§ 25. Электралітычная дысацыяцыя рэчываў у растворах

Працэс распаду электраліта на іоны называюць электралітычнай дысацыяцыяй.

У цвёрдым стане большасць іонных і малекулярных злучэнняў — гэта дыэлектрыкі, якія не праводзяць ток. Так, электраправоднасць цвёрдага NaCl у 1000 млрд разоў меншая, чым у металаў або графіту. У той жа час водныя растворы электралітаў праводзяць ток, таму што іонныя і многія малекулярныя злучэнні пад уплывам палярных малекул вады пры растварэнні распадаюцца (дысацыіруюць) на катыёны і аніёны.

Электраліт — гэта рэчыва, якое праводзіць электрычны ток у выніку дысацыяцыі на катыёны і аніёны ў расплаве або ў растворы.

Электраправоднасць электралітаў абумоўлена рухомасцю катыёнаў і аніёнаў ў расплавах і растворах.

Да электралітаў адносяцца солі, шчолачы, кіслоты, гэта значыць злучэнні з іоннай або кавалентнай палярнай хімічнай сувяззю.

Дысацыяцыя злучэнняў з іонным тыпам сувязі

Іонныя крышталі складаюцца з катыёнаў і аніёнаў, звязаных паміж сабой сіламі электрастатычнага ўзаемадзеяння ў спарадкаваную крышталічную структуру. Пад уздзеяннем палярных малекул вады адбываецца разбурэнне іонных крышталёў і іх растварэнне з утварэннем гідратаў іонаў (мал. 57).

Разгледзьце малюнак 57 і звярніце ўвагу на адносны памер катыёнаў Na⁺, аніёнаў Cl^–, малекул вады, а таксама знакі частковых зарадаў на атамах H і O ў малекуле вады. Звярніце ўвагу на тое, якім атамам малекула вады павернута да катыёнаў Na⁺, а якім — да аніёнаў Cl^–. Чаму малекула вады арыентавана да катыёнаў Na⁺ атамам кіслароду, а да аніёнаў Cl^– — атамам вадароду?

Асаблівасцю дысацыяцыі іонных злучэнняў (солей і шчолачаў) з’яўляецца тое, што гэтыя рэчывы ўжо складаюцца з іонаў і палярныя малекулы вады толькі падзяляюць катыёны і аніёны. Затрачаная на дысацыяцыю энергія кампенсуецца вылучэннем энергіі пры гідратацыі іонаў, і ў цэлым працэс працякае самаадвольна.

З’яўляючыся добра растваральнымі ў вадзе асновамі, шчолачы дысацыіруюць у водных растворах на гідраксід-аніёны і катыёны металу:

У выніку дысацыяцыі солей у вадзе іх іонныя крышталі распадаюцца на катыёны металаў (або амонію) і аніёны кіслотных астаткаў:

Дысацыяцыя злучэнняў з кавалентным палярным тыпам сувязі

Затым кавалентная палярная сувязь падаўжаецца і становіцца менш трывалай. У выніку яна разрываецца, гэта значыць адбываецца ўтварэнне іонаў:

Атрыманы пры дысацыяцыі кіслаты катыён H⁺ далучаецца да малекулы вады з утварэннем катыёна гідраксонію H₃O⁺ па донарна-акцэптарным механізме, з якім вы пазнаёміліся, вывучаючы матэрыял § 13.

Іон хлору, што ўтварыўся пры іанізацыі, таксама аказваецца гідраціраваным, што паказана на малюнку 57.

Для спрашчэння ўраўненняў рэакцый у іоннай форме звычайна запісваюць гідраціраваны катыён вадароду ў выглядзе Н⁺.

Аналагічным чынам пад дзеяннем палярных малекул вады адбываецца дысацыяцыя і іншых злучэнняў з кавалентным палярным тыпам сувязі.

Дысацыяцыя ўключае працэсы гідратацыі зыходных малекул, іх палярызацыі, разбурэння сувязей у малекулах і іх распаду з утварэннем гідраціраваных іонаў.

Малекулы кіслот пры дысацыяцыі ў водных растворах поўнасцю або часткова дысацыіруюць на катыёны вадароду і аніёны кіслотных астаткаў:

*Адрозненне хімічных уласцівасцей іонаў ад уласцівасцей атамаў і малекул

Атамы і малекулы з’яўляюцца электранейтральнымі часціцамі. Катыёны металаў, напрыклад K⁺, як вам вядома, утвараюцца ў выніку таго, што атамы металаў аддаюць электроны. Аніёны неметалаў, напрыклад Br^–, утвараюцца ў выніку далучэння электронаў да атамаў неметалаў.

