Хімія. 9 клас. Лашевська

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 11. Електроліти та неелектроліти. Електролітична дисоціація

Після опрацювання параграфа ви зможете:

наводити приклади електролітів і неелектролітів, розрізняти їх;
пояснювати суть процесу електролітичної дисоціації.

Електроліти та неелектроліти ви вивчатимете не лише на уроках хімії, а й у курсі фізики 9 класу. Характеризуючи системи з кількох речовин, ми класифікували істинні розчини на молекулярні та йонні. Пригадаймо, які структурні частинки містяться у вузлах кристалічних ґраток сахарози (цукру) та натрій хлориду (кухонної солі). У цьому нам допоможе рисунок 11.1.

Рис. 11.1. Розчин сахарози (1) молекулярний. Розчин натрій хлориду (2) йонний.

Завдання. За рисунком поясніть відмінність між молекулярним і йонним розчинами

Ви вже знаєте, як можна розрізнити істинні та колоїдні розчини (пригадайте, як саме). Чи існує простий і надійний спосіб відрізнити молекулярний розчин від йонного? У XIX ст. англійські науковці Гемфрі Деві та Майкл Фарадей (рис. 11.2) досліджували різноманітні властивості розчинів, зокрема їхню здатність проводити електричний струм.

Рис. 11.2.

1. Гемфрі Деві (1778-1829). Англійський хімік, основоположник електрохімії. Перший добув лужні й лужноземельні метали, розробив електрохімічну теорію спорідненості. Сконструював для копалень безпечну лампу з металевою сіткою. Висловив думку щодо необхідності мінеральних солей для живлення рослин, зауважив важливість проведення польових дослідів для розв’язання проблем землеробства.

2. Майкл Фарадей (1791-1867). Навчався самотужки, здійснював наукові дослідження в галузі хімії. Зробив вагомий внесок у розвиток хімічного аналізу, синтетичної органічної хімії, металургії, уперше отримав низку газів у зрідженому стані. Установив кількісні закони електролізу. Увів терміни «йон», «катіон», «аніон», «електрод», «електроліт», поняття діелектричної проникності. Досліджував електромагнетизм, створив учення про електромагнітне поле. Член багатьох академій наук і наукових товариств

У шкільній лабораторії ці досліди можна виконати за допомогою простого приладу (рис. 11.3.1). Безпечно, швидко й точно вимірюють електропровідність за допомогою електронного тестера (рис. 11.3.2).

Рис. 11.3.1. Дослідження електропровідності розчинів натрій хлориду (а) і сахарози (б). 2. Електронним тестером визначають електропровідність розчинів.

Завдання. Використавши знання з фізики, назвіть елементи зображеного на рисунку 11.3.1 електричного кола. Які його складники розташовані за межами рисунка? Схематично зобразіть це електричне коло повністю

З курсу фізики вам відомо, що однією з умов існування електричного струму є наявність носіїв електричного заряду - електронів або йонів (назвіть ще одну умову існування електричного струму). Отже, якщо в посудину з досліджуваним розчином занурити електроди приладу й увімкнути електричний струм, то лампочка загоряється¹, якщо в розчині є вільні носії електричного заряду. Очевидно, що в розчинах йонних речовин носії електричного заряду - йони. Ви вже знаєте, що йони - заряджені одно- або багатоатомні частинки. Механізм утворення йонів через втрату або приєднання атомами електронів вам також відомий. На відміну від електронейтральних частинок (атомів, молекул), йони здатні рухатися в електричному полі. Саме тому 1834 р. Майкл Фарадей запропонував для цих частинок назву, яка походить від грецького ιόν - той, що йде. Пригадайте: за знаками зарядів йони класифікують на катіони та аніони. За складом йони поділяють на прості й складні.

¹ Або результат відображається на табло електронного тестера.

• Використавши таблицю «Розчинність кислот, основ, амфотерних гідроксидів і солей у воді» (див. Додаток 9), наведіть кілька прикладів простих і складних йонів.

