Ступінь дисоціації, електроліти та положення теорії електролітичної дисоціації
Дана стаття присвячена таким поняттям, як електроліти і ступінь дисоціації, а також опису теорії, що пояснює механізми проведення електричного струму розчинами різних речовин.
Чи всі речовини проводять струм
Багато з'єднання, якщо їх розчинити у воді або розплавити, мають здатність проводити електричний струм. Наприклад, загальновідомо, що водний розчин кухонної солі добре проводить електрику. Аналогічним властивістю володіє і розплав хлористого натрію. Всі речовини, які в розчинах чи розплавах проводять струм, об'єднані під назвою електроліти. Неелектролітів - це сполуки, які не володіють здатністю проводити електричний струм в розчинах і розплавах. Інше визначення електролітів позиціонує їх як речовини, які розпадаються на іони в розчинах чи розплавах. А ось розчини багатьох інших сполук, навпаки, не можуть проводити електрику. Наприклад, розчин цукру, а також більшість органічних речовин. Наочно побачити рух струму через розчин електроліту дозволяє наступний досвід. До електричного кола під'єднані два електроди. Якщо їх опустити в розчин електроліту і замкнути ланцюг, то лампочка загоряється. Зворотну картину можна спостерігати використовуючи розчин неелектроліту.
Які це речовини
До електролітів належать такі класи речовин, як підстави, кислоти і переважна більшість солей. До неелектролітів зараховують практично всі органічні сполуки, а також речовини, молекули яких мають лише ковалентними неполярними зв'язками. Електроліти дуже часто називають провідниками другого роду. Чому? Справа в тому, що самі по собі, не перебуваючи в стані розплаву або розчину, ці сполуки не можуть виступати провідниками електричного струму. Свої властивості вони проявляють лише в розчинах. Пов'язано це з тим, що при розчиненні молекули електролітів розпадаються на іони, які і стають переносниками, транспортувальниками електричного заряду. А перебуваючи в складі молекули, вони втрачають подібні властивості. Саме цим і пояснюється те, що дистильована вода не проводить струм.
Сильні електроліти
Такі речовини, як електроліти, поділяються на дві великі групи. Це сильні і слабкі електроліти. Чим ці речовини відрізняються один від одного? Сильні електроліти повністю розпадаються на іони при розчиненні у воді. Наприклад, той же хлорид натрію. До таких речовин відносяться практично всі солі, підстави активних металів - лужних і лужноземельних, які знаходяться в перших двох групах періодичної системи Д. І. Менделєєва, наприклад калій, натрій, магній, і більшість неорганічних кислот. Наприклад, сильними електролітами є сірчана, азотна, соляна, бромоводородной і багато інших кислоти.
Слабкі електроліти
Що стосується сполук, які у водному розчині розпадаються на іони лише частково, то вони називаються слабкими електролітами. Варто згадати, що до таких речовин зараховують переважна більшість органічних кислот (оцтова, лимонна, молочна, щавлева та інші), невелика кількість неорганічних кислот (вугільна, азотистая, кремнієва та інші), підстави всіх металів, за винятком лужних і лужноземельних. Вода також відноситься до слабких електролітів. Концентрація іонів для таких сполук дуже невелика.
Теорія електролітичноїдисоціації
Властивості речовин, описані вище, були помічені хіміками і фізиками вже давно. Шведський вчений Сванте Август Арреніус розробив теорію електролітичноїдисоціації для того, щоб пояснити поведінку електролітів у водних розчинах, щоб описати механізм розчинення. Він поклав добрий початок, а його послідовники надалі узагальнили і доповнили цю теорію, яка не втратила своєї справедливості до теперішнього часу. У розчинах молекули електролітів розпадаються на частинки, що володіють позитивним або негативним зарядом. Цей процес вчений назвав електролітичної дисоціацією. В основі вчення Аррениуса знаходяться три положення. Розглянемо кожне з них.