Уласцівасці катыёнаў і аніёнаў адрозніваюцца ад уласцівасцей адпаведных электранейтральных атамаў. Так, у электрычным полі, якое ствараецца электродамі, адбываецца спарадкаваны рух катыёнаў і аніёнаў электраліту — электрычны ток. Дадатныя іоны — катыёны металаў, H⁺, і іншых перамяшчаюцца да адмоўнага электрода (катода). Адмоўныя іоны — аніёны кіслотных астаткаў і OH^– рухаюцца да дадатнага электрода (анода) (мал. 58.1).

У адрозненне ад нейтральных атамаў (у прыватнасці, атамаў металаў) катыёны, напрыклад Cu²⁺, Fe³⁺ і іншыя, маюць меншы лік электронаў на знешніх электронных узроўнях і меншы памер, заўсёды могуць выступаць у якасці акісляльніку і прымаць электроны:

CuSO₄ + Zn = ZnSO₄ + Cu↓

або Cu²⁺ + Zn = Zn²⁺ + Cu↓.

У параўнанні з нейтральнымі атамамі (I, S, O) простыя аніёны, напрыклад I^–, S^2– , O^2– і іншыя, маюць большую колькасць электронаў на знешніх электронных узроўнях і большы памер, могуць выступаць у якасці адноўніку і аддаваць электроны:

2NaI + Cl₂ = 2NaCl + I₂

або 2I^– + Cl₂ = 2Cl^– + I₂.

Моцныя і слабыя электраліты

Адначасова з электралітычнай дысацыяцыяй у растворы электраліту працякаюць працэсы асацыяцыі іонаў. Таму ў электралітах толькі вызначаная доля рэчыва існуе ў выглядзе свабодных іонаў, гэта значыць рэчыва можа не цалкам распадацца на іоны.

Для колькаснай характарыстыкі электралітычнай дысацыяцыі выкарыстоўваюць паняцце ступені дысацыяцыі α.

Ступень дысацыяцыі α — гэта адносіны колькасці малекул або формульных адзінак электраліту, якія распаліся на іоны, да агульнай колькасці яго раствораных малекул або формульных адзінак:

.

Лік часціц і іх колькасць (моль) звязаныя паміж сабой суадносінамі:

, значыць, ,

дзе n — колькасць (моль) адпаведных малекул або формульных адзінак.

Велічыню α выражаюць у долях адзінкі або працэнтах. Ступень дысацыяцыі паказвае, якая частка электраліту распалася і існуе ў растворы ў выглядзе свабодных іонаў. Напрыклад, ступень дысацыяцыі воцатнай кіслаты ў растворы з малярнай канцэнтрацыяй 0,1 моль/дм³ роўная 1,3 %. Гэта азначае, што з 1000 малекул кіслаты толькі 13 распаліся на катыёны H⁺ і аніёны CH₃COO^–.

Верагоднасць асацыяцыі іонаў зніжаецца пры памяншэнні канцэнтрацыі электраліту, а значыць, ступень дысацыяцыі ў разбаўленых растворах большая, чым у канцэнтраваных. Гэта азначае, што ступень дысацыяцыі залежыць не толькі ад прыроды рэчыва, але і ад канцэнтрацыі электраліту.

У залежнасці ад колькаснага значэння α электраліты ўмоўна дзеляцца на моцныя і слабыя.

Моцныя электраліты — гэта хімічныя злучэнні, якія ў разбаўленых растворах практычна цалкам дысацыіраваны на іоны. Ступень дысацыяцыі α моцных электралітаў блізкая да 1.

Да моцных электралітаў адносяцца растваральныя іонныя злучэнні і некаторыя рэчывы з кавалентным палярным тыпам сувязі; у іх выпадку практычна адсутнічае працэс асацыяцыі ўтвораных іонаў. Таму ва ўраўненнях, якія адлюстроўваюць электралітычную дысацыяцыю, замест знака роўнасці ставяць стрэлку ў адным кірунку. У якасці прыкладаў прывядзём ураўненні дысацыяцыі растваральных солей (а), шчолачаў (б) і моцных кіслот (в) — H₂SO₄, HCl, HBr, HI, HClO₄, HNO₃:

• а)
• б)
• в)

Ступень дысацыяцыі слабых электралітаў складае, як правіла, менш як 5 %. Да слабых электралітаў адносяцца вада (), а таксама:

• • большасць арганічных кіслот, фенол, шэраг неарганічных кіслот: HNO₂, HCN, H₂S, H₃BO₃, H₂CO₃, H₂SiO₃ і інш.;
• • раствор аміяку ў вадзе.

Слабыя электраліты — хімічныя злучэнні, якія нават у разбаўленых растворах нязначна дысацыіруюць на іоны. Іоны слабых электралітаў знаходзяцца ў рухомай раўнавазе з малекуламі, якія не прадысацыіравалі, або з рэчывам немалекулярнай будовы, якое не растварылася.

