1.4.5. Электролитическая диссоциация электролитов в водных растворах. Сильные и слабые электролиты.Как известно из курса физики, электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц. В случае металлов, электропроводность обеспечивается подвижными электронами в кристалле, слабо связанными c ядрами атомов, что позволяет им направленно двигаться под действием разности потенциалов. Кроме металлов, существуют также вещества растворы или расплавы которых проводят электрический ток. Такие вещества называют электролитами. Электролиты — вещества, расплавы или водные растворы которых проводят электрический ток. Но за счет чего обеспечивается электрическая проводимость расплавов и растворов электролитов? Рассмотрим такое соединение как хлорида натрия. Это вещество характеризуется ионным строением. В узлах его структурной решетки находятся попеременно в шахматном порядке катионы натрия и анионы хлора: Как можно видеть, заряженные частицы, которые могли бы быть обеспечивать электрическую проводимость присутствуют, но статичны, т.е. неподвижны в узлах решетки. Поэтому, чтобы электрический ток смог протекать через хлорид натрия, нужно еще и обеспечить «подвижность» ионов, из которых он состоит. Как известно, для одного и того же вещества наиболее подвижны составляющие его частицы в том случае, когда он находится в жидком, а не в твердом агрегатном состоянии. Поэтому для того, чтобы хлорид натрия смог проводить электрический ток, его необходимо расплавить, т.е. превратить в жидкость. В результате сообщения энергии кристаллу хлорида натрия в виде большого количества теплоты частично разрушаются ионные связи Na+Cl− , т.е. происходит диссоциация на свободные подвижные ионы: Na+Cl− ↔ Na+ + Cl− Однако, добиться диссоциации хлорида натрия можно не только его плавлением, но также и его растворением в воде. Но каким образом, это становится возможным? Ведь для того чтобы произошло разрушение кристаллической решетки требуется сообщить ей энергию, что и происходило при расплавлении. Откуда же берется энергия на разрушение решетки в случае растворения? При помещении кристалла NaCl в воду его поверхность подвергается «облепливанию» молекулами воды или гидратации, в результате которой, ионам в структурной решетке сообщается энергия, достаточная для выделения из структурной решетки и «отправления в свободное плавание» в «оболочке» из молекул воды: или более упрощенно: NaCl ↔ Na+ + Cl−(участвующие в гидратации кристалла NaCl и ионов молекулы воды не записываются) Если энергия, выделяющаяся при гидратации кристалла, меньше энергии кристаллической решетки, то его растворение и диссоциация становятся невозможными. Например, поверхность кристалла сульфата бария, помещенного в водную среду, также покрывается молекулами воды, но выделяющаяся в результате этого энергия недостаточна отрыва ионов Ba2+ и SO42- из кристаллической решетки и, как следствие, становится невозможно его растворение (на самом деле возможно, но в крайне малой степени, т.к. абсолютно нерастворимых веществ не бывает). Аналогичным образом диссоциация осуществляется также гидроксидами металлов. Например: NaOH = Na+ + OH− Помимо веществ ионного строения, электролитически диссоциировать способны также и некоторые вещества молекулярного строения с ковалентным полярным типом связи, а именно кислоты. Как и в случае ионных соединений, причина образования ионов из электронейтральных молекул кроется в их гидратации. Существование гидратированных ионов энергетически более выгодно, чем существование гидратированных молекул. Например, диссоциация молекулы соляной кислоты выглядит примерно следующим образом: Гидратация катионов водорода настолько сильна, что можно говорить не просто о катионе водорода, окружённом молекулами воды (как это было с катионами натрия), а о полноценной частице – ионе гидроксония H3O+, содержащей три полноценные ковалентные связи H-О, одна из которых образована по донорно-акцепторному механизму. Таким образом, уравнение диссоциации соляной кислоты правильнее записывать так: H2O + HCl = H3O+ + Cl− Тем не менее, даже в этом случае, чаще всего, уравнение диссоциации соляной кислоты, впрочем, как и любой другой, записывают, игнорируя явное участие в диссоциации кислот молекул воды. HCl = H+ + Cl− Диссоциация многоосновных кислот протекает ступенчато, например: H3PO4 ↔ H+ + H2PO4− H2PO4− ↔ HPO42- + H+ HPO42- ↔ PO43- + H+ Таким образом, как мы уже выяснили, к электролитам относят: соли, кислоты и основания. Для описания способности электролитов к электролитической диссоциации используют величину, которая называется степенью диссоциации (α). Степень диссоциации – отношение числа продиссоциировавших частиц, к общему числу растворенных частиц. По степени диссоциации электролиты делят на сильные (α>30%), средней силы (30%> α>3%) и слабые (α<3%): Электролиты Сильные (α>30%) средней силы (30%> α>3%) слабые (α<3%) 1) почти все соли 2) некоторые кислоты: HCl, HBr, HI, HNO3, HClO4, H2SO4(разб.) 3) гидроксиды ЩМ и ЩЗМ (NaOH, KOH, Ca(OH)2 и т.д.) Mg(OH)2 HNO2 H2SO3 по первой ступени H3PO4 1) все гидроксиды металлов кроме гидроксидов ЩМ и ЩЗМ 2) H2CO3, H2SiO3, H2S, H2O 3) NH3∙H2O (или NH4OH) 4) CH3COOH и др. карбоновые кислоты Вещества, которые не являются ни кислотами, ни солями, ни гидроксидами, считаются неэлектролитами. К неэлектролитам, например, относятся простые вещества, оксиды, органические вещества (спирты, углеводороды, углеводы, хлорпроизводные углеводородов и т.д.). Сильные электролиты диссоциируют практически необратимо и в их водных растворах содержание исходных молекул крайне мало: KOH → K+ + OH− Na2SO4 → 2Na+ + SO42-.