Положення перший
Електроліти в процесі розчинення або розплавлення розпадаються на негативно і позитивно заряджені частинки - іони. Вони можуть бути простими і складними. Приклади простих іонів - До+, Mg2+, Na+. До складних можна віднести SO42-, NO3- та інші.
Положення другий
Дія електричного струму призводить до того, що іони починають рухатися в певному напрямку. При такому русі негативно заряджені частинки рухаються до анода, а позитивно заряджені - до катода. У зв'язку з цим перший отримали назву аніонів, а другі - катіонів. Чому відбувається спрямований рух іонів? Це пов'язано з тим, що протилежно заряджені електроди притягують до себе відповідні частки.
Положення третій
Дисоціація - це оборотний процес, оскільки одночасно з розпадом одних молекул на іони відбувається утворення інших за рахунок з'єднання іонів (так звана асоціація). Цей процес дуже динамічний, і розпад одних молекул постійно змінює з'єднання інших. Теорія, закладена С. Арреніус, стала однією з найважливіших теорій сучасної неорганічної хімії.
Механізм дисоціації
Іонна зв'язок є визначальною у здатності речовини диссоциировать на іони у водному розчині. З'єднання з таким типом зв'язку в своїх молекулах розпадаються швидше і легше інших речовин. Кожна молекула води має два протилежно заряджених полюса або диполя. З одного боку - кисень, з іншого - водень. Завдяки такому розподілу зарядів в молекулі води і відбувається розпад на іони розчиняються сполук, які є електролітами. Іони, з яких складаються молекули таких електролітів, при дисоціації притягуються диполями води, які як би оточують кожен іон, отщепляя його. Такий механізм заснований на силах взаємного тяжіння протилежних зарядів. Іони, оточені молекулами води, отримали назву гідратованих. За таким же принципом відбувається дисоціація речовин, що мають полярну ковалентний зв'язок у своїх молекулах. Але якщо іонні речовини розпадаються повністю, то серед полярних електролітів багато й таких, які дисоціюють частково.
Ступінь дисоціації
Отже, електроліти - це речовини, атоми в молекулах яких пов'язані або іонної, або ковалентного полярної зв'язком. Основні групи таких сполук - це кислоти, солі і підстави. Кислоти дисоціюють з утворенням іонів водню і кислотного залишку, підстави - іонів металу і гідроксильної групи, солі - іонів металу і кислотного залишку. Згідно третьому положенню електролітичноїдисоціації, розпад електроліту на іони - оборотний процес. Значить в розчині присутні й окремі іони, і цілі молекули. Це дозволило вченим ввести таку величину, як ступінь дисоціації. Вона є відношенням кількості розпалися на іони молекул n до загального числа молекул електроліту N. Ступінь дисоціації має своє позначення - alpha-. Все це можна виразити формулою alpha- = n / N. Чим більше молекул розпалося на іони, тим більше значення приймає ступінь дисоціації. А що ж буде, якщо всі молекули електроліту розпадаються на іони? У таких випадках ступінь дисоціації буде дорівнює одиниці, і це найбільше значення, яке вона може приймати. Як правило, це характерно для сильних електролітів, які повністю розпадаються на іони у водному розчині. Крім частки, одиниці константа і ступінь дисоціації можуть виражатися у відсотках. Це число залежить не тільки від природи електроліту, а й таких умов, як температура розчину і його концентрація. Константа дисоціації - це відношення концентрацій іонів електроліту в розчині до концентрації цілих молекул. Крім того, для розчинів сильних електролітів введено таке поняття, як уявна ступінь дисоціації. Справа в тому, що розчини сильних електролітів не мають нераспавшіхся на заряджені частинки молекул, а такий розчин володіє особливою іонної структурою, яка кілька змінює його властивості. Тому до нього незастосовна звичайна ступінь дисоціації. Гадану ступінь дисоціації можна розуміти як умовну, оскільки скасувати цю величину для розчинів сильних електролітів не можна, але в той же час її значення практично завжди залишається незмінним, не відхиляючись від одиниці.
