Глава II. Химические реакции в растворах. § 4. Электролитическая диссоциация — с. 30
§ 4. Лабораторный опыт 13. В углубление планшетки для эксперимента с малыми количествами веществ капните с помощью пипетки 1—2 капли раствора уксусной кислоты. Соблюдая правила техники безопасности, понюхайте кислоту. Что отмечаете?
Изменяется ли интенсивность запаха при добавлении к кислоте 7—10 капель воды?
Ход опыта: в лунку планшетки пипеткой вносят 1—2 капли раствора уксусной кислоты и осторожно, направляя к себе движением ладони пары от лунки, определяют запах.
Наблюдения: ощущается резкий характерный запах уксуса. После добавления 7—10 капель воды запах становится заметно слабее.
Объяснение: запах создают молекулы уксусной кислоты CH₃COOH, перешедшие в воздух над раствором. При разбавлении водой концентрация кислоты в растворе уменьшается, поэтому над раствором оказывается меньше молекул кислоты и интенсивность запаха падает. Уксусная кислота — слабый электролит, большая часть её молекул в растворе не распадается на ионы:
CH₃COOH ⇄ CH₃COO⁻ + H⁺
Вывод: интенсивность запаха уменьшается при разбавлении, так как уменьшается число молекул кислоты, способных переходить в газовую фазу; запах обусловлен именно недиссоциированными молекулами.
Наблюдения: ощущается резкий характерный запах уксуса. После добавления 7—10 капель воды запах становится заметно слабее.
Объяснение: запах создают молекулы уксусной кислоты CH₃COOH, перешедшие в воздух над раствором. При разбавлении водой концентрация кислоты в растворе уменьшается, поэтому над раствором оказывается меньше молекул кислоты и интенсивность запаха падает. Уксусная кислота — слабый электролит, большая часть её молекул в растворе не распадается на ионы:
CH₃COOH ⇄ CH₃COO⁻ + H⁺
Вывод: интенсивность запаха уменьшается при разбавлении, так как уменьшается число молекул кислоты, способных переходить в газовую фазу; запах обусловлен именно недиссоциированными молекулами.
§ 4. Проверьте свои знания.
1. Какие вещества называют электролитами?
1. Какие вещества называют электролитами?
Электролиты — это вещества, растворы и расплавы которых проводят электрический ток. К электролитам относят соли, основания (щёлочи) и кислоты, например NaCl, KOH, H₂SO₄. Ток проводят образующиеся при диссоциации ионы. Вещества, растворы и расплавы которых ток не проводят (спирт, глюкоза, сахароза), называют неэлектролитами.
§ 4. Проверьте свои знания.
2. Что называют электролитической диссоциацией?
Электролитической диссоциацией называют процесс распада электролита на ионы при его растворении в воде или плавлении. Причиной диссоциации в растворе служит взаимодействие электролита с молекулами воды — гидратация. Например: NaCl = Na⁺ + Cl⁻; HCl = H⁺ + Cl⁻. Образующиеся ионы окружены оболочкой из молекул воды, т. е. гидратированы.
§ 4. Проверьте свои знания.
3. Что называют степенью электролитической диссоциации?
На какие группы делят вещества по степени электролитической диссоциации?
Степень электролитической диссоциации α — это отношение количества вещества электролита, распавшегося на ионы (nд), к общему количеству растворённого вещества (nр): α = nд / nр. Её выражают в долях единицы или в процентах: если α = 0, диссоциации нет, если α = 1 (100 %), электролит распался полностью.
По степени диссоциации электролиты делят на две группы:
1) сильные (α → 1): диссоциируют необратимо; к ним относят все растворимые соли, щёлочи, многие кислоты (HCl, HNO₃, H₂SO₄);
2) слабые (α → 0): диссоциируют частично и обратимо; к ним относят многие кислоты (HNO₂, H₂S, H₂CO₃, HF, H₂SO₃, CH₃COOH) и гидрат аммиака NH₃·H₂O.
Вещества, не распадающиеся на ионы, — неэлектролиты.
По степени диссоциации электролиты делят на две группы:
1) сильные (α → 1): диссоциируют необратимо; к ним относят все растворимые соли, щёлочи, многие кислоты (HCl, HNO₃, H₂SO₄);
2) слабые (α → 0): диссоциируют частично и обратимо; к ним относят многие кислоты (HNO₂, H₂S, H₂CO₃, HF, H₂SO₃, CH₃COOH) и гидрат аммиака NH₃·H₂O.
Вещества, не распадающиеся на ионы, — неэлектролиты.
§ 4. Проверьте свои знания.
4. От каких факторов зависит степень электролитической диссоциации?
Степень электролитической диссоциации зависит:
1) от природы электролита (типа химической связи и строения: сильные и слабые электролиты имеют разные значения α);
2) от концентрации раствора: при разбавлении раствора степень диссоциации увеличивается;
3) от природы растворителя (воды — сильного полярного растворителя) и, как правило, от температуры.
1) от природы электролита (типа химической связи и строения: сильные и слабые электролиты имеют разные значения α);
2) от концентрации раствора: при разбавлении раствора степень диссоциации увеличивается;
3) от природы растворителя (воды — сильного полярного растворителя) и, как правило, от температуры.
§ 4. Примените свои знания.
5. Почему кристаллический хлорид натрия не проводит электрический ток, а его раствор электропроводен?
Объясните механизм диссоциации этой соли.
В кристалле NaCl ионы Na⁺ и Cl⁻ прочно закреплены в узлах ионной кристаллической решётки и не могут свободно перемещаться, поэтому кристаллическая соль ток не проводит. В растворе ионы свободны (гидратированы) и под действием электрического поля движутся направленно, поэтому раствор электропроводен.
Механизм диссоциации ионного соединения протекает в три стадии:
1) ориентация: молекулы воды — диполи — поворачиваются вокруг ионов поверхностного слоя кристалла противоположно заряженными концами (к Na⁺ — атомом кислорода, к Cl⁻ — атомами водорода);
2) гидратация: молекулы воды взаимодействуют с ионами, связь между ионами в кристалле ослабевает;
3) диссоциация: кристалл распадается на гидратированные ионы, которые переходят в раствор.
Уравнение: NaCl = Na⁺ + Cl⁻.
Механизм диссоциации ионного соединения протекает в три стадии:
1) ориентация: молекулы воды — диполи — поворачиваются вокруг ионов поверхностного слоя кристалла противоположно заряженными концами (к Na⁺ — атомом кислорода, к Cl⁻ — атомами водорода);
2) гидратация: молекулы воды взаимодействуют с ионами, связь между ионами в кристалле ослабевает;
3) диссоциация: кристалл распадается на гидратированные ионы, которые переходят в раствор.
Уравнение: NaCl = Na⁺ + Cl⁻.
§ 4. Примените свои знания.
6. Можно ли говорить о процессе ассоциации в растворах электролитов с ионной связью?
А с ковалентной?
Ассоциация — процесс соединения ионов в частицы электролита, обратный диссоциации. Говорить о ней можно в обоих случаях.
1) Электролиты с ионной связью (соли, щёлочи). В их растворах устанавливается динамическое равновесие между гидратированными ионами и ассоциированными ионными парами. Для разбавленных растворов сильных электролитов доля ионных пар мала, поэтому их диссоциацию записывают со знаком равенства (NaCl = Na⁺ + Cl⁻), но в более концентрированных растворах, а также при выпаривании и кристаллизации ионы вновь объединяются (Na⁺ + Cl⁻ → NaCl).
2) Электролиты с ковалентной полярной связью. Их диссоциация идёт через ионизацию полярных молекул под действием воды, а ассоциация — это обратное соединение ионов в молекулы. Для слабых электролитов она хорошо выражена: HNO₂ ⇄ H⁺ + NO₂⁻; CH₃COOH ⇄ CH₃COO⁻ + H⁺. Для сильных ковалентных электролитов (HCl) в разбавленных растворах равновесие практически полностью смещено в сторону ионов.
1) Электролиты с ионной связью (соли, щёлочи). В их растворах устанавливается динамическое равновесие между гидратированными ионами и ассоциированными ионными парами. Для разбавленных растворов сильных электролитов доля ионных пар мала, поэтому их диссоциацию записывают со знаком равенства (NaCl = Na⁺ + Cl⁻), но в более концентрированных растворах, а также при выпаривании и кристаллизации ионы вновь объединяются (Na⁺ + Cl⁻ → NaCl).
2) Электролиты с ковалентной полярной связью. Их диссоциация идёт через ионизацию полярных молекул под действием воды, а ассоциация — это обратное соединение ионов в молекулы. Для слабых электролитов она хорошо выражена: HNO₂ ⇄ H⁺ + NO₂⁻; CH₃COOH ⇄ CH₃COO⁻ + H⁺. Для сильных ковалентных электролитов (HCl) в разбавленных растворах равновесие практически полностью смещено в сторону ионов.
§ 4. Примените свои знания.
7. Напишите уравнения электролитической диссоциации следующих веществ: хлорида железа(III), сероводородной кислоты, сульфата железа(II), фосфата натрия, гидроксида бария, азотистой кислоты, азотной кислоты. Почему в одних уравнениях вы записываете знак равенства, а в других — знак обратимости?
1) Хлорид железа(III): FeCl₃ = Fe³⁺ + 3Cl⁻
2) Сероводородная кислота (ступенчато): H₂S ⇄ H⁺ + HS⁻; HS⁻ ⇄ H⁺ + S²⁻
3) Сульфат железа(II): FeSO₄ = Fe²⁺ + SO₄²⁻
4) Фосфат натрия: Na₃PO₄ = 3Na⁺ + PO₄³⁻
5) Гидроксид бария: Ba(OH)₂ = Ba²⁺ + 2OH⁻
6) Азотистая кислота: HNO₂ ⇄ H⁺ + NO₂⁻
7) Азотная кислота: HNO₃ = H⁺ + NO₃⁻
Знак равенства ставят для сильных электролитов (растворимые соли, щёлочи, сильные кислоты HNO₃), которые диссоциируют полностью и необратимо (α → 1). Знак обратимости ⇄ ставят для слабых электролитов (H₂S, HNO₂), которые диссоциируют лишь частично: наряду с распадом на ионы идёт обратный процесс — ассоциация.
2) Сероводородная кислота (ступенчато): H₂S ⇄ H⁺ + HS⁻; HS⁻ ⇄ H⁺ + S²⁻
3) Сульфат железа(II): FeSO₄ = Fe²⁺ + SO₄²⁻
4) Фосфат натрия: Na₃PO₄ = 3Na⁺ + PO₄³⁻
5) Гидроксид бария: Ba(OH)₂ = Ba²⁺ + 2OH⁻
6) Азотистая кислота: HNO₂ ⇄ H⁺ + NO₂⁻
7) Азотная кислота: HNO₃ = H⁺ + NO₃⁻
Знак равенства ставят для сильных электролитов (растворимые соли, щёлочи, сильные кислоты HNO₃), которые диссоциируют полностью и необратимо (α → 1). Знак обратимости ⇄ ставят для слабых электролитов (H₂S, HNO₂), которые диссоциируют лишь частично: наряду с распадом на ионы идёт обратный процесс — ассоциация.
§ 4. Примените свои знания.
8. Чему равна сумма коэффициентов перед формулами ионов в уравнениях электролитической диссоциации: а) нитрата железа(III); б) хлорида алюминия; в) нитрита калия; г) сульфата аммония?
а) Fe(NO₃)₃ = Fe³⁺ + 3NO₃⁻; сумма коэффициентов 1 + 3 = 4.
б) AlCl₃ = Al³⁺ + 3Cl⁻; сумма 1 + 3 = 4.
в) KNO₂ = K⁺ + NO₂⁻; сумма 1 + 1 = 2.
г) (NH₄)₂SO₄ = 2NH₄⁺ + SO₄²⁻; сумма 2 + 1 = 3.
Ответ: а) 4; б) 4; в) 2; г) 3.
б) AlCl₃ = Al³⁺ + 3Cl⁻; сумма 1 + 3 = 4.
в) KNO₂ = K⁺ + NO₂⁻; сумма 1 + 1 = 2.
г) (NH₄)₂SO₄ = 2NH₄⁺ + SO₄²⁻; сумма 2 + 1 = 3.
Ответ: а) 4; б) 4; в) 2; г) 3.
§ 4. Примените свои знания.
9. В растворах каких соединений загорится лампочка при испытании их на электропроводность: а) сероводород; б) азотистая кислота; в) гидроксид бария; г) гидрат аммиака; д) серная кислота; е) сульфат магния?
Где лампочка будет гореть ярко, а где — тускло?
Как можно увеличить интенсивность её свечения?
Лампочка загорится во всех шести случаях, так как все эти вещества — электролиты и в растворе образуют ионы:
а) H₂S ⇄ H⁺ + HS⁻ — слабый электролит, лампочка горит тускло;
б) HNO₂ ⇄ H⁺ + NO₂⁻ — слабый электролит, тускло;
в) Ba(OH)₂ = Ba²⁺ + 2OH⁻ — сильный электролит (щёлочь), ярко;
г) NH₃·H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻ — слабый электролит, тускло;
д) H₂SO₄ = 2H⁺ + SO₄²⁻ (в основном) — сильный электролит, ярко;
е) MgSO₄ = Mg²⁺ + SO₄²⁻ — растворимая соль, сильный электролит, ярко.
Интенсивность свечения зависит от концентрации ионов в растворе. Её можно увеличить, повысив концентрацию электролита (растворив больше вещества), сблизив электроды, увеличив площадь погружённых электродов или напряжение источника тока; для слабых электролитов — заменив их на сильные.
а) H₂S ⇄ H⁺ + HS⁻ — слабый электролит, лампочка горит тускло;
б) HNO₂ ⇄ H⁺ + NO₂⁻ — слабый электролит, тускло;
в) Ba(OH)₂ = Ba²⁺ + 2OH⁻ — сильный электролит (щёлочь), ярко;
г) NH₃·H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻ — слабый электролит, тускло;
д) H₂SO₄ = 2H⁺ + SO₄²⁻ (в основном) — сильный электролит, ярко;
е) MgSO₄ = Mg²⁺ + SO₄²⁻ — растворимая соль, сильный электролит, ярко.
Интенсивность свечения зависит от концентрации ионов в растворе. Её можно увеличить, повысив концентрацию электролита (растворив больше вещества), сблизив электроды, увеличив площадь погружённых электродов или напряжение источника тока; для слабых электролитов — заменив их на сильные.
§ 4. Примените свои знания.
10. Найдите количество вещества каждого из ионов, содержащихся в 342 г 5%-ного раствора сульфата алюминия.
Дано: m(р-ра Al₂(SO₄)₃) = 342 г; w(Al₂(SO₄)₃) = 5 % (0,05).
Найти: n(Al³⁺) — ?; n(SO₄²⁻) — ?
Решение:
1) m(Al₂(SO₄)₃) = 342 г · 0,05 = 17,1 г.
2) M(Al₂(SO₄)₃) = 2 · 27 + 3 · (32 + 4 · 16) = 54 + 288 = 342 г/моль.
3) n(Al₂(SO₄)₃) = 17,1 г / 342 г/моль = 0,05 моль.
4) Al₂(SO₄)₃ = 2Al³⁺ + 3SO₄²⁻, значит n(Al³⁺) = 2 · 0,05 = 0,1 моль; n(SO₄²⁻) = 3 · 0,05 = 0,15 моль.
Ответ: n(Al³⁺) = 0,1 моль; n(SO₄²⁻) = 0,15 моль.
Найти: n(Al³⁺) — ?; n(SO₄²⁻) — ?
Решение:
1) m(Al₂(SO₄)₃) = 342 г · 0,05 = 17,1 г.
2) M(Al₂(SO₄)₃) = 2 · 27 + 3 · (32 + 4 · 16) = 54 + 288 = 342 г/моль.
3) n(Al₂(SO₄)₃) = 17,1 г / 342 г/моль = 0,05 моль.
4) Al₂(SO₄)₃ = 2Al³⁺ + 3SO₄²⁻, значит n(Al³⁺) = 2 · 0,05 = 0,1 моль; n(SO₄²⁻) = 3 · 0,05 = 0,15 моль.
Ответ: n(Al³⁺) = 0,1 моль; n(SO₄²⁻) = 0,15 моль.
§ 4. Используйте дополнительную информацию.
11. Подготовьте сообщение о жизни и творчестве С. Аррениуса.
Сванте Август Аррениус (1859—1927) — шведский физик и химик, лауреат Нобелевской премии по химии (1903).
Родился близ Упсалы в семье землемера, рано проявил способности к математике. Учился в Упсальском университете, затем работал в Стокгольме.
В 1884 г. в докторской диссертации он выдвинул гипотезу, что электролиты при растворении в воде распадаются на ионы; именно ионы обеспечивают электропроводность растворов. Современники встретили идею скептически, но позднее она получила подтверждение и превратилась в теорию электролитической диссоциации.
Аррениус ввёл понятие степени диссоциации, изучал зависимость скорости реакций от температуры (уравнение Аррениуса, энергия активации).
Он занимался также астрономией и геофизикой, высказал мысль о парниковом эффекте углекислого газа в атмосфере и гипотезу панспермии.
С 1905 г. возглавлял Нобелевский институт физической химии в Стокгольме. Автор многих книг, в том числе научно-популярных. Работы Аррениуса легли в основу современной физической химии растворов.
Родился близ Упсалы в семье землемера, рано проявил способности к математике. Учился в Упсальском университете, затем работал в Стокгольме.
В 1884 г. в докторской диссертации он выдвинул гипотезу, что электролиты при растворении в воде распадаются на ионы; именно ионы обеспечивают электропроводность растворов. Современники встретили идею скептически, но позднее она получила подтверждение и превратилась в теорию электролитической диссоциации.
Аррениус ввёл понятие степени диссоциации, изучал зависимость скорости реакций от температуры (уравнение Аррениуса, энергия активации).
Он занимался также астрономией и геофизикой, высказал мысль о парниковом эффекте углекислого газа в атмосфере и гипотезу панспермии.
С 1905 г. возглавлял Нобелевский институт физической химии в Стокгольме. Автор многих книг, в том числе научно-популярных. Работы Аррениуса легли в основу современной физической химии растворов.
§ 4. Используйте дополнительную информацию.
12. Подготовьте презентацию по теме «Вклад русских химиков в теорию электролитической диссоциации».
План презентации (по слайдам):
1) Титульный слайд: тема, автор. Идея Аррениуса (1887): электролиты в растворе распадаются на ионы.
2) Противоречие: Аррениус считал растворитель инертной средой; не объяснял, почему вещества распадаются на ионы.
3) Химическая (гидратная) теория растворов Д. И. Менделеева: растворение — химическое взаимодействие вещества с водой, образование гидратов.
4) Иван Алексеевич Каблуков (1857—1942), ученик Менделеева: объединил идеи Аррениуса и Менделеева; показал, что причина диссоциации — гидратация, ионы в растворе гидратированы.
5) Владимир Александрович Кистяковский (1865—1952): развил представления о гидратации ионов и роли растворителя; вместе с Каблуковым создал основу современной теории электролитической диссоциации.
6) Дополнения русских химиков: причина диссоциации — взаимодействие с молекулами воды; в растворах находятся не свободные, а гидратированные ионы.
7) Значение: объяснение механизма диссоциации ионных и полярных соединений, свойств кислот, оснований, солей.
8) Выводы и список источников.
Оформление: на слайдах — портреты учёных, схемы гидратации ионов (рис. 8, 9), короткие тезисы.
1) Титульный слайд: тема, автор. Идея Аррениуса (1887): электролиты в растворе распадаются на ионы.
2) Противоречие: Аррениус считал растворитель инертной средой; не объяснял, почему вещества распадаются на ионы.
3) Химическая (гидратная) теория растворов Д. И. Менделеева: растворение — химическое взаимодействие вещества с водой, образование гидратов.
4) Иван Алексеевич Каблуков (1857—1942), ученик Менделеева: объединил идеи Аррениуса и Менделеева; показал, что причина диссоциации — гидратация, ионы в растворе гидратированы.
5) Владимир Александрович Кистяковский (1865—1952): развил представления о гидратации ионов и роли растворителя; вместе с Каблуковым создал основу современной теории электролитической диссоциации.
6) Дополнения русских химиков: причина диссоциации — взаимодействие с молекулами воды; в растворах находятся не свободные, а гидратированные ионы.
7) Значение: объяснение механизма диссоциации ионных и полярных соединений, свойств кислот, оснований, солей.
8) Выводы и список источников.
Оформление: на слайдах — портреты учёных, схемы гидратации ионов (рис. 8, 9), короткие тезисы.