Ця 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 сполук, якщо їх розчинити у воді або розплавити, мають здатність проводити електричний струм. Наприклад, загальновідомо, що водний розчин кухонної солі добре проводить електрику. Аналогічною властивістю володіє і розплав хлористого натрію. Всі речовини, які в розчинах або розплавах проводять струм, об 'єднані під назвою електроліти. Неелектроліти - 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 або 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 ланцюга 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 основи, кислоти і переважна більшість солей. До неелектролітів зараховують практично всі органічні сполуки, а також речовини, молекули яких мають лише ковалентні неполярні зв 'язки. 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, розділяються на дві великі групи. Це сильні і слабкі електроліти. Чим ці речовини відрізняються одна від одної? 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, бромоводнева і багато інших кислот.
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, щавелева та інші), невелика кількість неорганічних кислот (вугільна, азотиста, кремнієва та інші), основи всіх металів, за винятком лужних і лужноземельних. Вода також належить до слабких електролітів. Концентрація іонів для таких сполук досить невелика.
Теорія електролітичної дисоціації
Властивості речовин, описані вище, були помічені хіміками і фізиками вже давно. Шведський вчений Сванте Август Арреніус розробив теорію електролітичної дисоціації для того, щоб пояснити поведінку електролітів у водних розчинах, щоб описати механізм розчинення. Він поклав гарний 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 електролітичною дисоціацією. В основі навчання Арреніуса знаходяться три положення. Розгляньмо кожне з них.
Положення перше
Електроліти в процесі розчинення або розплавлення розпадаються на негативно і позитивно заряджені частинки - іони. Вони можуть бути простими і складними. Приклади простих іонів - К +, Mg2 +, Na +. До складних можна віднести SO42-, NO3- та інші.
Положення друге
Вплив електричного струму призводить до того, що іони починають рухатися в певному напрямку. При такому русі негативно заряджені частинки рухаються до аноду, а позитивно заряджені - до катода. У зв 'язку з цим перші отримали назву аніонів, а другі - катіонів. Чому відбувається спрямований рух іонів? Це пов 'язано з тим, що протилежно заряджені електроди притягують до себе відповідні частинки.
Положення третє
Дисоціація - це зворотний процес, оскільки одночасно з розпадом одних молекул на іони відбувається освіта 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. Арреніусом, стала однією з найважливіших теорій сучасної неорганічної хімії.
Механізм дисоціації
Іонний зв 'язок є визначальною у здатності речовини дисоціювати на іони у водному розчині. З 'єднання з таким типом зв' язку у своїх молекулах розпадаються швидше і легше інших речовин. Кожна молекула води має два протилежно заряджених полюси або діполі. З одного боку - кисень, з іншого - водень. Завдяки такому розподілу зарядів в молекулі води і відбувається розпад на іони розчинених сполук, які є електролітами. Іони, з яких складаються молекули таких електролітів, при дисоціації притягуються діполями води, які ніби оточують кожен іон, відщеплюючи 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 полярний ковалентний зв 'язок у своїх молекулах. Але якщо іонні речовини розпадаються повністю, то серед полярних електролітів багато і таких, які дисоціюють частково.
Ступінь дисоціації
Отже, електроліти - це речовини, атоми в молекулах яких пов 'язані або іонним, або ковалентним полярним зв' язком. Основні групи таких сполук - це кислоти, солі та основи. Кислоти дисоціюють з утворенням іонів водню і кислотного залишку, основи - іонів металу і гідроксильної групи, солі - іонів металу і кислотного залишку. Згідно з третім положенням електролітичної дисоціації, розпад електроліту на іони - зворотний процес. Значить в розчині присутні і окремі іони, і цілі молекули. Це дозволило вченим ввести таку величину, як ступінь дисоціації. Вона є відношенням кількості молекул n, що розпалися на іони, до загального числа молекул електроліту N. Ступінь дисоціації має своє позначення - ^. Все це можна виразити формулою ^ = 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 дорівнюватиме 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, але і 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 гадана ступінь дисоціації. Справа в тому, що розчини сильних електролітів не мають нерозпаних на заряджені частинки молекул, а такий розчин володіє особливою іонною структурою, яка дещо змінює його властивості. Тому до нього непримінний звичайний ступінь дисоціації. Уявну 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.