Результати дослідження електропровідності деяких речовин та їхніх розчинів наведено в таблиці 11.1. Проаналізуймо її зміст, щоб з’ясувати, чи пов’язана електропровідність розчинів з типом хімічного зв’язку в досліджуваних речовинах.

Таблиця 11.1

Залежність електропровідності речовин і їхніх водних розчинів від типу хімічного зв’язку

Назва і формула речовини	Електропровідність		Тип хімічного зв’язку
Назва і формула речовини	чистої речовини	її розчину	Тип хімічного зв’язку
Вода (дистильована) H₂O	—		Ковалентний полярний
Натрій хлорид NaCl	—	+	Йонний
Сахароза C₁₂H₂₂O₁₁	—	—	Ковалентний слабо полярний
Натрій гідроксид NaOH	—	+	Йонний
Гідроген хлорид HCl	—	+	Ковалентний сильно полярний

Отже, електричний струм проводять водні розчини речовин із йонним або ковалентним сильно полярним типом хімічного зв’язку.

Речовини, водні розчини яких проводять електричний струм, називають електролітами¹.

¹ Під час плавлення кристалічні ґратки йонних сполук руйнуються - з’являються вільні носії електричних зарядів. Тому розплави електролітів також проводять електричний струм.

Натомість розчини неелектролітів не проводять електричного струму.

Чому розчини одних речовин проводять електричний струм, а розчини інших - ні? З рисунка 11.3.1 (б) легко зрозуміти, чому електричного струму не проводить водний розчин цукру - адже в ньому немає носіїв електричного заряду.

Залишається з’ясувати причину електропровідності хлоридної кислоти - водного розчину гідроген хлориду. Сухий гідроген хлорид електричного струму не проводить, бо не містить вільних носіїв електричних зарядів. Молекули цієї сполуки - диполі (рис. 11.4.1). Під час розчинення гідроген хлориду виникають диполь-дипольні взаємодії між його молекулами та диполями води (11.4.2). Під їхньою дією ковалентний полярний зв’язок у молекулі гідроген хлориду поляризується ще більше (рис. 11.4.3). Унаслідок цього спільна електронна пара повністю переходить від атома Гідрогену до атома Хлору - відбувається йонізація, утворюються гідратовані йони - катіони Гідрогену й аніони Хлору (рис. 11.4.4).

Рис. 11.4. 1. Полярна молекула гідроген хлориду. 2. Диполь води. 3. Збільшення полярності зв’язку в молекулі гідроген хлориду під упливом диполів води. 4. Йонізація - утворення гідратованих йонів - катіона Гідрогену (А) та аніона Хлору (Б)

Отже, електроліти - речовини з йонним або ковалентним сильно полярним типом хімічного зв’язку (рис. 11.5).

Рис. 11.5. Приклади електролітів

Електролітична дисоціація у водних розчинах - це повний або частковий процес розпаду електроліту на йони під впливом полярних молекул води. Основу теорії електролітичної дисоціації, згідно з якою електроліти в розчинах розпадаються на йони, заклав у 1883-1887 роках шведський хімік Сванте Арреніус (рис. 11.6). Однак він не врахував роль молекул розчинника й уважав, що у водному розчині перебувають вільні йони.

Рис. 11.6. Сванте Август Арреніус (1859-1927). Шведський фізик і хімік. Створив теорію електролітичної дисоціації. Працював у різних галузях природничих наук: хімічній кінетиці, астрономії, астрофізиці, біології. У 1903 р. Арреніуса удостоєно Нобелівської премії як «визнання особливого значення теорії електролітичної дисоціації для розвитку хімії»

Дослідження Арреніуса продовжили інші вчені, зокрема І. О. Каблуков (рис. 11.7) і В. О. Кістяківський (рис. 11.8). Вони спиралися на уявлення Д. І. Менделєєва про хімічний характер взаємодії між розчинником і розчинюваною речовиною.