Дысацыяцыю слабых электралітаў адлюстроўваюць ураўненнем распаду са стрэлкамі ў двух кірунках: .

Правесці выразную мяжу паміж моцнымі і слабымі кіслотамі даволі цяжка. Прынята лічыць слабай плавіковую кіслату (HF), хоць яна ў разбаўленых растворах дысацыіруе на 8–25 %. Фосфарную H₃PO₄, сярністую H₂SO₃ і шчаўевую HOOC—COOH кіслоты таксама лічаць слабымі. Па першай ступені дысацыяцыі яны дысацыіруюць на 10–30 % у канцэнтраваных растворах і на больш як 50 % — у разбаўленых.

Напрыклад, у разбаўленым растворы H₃PO₄ дысацыіруе згодна з ураўненнем:

Ступень дысацыяцыі α па гэтай ступені можа дасягаць 50 %. На кожнай наступнай ступені значэнне α істотна памяншаецца, а дысацыяцыя працякае паводле ўраўненняў:

Памяншэнне ступені дысацыяцыі звязана з узмацненнем узаемадзеяння іонаў вадароду з кіслотнымі астаткамі ў радзе , и .

Пытанні, заданні, задачы

1. Чаму солі праводзяць электрычны ток пасля плаўлення?

2. Чым адрозніваецца электрычны ток у металах ад электрычнага току ў растворах або расплавах электралітаў?

3. Складзіце ўраўненні дысацыяцыі наступных рэчываў: KHCO₃, HClO₄, Sr(OH)₂, LiOH, КHSO₄, NH₄H₂PO₄, HNO₂.

4. Чаму электралітычная дысацыяцыя ў растворах працякае самаадвольна?

5. Супастаўце акісляльную і аднаўленчую здольнасці:

• а) атама алюмінію і іона Al³⁺;
• б) атама жалеза і іона Fe²⁺;
• в) атама серы і сульфід-іона;
• г) атама серы S⁰ і атама серы ў саставе кіслотнага астатку

6. Чаму для аніёнаў большасці многаасноўных кіслот, напрыклад , , , , дысацыяцыя па другой ступені працякае слабей, чым па першай? Як зменіцца ступень дысацыяцыі пры дабаўленні іонаў вадароду ў растворы гэтых кіслот?

7. У водным растворы ўтрымліваецца фторавадарод колькасцю 50 моль. Чаму роўная сумарная колькасць іонаў, якія ўтварыліся пры яго дысацыяцыі, калі α(HF) = 9 %?

8. Вызначце сумарную колькасць катыёнаў і аніёнаў солі ў растворы, які ўтрымлівае сульфат натрыю масай 2,84 г.

9. Чаму роўная малярная канцэнтрацыя катыёнаў H⁺ у водным растворы воцатнай кіслаты аб’ёмам 4 дм³, калі ступень дысацыяцыі кіслаты роўная 2,6 %, а маса кіслаты — 6 г?

10. У растворы аб’ёмам 2,5 дм³ маса Ba(OH)₂ роўная 14 г. Вылічыце малярную канцэнтрацыю іонаў OH^– у дадзеным растворы.

*Самакантроль

1. Дысацыяцыя як NaCl, так і HCl уключае:

• а) гідратацыю хларыд-іонаў;
• б) падаўжэнне кавалентнай сувязі і яе разрыў; заўвага;
• в) гідратацыю катыёнаў;
• г) палярызацыю малекул і іх распад з утварэннем іонаў.

2. Іон F^– адрозніваецца ад атама фтору F:

• а) колькасцю электронных слаёў;
• б) зарадам ядра;
• в) колькасцю электронаў на знешнім слоі;
• г) памерамі.

3. У растворы нейкай солі ўтрымліваецца 2 моль катыёнаў і 3 моль аніёнаў. Гэтай соллю можа быць:

• а) Аl₂(SO₄)₃;
• б) СаСl₂;
• в) Fe₂(SO₄)₃;
• г) Na₂CO₃.

4. Ураўненні дысацыяцыі слабых электралітаў:

• а) H₂SO₃ 2H⁺+ ;
• б) H₂O  H⁺ + ОH^–;
• в) С₆Н₅ОН  С₆Н₅О^– + Н⁺;
• г) Са(OH)₂ → Са²⁺ + 2ОН^–.

5. У растворы азоцістай кіслаты лік непрадысацыіраваных малекул у 4 разы большы за лік прадысацыіраваных. Ступень дысацыяцыі кіслаты роўная:

• а) 0,02;
• б) 20 %;
• в) 0,25;
• г) 25 %.