Хімія. 9 клас. Березан

§ 9. Явище електролітичної дисоціації

Ознайомившись із матеріалом параграфа, ви:

• дізнаєтесь про електролітичну дисоціацію;
• зрозумієте, як утворюються йони;
• навчитеся проводити розрахунки за рівняннями дисоціації електроліту.

Для пояснення електропровідності розчинів електролітів С. Арреніус і В. Оствальд створили класичну теорію електролітичної дисоціації (1887 р.). Пізніше її доповнили І. О. Каблуков і В. О. Кістяківський, які, використовуючи хімічну теорію розчинів Д. І. Менделєєва, довели, що розпад речовин у розчині на йони — це не лише фізичний, а й хімічний процес.

Розкладання речовини на йони під час її розчинення або розплавлення називають електролітичною дисоціацією.

Сванте Август Арреніус

(1859-1927)

Шведський фізико-хімік, академік Королівської академії наук Швеції, почесний академік академії наук багатьох інших країн. Один із засновників фізичної хімії. Зробив вагомий внесок у дослідження розчинів і хімічних реакцій. Автор багатьох наукових праць із хімії, біології, фізики, геології. Разом з В. Оствальдом створив теорію електролітичної дисоціації. Нобелівський лауреат з хімії (1903). Висловив гіпотезу про парниковий ефект. Увів поняття «енергія активації».

Механізм електролітичної дисоціації речовин з йонним зв’язком

Рис. 9.1. Утворення йонів у водному розчині з кристалу NaCl

Під час розчинення у воді йонних сполук, наприклад NaCl, дипольні молекули води розташовуються навколо йонів Na⁺ і Сl^-. Позитивно заряджені полюси молекули води притягуються до аніона Сl^-, а негативно заряджені — до катіона Na⁺. Це призводить до ослаблення зв’язків між позитивно й негативно зарядженими йонами, які містяться на поверхні кристалу. Кристалічні ґратки руйнуються, а йони переходять у розчин.

У розчині вони перебувають не у вільному стані, а в сполучені з молекулами води, тобто є гідратованими.

Рівняння електролітичної дисоціації бінарного електроліту КА йонної будови записують:

КА = К⁺ + А^-.

Зауважмо, що дисоціація йонних сполук у водному розчині відбувається повністю. Так дисоціюють розчинні у воді солі й луги.

Механізм електролітичної дисоціації речовин молекулярної будови

Вільгельм Оствальд

(1853-1932)

Німецький фізико-хімік. Один зі співавторів (разом зі Сванте Арреніусом) теорії електролітичної дисоціації. Цій темі присвячено його основні наукові праці. Також вивчав хімічну кінетику і каталіз. За ці роботи 1909 року став лауреатом Нобелівської премії з хімії. Разом з Я. Вант-Гофом заснував «Журнал фізичної хімії» (1887).

Під час розчинення у воді речовин з полярним ковалентним зв'язком (наприклад, гідроген хлориду) відбувається взаємодія полярних молекул електроліту з дипольними молекулами води. Унаслідок цього змінюється характер зв'язку в молекулі НСl: зв'язок стає ще більш полярним, а потім (під впливом диполів води) перетворюється на йонний. Результатом процесу дисоціації електроліту є розрив молекул і утворення в розчині гідратованих йонів Н⁺ і Сl^-:

Рис. 9.2. Утворення йонів з молекули НСl у водному розчині

Для речовин молекулярної будови (зокрема кислот) рівняння електролітичної дисоціації матиме вигляд:

КА ⇄ К⁺ + А^-.

Дисоціацію електролітів хоча й виражають рівняннями, але деяка частина йонів К⁺ і А^-, які є в розчині електроліту, може знову сполучатися в молекули.

Під час повної дисоціації 1 моль речовини КА молекулярної будови утворюється 1 моль йонів К⁺ і 1 моль йонів А^-.

Знак оборотності підкреслює одночасність перебігу двох процесів: дисоціації (справа наліво) та асоціації (зліва направо). Обидва процеси за умов незмінної концентрації розчину й температури відбуваються з однаковою швидкістю. Тому загальна кількість молекул і йонів у розчині не змінюється.

Зауважмо, що загальна сума зарядів катіонів дорівнює загальній сумі зарядів аніонів, а отже, розчини електролітів є електронейтральними.

Властивості йонів

Володимир Олександрович Кістяківський

(1865-1952)

Український і радянський хімік. Член Академії наук УРСР і СРСР. Запропонував уявлення про сольватацію йонів, використовуючи хімічну теорію розчинів Д. І. Менделєєва. Один з корифеїв електрохімії, у якій вивів низку фундаментальних закономірностей. Вивчав електрохімію металів. Розробив плівкову теорію корозії. Створив паливну комірку (електрохімічний генератор).

Йони за фізичними та хімічними властивостями відрізняються від нейтральних атомів. Наприклад, гідратовані йони Na⁺ і Сl^- не мають кольору, запаху, не є отруйними, з водою не взаємодіють. У той же час натрій — один з найактивніших металів, бурхливо реагує з водою; хлор — це газ жовто-зеленого кольору, один з найактивніших неметалів, отруйний.

Різні властивості атомів і йонів того самого елемента пов'язані з різною електронною будовою цих частинок.

Атом Натрію містить 11 електронів, має три електронні шари, у зовнішньому енергетичному шарі перебуває один електрон. Йон Na⁺ має 10 електронів, які розміщуються у двох електронних шарах, зовнішній енергетичний шар є завершеним. Тобто це електронна конфігурація інертного елемента.

Рис. 9.3. Утворення йонів Натрію та Хлору

Йони можуть мати різне забарвлення. Так, йон МnО^-₄ має малиновий колір, СrО^2-₄ — жовтий, Сl^-, К⁺ — безбарвні, а тому розчини солей КМnО₄, К₂СrО₄ мають відповідне забарвлення, а розчин КСl є безбарвним.

Зазначимо, що гідратовані й негідратовані (в розплаві) йони s- і р-елементів зазвичай кольору не мають (Н⁺, Na⁺, Ва²⁺, Аl³⁺, Са²⁺). Йони деяких d-елементів мають забарвлення: гідратовані йони Сu²⁺ — синього кольору.

За рівняннями електролітичної дисоціації можна проводити обчислення.

Задача 1. Обчисліть масу нітрат-іонів у розчині цинк нітрату, на приготування якого витратили 0,2 моль Ζn(ΝΟ₃)₂.

Задача 2. У розчині СаСl₂, виявили 7,1 г хлорид-іонів Сl^-. Обчисліть масу кальцій хлориду, яку використали для приготування розчину.

Рис. 9.4. Забарвлення розчинів деякими солями: а — Co(NO₃)₂; б — К₂Сr₂О₇; в — К₂СrО₄; г — NiCl₂; ґ — CuSO₄; д — KMnO₄.

Підсумки

• 1. Розкладання речовини на йони під час її розчинення або розплавлення називають електролітичною дисоціацією.
• 2. Під час розчинення у воді йонної сполуки (солі, лугу) йони переходять із твердого стану в розчин під впливом дипольних молекул води.
• 3. Електролітична дисоціація деяких молекулярних речовин (наприклад, кислот) відбувається як результат взаємодії полярних молекул води з полярною молекулою кислоти, що приводить до перетворення зв'язку на йонний та появи в розчині позитивно і негативно заряджених йонів.

Контрольні запитання

• 1. Який процес називають електролітичною дисоціацією?
• 2. Як відбувається дисоціація речовин з йонним типом зв'язку?
• 3. Як відбувається дисоціація речовин з сильно полярним ковалентним зв'язком?
• 4. Чим пояснюється різниця у властивостях йонів і атомів того самого елемента?
• 5. Що таке йони?
• 6. Які йони називають катіонами, а які — аніонами? Наведіть приклади.
• 7. Наведіть приклад простих і складних йонів. За якою ознакою їх так поділяють?
• 8. У чому полягає суть процесу асоціації йонів?

Вправи та задачі

1. Напишіть формули електролітів, у водному розчині яких містяться йони: а) Мn²⁺ і Сl^-; б) Ва²⁺ і NO^-₃; в) Na⁺ і МnO^-₄; г) К⁺ і S^2-.

2. Напишіть схему утворення гідратованих йонів у водному розчині гідроген броміду.

3. Обчисліть кількість аніонів у ненасиченому водному розчині алюміній сульфату, для приготування якого використали 0,5 моль солі.

4. Обчисліть масу карбонат-іонів у розчині калій карбонату, на приготування якого витратили 0,05 моль К₂СО₃. Вважати, що сіль повністю розпалась на йони.

5. У розчині алюміній сульфату виявили 6,75 г йонів Аl³⁺. Обчисліть масу сульфат-іонів у цьому розчині.