Рис. 11.7. Іван Олексійович Каблуков (1857-1942). Видатний російський фізико-хімік. Основоположник нового розділу фізичної хімії - електрохімії неводних розчинів. Запровадив у науку поняття гідратації (сольватації) йонів. Досліджував кримські соляні озера. Створив наукову школу фізико-хіміків

Рис. 11.8. Володимир Олександрович Кістяківський (1865-1952). Видатний науковець, перший український хімік-академік. Його праці в галузі електрохімії, колоїдної хімії, корозії металів і теорії рідин мали великий уплив на розвиток науки й технології. Розвинув теорію електролітичної дисоціації, один з перших указав на існування в розчинах гідратованих йонів

Незалежно один від одного ці науковці дійшли однакових висновків, а саме: електроліти під час розчинення у воді розпадаються на позитивні й негативні йони. Дисоціація електролітів зумовлена взаємодією диполів води зі структурними частинками електролітів. Йони в розчинах електролітів гідратовані. Під дією електричного струму позитивні йони (катіони) рухаються до негативного полюса - катода, а негативні йони (аніони) - до позитивного полюса - анода. Процес дисоціації оборотний. Поряд з розпадом кристалів або молекул на йони може відбуватися асоціація йонів.

Цікаво і пізнавально

Одним з найважливіших напрямів роботи Інституту загальної та неорганічної хімії ім. В. І. Вернадського НАН України ще з 20-х років минулого століття є дослідження в галузі фізичної хімії та електрохімії водних, неводних і розплавлених електролітів. Розвинені В. О. Плотніковим теорії електрохімічних процесів у неводних розчинах та уявлення про механізми електропровідності сумішей неелектролітів стали класичними, а зроблене в 1931 р. припущення про наявність «мікронейтрона» на три роки випередило гіпотезу Е. Фермі про нейтрино. Роботи школи В. О. Плотнікова (Я. А. Фіалков, В. О. Ізбеков, Ю. К. Делімарський, О. К. Кудра) з проблем виділення цирконію, берилію, алюмінію та інших металів з неводних та розплавлених електролітів заклали підґрунтя порошкової металургії, що ввійшла до провідних галузей промисловості України в повоєнні роки.

Рис. 11.9. Емблема Інституту загальної та неорганічної хімії ім. В. І. Вернадського НАН України

Гіпотеза про хімічну взаємодію розчинника й розчинюваної речовини як причину розпаду електролітів на йони набула ознак теорії, адже вона витримала багаторазові експериментальні перевірки й стала підґрунтям для подальших наукових розробок. Про це йтиметься в наступних параграфах.

ПРО ГОЛОВНЕ

• Йонні розчини, на відміну від молекулярних, проводять електричний струм.

• Умови існування електричного струму - різниця потенціалів і наявність вільних носіїв електричного заряду (електронів або йонів).

• Електричний струм проводять водні розчини речовин із йонним або ковалентним сильно полярним типом хімічного зв’язку.

• Утворені внаслідок електролітичної дисоціації йони існують у розчині у вигляді гідратів.

• Електролітами називають речовини, водні розчини або розплави яких проводять електричний струм.

• Електролітична дисоціація - процес повного або часткового розпаду електролітів на йони під впливом полярних молекул води. Цей процес оборотний.

Перевірте себе

1. У чому полягає відмінність між молекулярним і йонним розчинами? 2. Які науковці досліджували здатність розчинів проводити електричний струм? 3. Опишіть схему приладу перевірки здатності розчинів проводити електричний струм. 4. Які умови існування електричного струму? 5. Які частинки є носіями електричного струму в: а) твердих речовинах; б) розчинах йонних сполук? 6. За якими ознаками класифікують йони? Наведіть приклади. 7. Які типи хімічного зв’язку в речовинах, водні розчини яких проводять електричний струм? 8. За якою ознакою речовини класифікують на електроліти й неелектроліти? Наведіть приклади. 9. Що таке електролітична дисоціація? 10. Який науковець розробив основи теорії електролітичної дисоціації? Хто її розвинув?

