9.8: Іони в розчині - електроліти

Last updated
Save as PDF

Page ID: 21914

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Визначте розчинені речовини як сильні електроліти, слабкі електроліти або неелектроліти.
Обчисліть еквіваленти для іонного розчиненого речовини.

Коли деякі речовини розчиняються у воді, вони зазнають фізичної або хімічної зміни, яка дає іони в розчині. Ці речовини складають важливий клас сполук, званих електролітами. Речовини, які не виділяють іонів при розчиненні, називаються неелектролітами. Якщо фізичний або хімічний процес, який генерує іони, по суті, 100% ефективний (все розчинене з'єднання дає іони), то речовина відома як сильний електроліт. Якщо тільки відносно невелика частка розчиненого речовини піддається процесу іонопродукування, його називають слабким електролітом.

Речовини можуть бути ідентифіковані як сильні, слабкі або неелектроліти шляхом вимірювання електричної провідності водного розчину, що містить речовину. Для проведення електрики речовина повинна містити вільно рухливі, заряджені види. Найбільш звичним є проведення електрики через металеві дроти, в цьому випадку рухомими, зарядженими утвореннями є електрони. Розчини також можуть проводити електрику, якщо вони містять розчинені іони, при цьому провідність збільшується зі збільшенням концентрації іонів. Подача напруги на електроди, занурені в розчин, дозволяє оцінити відносну концентрацію розчинених іонів або кількісно, шляхом вимірювання витрати електричного струму, або якісно, спостерігаючи яскравість лампочки, включеної в ланцюг (рис.\(\PageIndex{1}\)).

На цій схемі зображені три окремих мензурки. Кожен має провід, підключений до розетки. У кожному випадку провід веде від стіни до мензурки і розщеплюється, в результаті чого виходить два кінці. Один кінець веде до лампочки і продовжується до прямокутника, позначеного знаком плюс. