ K+ + OH

Многокислотные основания также диссоциируют ступенчато. Например, гидроксид кальция диссоциирует в 2 ступени ввиду наличия двух гидроксогрупп.

На 1-й ступени происходит образование гидроксо-ионов кальция:

Ca(OH)2 ⇄ CaOH+ + OH

На следующей 2-й ступени идет образование уже ионов кальция:

CaOH+ ⇄ Ca+ + OH

Суммарное уравнение диссоциации выглядит так:

Ca(OH)2 ⇄ Ca+ + 2OH

Диссоциация таких оснований, как и в примере многоосновных кислот, с каждой последующей ступенью падает.

Гидроксид-анионы обладают свойствами, которые придает основанию его химические и физические характеристики. Так, наличие ионов ОН обуславливает их способность растворяться в воде, проявлять щелочные свойства, а также влиять на окраску индикаторов. 

Соли — электролиты, диссоциирующие на катионы металла (ионы аммония NH4+) и анионы кислотных остатков.

К примеру, диссоциация соли нитрата натрия выглядит выражается следующим образом:

NaNO3 ⇄ Na+ + NO3

Можно сделать вывод, что свойства солей определяются как катионами, так и анионами. Так, например, соли серной кислоты имеют общие свойства за счет ионов SO4, а различающиеся свойства — за счет разных катионов.

Имеет значение тип соли, которая подвергается диссоциации. Если растворимая соль средняя (например, Ca3(РО4)2), то диссоциация происходит не ступенчато. Но если растворимая соль кислая, то диссоциация ступенчатая, например, для гидросульфата натрия:

1-я ступень —  образование ионов натрия и гидросульфат-ионов:

NaHSO4 ⇄ Na+ + HSO4

2-я ступень — образование сульфат-ионов:

HSO4⇄ H+ + SO42-

Суммарное уравнение выглядит так:

NaHSO4 ⇄ Na+ + Н+ + SO42-

Растворы электролитов характеризуется разной степенью диссоциации. 

Степень диссоциации (α) определяется как отношение числа частиц, распавшихся на ионы (n), к общему числу растворенных частиц (N).

Чем выше степень диссоциации, тем больше ионов образуется в растворе в результате диссоциации электролита. Следовательно, электролиты с высокой степенью диссоциации сильно ионизированы в растворе, а электролиты с низкой степенью диссоциации слабо ионизированы.

Степень диссоциации зависит от различных факторов, таких как концентрация электролита, растворитель, температура и характер ионов.

Степень диссоциации электролита можно определить путем проведения кондуктометрического эксперимента, когда измеряется электропроводность раствора электролита и сравнивается с электропроводностью электролита в виде раствора, в котором отсутствуют ионы.

Если степень диссоциации равна 1 (или 100%), значит, все молекулы электролита полностью распались на ионы при диссоциации в растворе. В таком случае, вся концентрация электролита будет представлена в виде ионов.

С другой стороны, если степень диссоциации электролита равна 0, значит, электролит не диссоциирует в растворе и вся его концентрация будет представлена в виде молекул.

В зависимости от степени диссоциации электролиты подразделяются на сильные (α > 30 %), средние (3 % < α < 30 %, H3PO4, HNO2) и слабые (а < 3%).

Сильные электролиты при растворении в воде практически полностью диссоциируют на ионы. Значение степени диссоциации у них стремится к единице в разбавленных растворах.

К сильным электролитам относятся: 

  1. сильные кислоты: H2SO4, HCI, HNO3, HI и др.:
  2. все щелочи: КОН, Ва(ОН)2, NaOH и др.;
  3. растворимые соли: КСl, NaNO3, MgSO4 и др.

Слабые электролиты при растворении в воде почти не диссоциируют на ионы. У таких электролитов значение степени диссоциации стремится к нулю.

К слабым электролитам относятся:

1) слабые кислоты: Н2СО3, HF, H2S и др.;

2) слабые основания: Fe(OH)2, Mg(OH)2, NH4OН;

3) вода, малорастворимые соли: CaSO4, РbВr2.

В действительности, деление электролитов на сильные и слабые имеет большое значение не только в источниках электрической энергии, но и во многих других сферах. Например, в химическом производстве они используются для выполнения различных процессов, таких как электрохимическое осаждение металлов, электролиз воды и другие.

Понимание различий между сильными и слабыми электролитами позволяет улучшить производственные процессы, повысить эффективность использования электричества и снизить издержки. Важно также учитывать электролиты при проектировании электрохимических устройств, чтобы обеспечить их надежную и безопасную работу.

Для определения видов электролитов нужно использовать таблицу растворимости кислот, оснований и солей.

Обобщим сведения об ионных равновесиях в растворах электролитов с помощью основных положений теории электролитической диссоциации.

1. Электролиты — вещества, распадающиеся на ионы при растворении в воде или в расплавленном состоянии.

В отличие от атомов, ионы имеют неравное число протонов и электронов, что делает их заряженными. Ионы могут быть положительно заряженными, если они потеряли электроны, или отрицательно заряженными, если они, наоборот, приобрели дополнительные электроны.

Ионы бывают простые (Na+, Br, S2-) и сложные (ОН, СО32-, NH4+).

Существуют бесцветные ионы (ОН, К+, Са2+) и окрашенные (Сu2+, Fe3+, MnO4). Также и растворы электролитов могут быть бесцветными (КОН) и окрашенными (KMnO4).

2. Ионы отличаются от атомов как по строению, так и по свойствам.

Свойства ионов также отличаются от свойств атомов. Ионы имеют сильные взаимодействия друг с другом и с молекулами, что может приводить к более высокой устойчивости ионных соединений. Кроме того, ионы могут образовывать кристаллические решетки, что делает их важными компонентами многих минералов.