Застосуйте свої знання й уміння

11. Проаналізуйте зміст етикеток на пляшках різних мінеральних вод. Розподіліть зазначені на них йони на катіони та аніони.

12. Установіть послідовність процесів, які відбуваються під час електролітичної дисоціації гідроген броміду.

А поляризація молекул електроліту
Б дисоціація молекул електроліту на гідратовані йони
В йонізація молекул електроліту
Г орієнтація диполів води навколо полюсів молекул електроліту
Д гідратація молекул електроліту.

13. Художник і художниця під час ілюстрування шкільного підручника з хімії схематично зобразили результат розчинення натрій хлориду у воді (рис. 11.10). Оцініть правильність бачення ними явищ, які відбуваються на мікрорівні під час цього процесу.

Рис. 11.10

14. Запишіть хімічні формули речовин, у розчинах яких містяться гідратовані йони: а) Сu²⁺ і NO^-₃; б) Fe³⁺ і SO^2-₄; в) Lі⁺ і ОН^-; г) Н⁺ і Н₂РО^-₄.

15. Поясніть, чи зміниться електропровідність води, якщо крізь неї пропускати: а) азот; б) карбон(ІV) оксид; в) кисень; г) гідроген бромід.

Творча майстерня

16. Виготовте прилад для дослідження електропровідності. Вам знадобиться джерело сталого струму напругою близько 6 В - плоска батарейка для ліхтарика або радіоприймача. Замість однієї такої батарейки можна використати 3-4 маленькі батарейки. Їх потрібно з’єднати послідовно (позитивний полюс однієї батарейки припаяти мідним дротом до негативного полюса іншої). Можна скористатися малопотужним (для радіоприймача чи стільникового телефона) випрямлячем змінного струму.

Електроди датчика електропровідності виготовте із центральних графітових стержнів від двох старих батарейок. Пильнуйте, щоб не зруйнувати металеві наконечники! До них припаяйте (або прикріпіть) мідні очищені від ізоляції дроти 20-30 см завдовжки. Щоб електроди не стикалися й були віддалені один від одного на кілька міліметрів, на один вугільний електрод надягніть 2-3 кільця з дроту, вкритого товстим шаром ізоляції. Прикладіть до електрода з дротяними колечками другий електрод і скріпіть їх ізольованим дротом, ізоляційною стрічкою або гумовими колечками.

Як мікродатчик електропровідності для роботи з дуже малими кількостями розчинів можна використати штекер від стереофонічних навушників. Стержень такого штекера складається з трьох послідовно розташованих та ізольованих одна від одної циліндричних шайб. Якщо крайні з них використати як електроди, до яких приєднати провідники, то після занурення штекера в розчин можна за допомогою електролампочки реєструвати показник електропровідності розчину.

Дріт одного електрода приєднайте до лампочки напругою 6 В. Іншим дротом з’єднайте лампочку з батарейкою. Кінці другого дроту від батарейки й дроту від вугільного електрода приєднайте до вимикача.

Занурте датчик у розчин та увімкніть електричний струм. Спостерігайте за тим, чи загоряється електролампочка. Після випробування кожного розчину розмикайте електричне коло й двічі промивайте електроди в дистильованій воді (її можна придбати у відділах господарчих товарів або в аптеці).

Випробуйте електропровідність таких об’єктів: води (дистильованої, талої, водопровідної, мінеральної); столового оцту; кристалічних цукру, кухонної солі, питної соди, лимонної, аскорбінової (вітамін С) й ацетилсаліцилової (аспірин) кислот та розчинів із різними масовими частками цих речовин; розчин сульфацил-натрію (альбуцид), рідини для зняття манікюрного лаку; гліцеролу та його водного розчину тощо.

Дізнайтеся більше