Химия · 9 класс
Электролитическая
диссоциация
Почему растворы одних веществ проводят электрический ток, а других — нет
План урока: электролиты и неэлектролиты · механизм распада на ионы · теория Аррениуса · степень диссоциации · кислоты, основания и соли с точки зрения ионов
Листайте стрелками или свайпом
Сегодня на уроке узнаем
- Какие вещества называют электролитами и почему их растворы проводят ток
- Как молекулы воды разрушают кристалл соли
- Как записывать уравнения диссоциации кислот, оснований и солей
- Где электролиты встречаются в природе, технике и в нашем организме
Определение
Электролитическая диссоциация — распад электролита на катионы и анионы при растворении в воде или при расплавлении
Происхождение термина
От латинского dissociatio — «разъединение»
Теорию электролитической диссоциации предложил шведский химик Сванте Аррениус в 1887 году.
Ионы
Заряженные частицы: катионы (+) и анионы (−)
Заряд иона равен числу отданных или принятых электронов: Na отдаёт один электрон и становится Na⁺, Cl принимает один и становится Cl⁻.
Важно знать
- Диссоциация идёт сама при растворении — электрический ток для неё не нужен
- Процесс записывают уравнением: NaCl → Na⁺ + Cl⁻
- На ионы вещества распадаются и в расплаве, например расплав NaOH проводит ток
- Сумма положительных и отрицательных зарядов в растворе одинакова — раствор электронейтрален
Электролиты и неэлектролиты
Все вещества по способности проводить электрический ток в растворах и расплавах делят на две группы. Проверить это можно простым прибором: два электрода, источник тока и лампочка.
Электролиты
Растворы и расплавы проводят электрический ток — лампочка горит
Связь ионная или ковалентная сильнополярная
Кислоты, щёлочи, соли: HCl, NaOH, NaCl
Ток в растворе переносят свободные ионы — это проводники второго рода.
Неэлектролиты
Растворы и расплавы не проводят ток — лампочка не горит
Связь ковалентная неполярная или слабополярная
Сахар, глюкоза, спирт, кислород, азот
Дистиллированная вода тоже почти не проводит ток: ионов в ней очень мало.
Кто есть кто
- Соли и щёлочи состоят из ионов уже в кристалле — вода только отделяет их друг от друга
- Кислоты в чистом виде состоят из молекул, ионы появляются только в водном растворе
- Оксиды, простые вещества и большинство органических веществ — неэлектролиты
- Чем больше ионов в растворе, тем ярче горит лампочка прибора
Механизм
Как кристалл NaCl распадается в воде
Молекула воды — диполь: на атоме кислорода частичный отрицательный заряд δ−, на атомах водорода — частичный положительный δ+. Поэтому вода «растаскивает» ионную решётку.
Ориентация
Диполи воды притягиваются к ионам: «−» концом к Na⁺, «+» концом к Cl⁻
Гидратация
Ионы окружаются молекулами воды, связь в кристалле ослабевает
Распад
Гидратированные ионы переходят в раствор и свободно движутся
Обратите внимание
- Энергия на разрушение кристалла берётся из энергии, которая выделяется при гидратации ионов
- Гидратированные ионы крупнее свободных и движутся медленнее
- Безводный сульфат меди CuSO₄ белый, а его раствор голубой — цвет даёт гидратированный ион Cu²⁺
- Вещества с ковалентной полярной связью, например HCl, распадаются так же: связь поляризуется водой и разрывается
Анимация
Растворение кристалла NaCl
Сначала от кристалла отрываются ионы с краёв и углов — их держит меньше соседей. У Na⁺ молекулы воды повёрнуты к иону кислородом, у Cl⁻ — водородом.
Что показывает анимация
- Кристалл NaCl — кубическая решётка: каждый ион Na⁺ окружён шестью ионами Cl⁻, и наоборот
- Ионы отрываются по одному, начиная с углов и рёбер кристалла
- Вокруг каждого иона собирается гидратная оболочка из молекул воды
- В 100 г воды при 20 °C растворяется около 36 г поваренной соли
Сванте Аррениус · 1887
Основные положения теории
За эту теорию Аррениус получил Нобелевскую премию по химии в 1903 году. Русские химики И. А. Каблуков и В. А. Кистяковский дополнили её идеей гидратации ионов.
В растворах и расплавах электролиты распадаются на ионы — катионы и анионы
Под действием тока катионы идут к катоду (−), анионы — к аноду (+)
Диссоциация — обратимый процесс: ионы могут снова соединяться
Ионы отличаются по свойствам от атомов: Na бурно реагирует с водой, а Na⁺ — нет
Как записывать
- Для сильных электролитов ставят стрелку →: распад почти полный
- Для слабых электролитов ставят знак обратимости ⇄: часть молекул остаётся целой
- Теория Аррениуса лучше всего описывает разбавленные водные растворы
- Аррениус считал ионы свободными, роль воды учли позже — в виде гидратации
Анимация
Ионы движутся к электродам
Без тока ионы движутся хаотично. Когда в раствор опускают электроды и подключают источник, движение становится направленным — по раствору идёт электрический ток.
Что происходит на электродах
- Катод заряжен отрицательно и притягивает катионы — на нём они принимают электроны
- Анод заряжен положительно и притягивает анионы — на нём они отдают электроны
- Процесс, который при этом идёт на электродах, называется электролизом
- Электролизом получают алюминий, натрий, хлор, водород и чистую медь
Степень диссоциации
n — число распавшихся молекул
N — общее число растворённых молекул
Выражают в долях единицы или в %
Сильные электролиты · α > 30%
HCl, HNO₃, H₂SO₄, щёлочи (NaOH, KOH), почти все растворимые соли
Слабые электролиты · α < 3%
H₂S, H₂CO₃, CH₃COOH, NH₃·H₂O, вода
От чего зависит α
Природа вещества — чем полярнее связь, тем легче распад. Концентрация — при разбавлении α растёт. Температура — при нагревании α обычно растёт.
Пример расчёта
- В растворе 100 молекул уксусной кислоты CH₃COOH, на ионы распались 2
- α = 2 / 100 = 0,02, или 2% — значит, это слабый электролит
- В растворе HCl на ионы распадаются почти все молекулы — α близка к 100%
- Электролиты, у которых α от 3 до 30%, называют электролитами средней силы
Диссоциация кислот
Кислоты образуют катионы только H⁺
Анион — кислотный остаток. Многоосновные кислоты диссоциируют ступенчато, и каждая следующая ступень идёт слабее предыдущей.
Ионы H⁺ дают кислотам общие свойства: кислый вкус, действие на индикаторы, реакции с металлами, основными оксидами и основаниями.
Ионы H⁺ и лакмус
В кислоте лакмус становится красным
Основность кислот
- Одноосновные отдают один H⁺: HCl, HNO₃, HBr
- Двухосновные — два H⁺ в две ступени: H₂SO₄, H₂S, H₂CO₃
- Трёхосновная H₃PO₄ диссоциирует в три ступени: H₃PO₄ ⇄ H⁺ + H₂PO₄⁻ ⇄ … ⇄ PO₄³⁻
- Сильные кислоты: HCl, HNO₃, H₂SO₄. Слабые: H₂S, H₂CO₃, H₂SiO₃
Диссоциация оснований
Основания образуют анионы только OH⁻
Катион — ион металла (или NH₄⁺). В растворе диссоциируют щёлочи — растворимые основания. Нерастворимые, например Cu(OH)₂, на ионы в воде почти не распадаются.
Ионы OH⁻ дают щелочам общие свойства: мылкость на ощупь, действие на индикаторы, реакции с кислотами и кислотными оксидами.
Ионы OH⁻ и фенолфталеин
В щёлочи фенолфталеин становится малиновым
Запомните
- Щёлочи: LiOH, NaOH, KOH, Ca(OH)₂, Ba(OH)₂ — все сильные электролиты
- Нашатырный спирт NH₃·H₂O — слабое основание: NH₃·H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻
- Число групп OH в формуле показывает, сколько ионов OH⁻ образуется
- Нерастворимые основания (Fe(OH)₃, Cu(OH)₂) уравнений диссоциации не записывают
Диссоциация солей
Соли образуют катионы металла и анионы кислотного остатка
Средние соли диссоциируют в одну ступень. Сумма зарядов ионов равна нулю.
Индекс в формуле становится коэффициентом перед ионом: в Al(NO₃)₃ три группы NO₃, значит в растворе 3NO₃⁻. Кислотный остаток при этом не распадается.
Проверка зарядов: K₂SO₄
Виды солей
- Средние: NaCl, K₂SO₄ — распадаются на катион металла и анион кислотного остатка
- Кислые: NaHCO₃ → Na⁺ + HCO₃⁻ — в анионе остаётся водород
- Соли аммония: NH₄Cl → NH₄⁺ + Cl⁻
- Нерастворимые соли (BaSO₄, AgCl, CaCO₃) на ионы почти не распадаются — проверяйте по таблице растворимости
Где это важно
Организм
Ионы Na⁺ и K⁺ передают нервные импульсы, а электролиты поддерживают водный баланс. Поэтому при сильной жажде и жаре пьют солёные растворы.
Аккумуляторы
Электролит переносит заряд внутри батареек и аккумуляторов. В автомобильном аккумуляторе это раствор серной кислоты.
Электролиз
Получение алюминия и хлора, очистка меди, покрытие металлов хромом, никелем и золотом — гальваника.
Ионные реакции
Реакции в растворах идут между ионами и доходят до конца, если выпадает осадок, выделяется газ или образуется вода. Это тема следующего урока.
Электролиты в природе
- Морская вода — раствор электролитов: в литре около 35 г солей, больше всего NaCl
- В минеральной воде есть ионы Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, HCO₃⁻, SO₄²⁻ — их состав пишут на этикетке
- Растения берут из почвы не вещества целиком, а ионы: K⁺, NO₃⁻, PO₄³⁻
- Морская вода проводит ток намного лучше пресной, потому что ионов в ней гораздо больше
Итоги урока
Что мы узнали
Распад на ионы
Электролиты в воде и в расплаве распадаются на катионы и анионы — это и есть электролитическая диссоциация.
Роль воды
Полярные молекулы воды окружают ионы гидратной оболочкой и разрушают кристалл.
Ток в растворе
Ионы под действием тока движутся к электродам: катионы к катоду, анионы к аноду.
Сила электролита
Степень диссоциации α показывает долю распавшихся молекул: сильные — α > 30%, слабые — α < 3%.
Кислоты и основания
Кислоты дают катионы H⁺, щёлочи — анионы OH⁻. Эти ионы определяют их общие свойства.
Соли
Соли распадаются на катионы металла и анионы кислотного остатка, сумма зарядов равна нулю.
Главное за урок
Электролитическая диссоциация · Химия, 9 класс
Спасибо
за внимание!
Вода, соль и электрический ток — теперь вы знаете, как они связаны