Ионы являются важными элементами химических реакций и обладают уникальными свойствами, отличными от свойств атомов.

3. Ионам характерно хаотичное движение в растворе и расплаве электролита.

Ионы сталкиваются с другими ионами и с молекулами растворителя, что приводит к их хаотическому движению. Этот процесс называется тепловым движением и является причиной диффузии ионов в растворе или в расплаве электролита.

При этом катионы будут двигаться к катоду, а анионы — к аноду. Схема данного процесса представлена ниже на рисунке 1.

Рисунок 1 — Движение ионов к аноду и катоду при пропускании постоянного электрического тока через электролит

4. Не все электролиты в равной степени диссоциируют на ионы. Электролиты могут быть слабыми или сильными в зависимости от степени их диссоциации в растворе, которая зависит в свою очередь от природы электролита и его концентрации.

Например, сильные электролиты, такие как HCl или NaOH, обычно полностью диссоциируют на ионы в растворе. В то время как слабые электролиты, например, CH3COOH или NH4OH, диссоциируют лишь частично, образуя в растворе ионы вместе с молекулами.

5. Электролитическая диссоциация является обратимым процессом. В уравнениях диссоциации электролитов обязательно ставят знак обратимости (⇄).

6. Химические свойства растворов электролитов определяются свойствами ионов, которые образуются в результате диссоциации.

Свойства растворов электролитов могут включать уровень концентрации ионов, реакции окисления-восстановления, изменения pH, возможные осадки и т. д. Химические свойства таких растворов могут быть использованы в различных процессах и реакциях, таких как электролиз, нейтрализация и осаждение.

Для закрепления темы рассмотрим несколько примеров заданий.

Пример 1. Составить уравнение диссоциации гидрокарбоната калия.

Решение. K3PO4 ⇄ 3K+ + PO43-

Пример 2. Составить уравнение диссоциации сернистой кислоты.

Решение. H2SO3 ⇄ H+ + HSO3 — 1-я ступень

HSO3⇄ H+ + SO32- — 2-я ступень

H2SO3 ⇄ 2H+ + SO32- — общее уравнение

Пример 3. Составить уравнение диссоциации гидроксида бария.

Решение. Ba(OH)2 ⇄ BaОН+ + OH — 1-я ступень

BaОН+ ⇄ Ba2+ + OH — 2-я ступень

Ba(OH)2 ⇄ Ba2+ + 2OH— общее уравнение

Пример 4. Определить, сколько ионов образуется при диссоциации молекулы сульфата аммония.

Решение. (NH4)2SO4 ⇄ 2NH4+ + SO42-

В результате диссоциации сульфата аммония образуется 2 катиона аммония и 1 сульфат-анион — в общем 3 иона.

Пример 5. Определить степень диссоциации электролита, если из 30 молекул распалось на ионы 10.

Решение.

Задания для самопроверки:

Задание 1

Электролитом является:

А) бензойная кислота

B) кислород

C) нитрат лития

D) сульфат бария

E) кремниевая кислота

Задание 2

Ступенчатая диссоциация характерна для:

А) плавиковой кислоты

B) гидроксида лития

C) бромида натрия

D) гидрокарбоната калия

E) азотистой кислоты

Задание 3

Степень диссоциации средних электролитов находится в пределах:

А) 1 % < α < 10 %

B) 25 % < α < 50 %

C) 15 % < α < 70 %

D) 6 % < α < 60 %

E) 3 % < α < 30 %

Задание 4

Электролиты, диссоциирующие на катионы водорода и анионы кислотного остатка:

A) оксиды

B) соли

C) кислоты

D) основания

Е)  простые вещества

Задание 5

Слабый электролит:

А) йодоводородная кислота

B) сульфат кальция

C) хлорид магния

D) карбонат натрия

E) йодид цинка

Задание 6

Степень диссоциации электролита, если в воде при растворении из каждых 50 молекул распалось на ионы 20 молекул:

А) 50 %

B) 30 %

C) 25 %

D) 40 %

E) 20 %

Задание 7

При полной диссоциации 1 моль нитрата цинка в растворе образуется:

А) 1 моль катионов цинка и 1 моль нитрат-анионов

B) 1 моль катионов цинка и 2 моль нитрат-анионов

C) 2 моль катионов цинка и 1 моль нитрат-анионов

D) 2 моль катионов цинка и 2 моль нитрат-анионов

E) 1 моль катионов цинка и 2 моль нитрат-анионов

Задание 8

Уравнение диссоциации нитрата кальция:

A) Ca(NO3)2 ⇄ Ca4+ + 2NO32-

B) Ca(NO3)2 ⇄ Ca2+ + 2N5+ + 6O2-

C) Ca(NO3)2 ⇄  Ca2+ + NO32-

D) Ca(NO3)2 ⇄  Ca2+ + 2NO32-

E) Ca(NO3)2 ⇄  Ca3+ + N2O4 + 2O

Задание 9

Кислота, которая не диссоциирует:

A) HI

B) H2SiO3

C) H2S

D) HBr

E) H2SO3

Задание 10

В результате электролитической диссоциации оснований образуются:

A) катионы водорода и анионы кислотного остатка

B) катионы водорода и гидроксид-анионы

C) катионы металлов и анионы кислотного остатка

D) катионы металлов и гидроксид-анионы

E) ионы не образуются

Ответы:

1 – C, 2 –  D, 3 – E, 4 –  C, 5 –  B, 6 –  D, 7 –  B, 8 –  D, 9 –  B, 10 –  D.

Понравилась статья? Оцени:
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5
Загрузка...
Полезный материал? Поделись им со своими друзьями, пусть они тоже почитают
Я нашёл ошибку Если вы обнаружили ошибку, свяжитесь с нами с помощью короткой формы обратной связи
О чем эта статья: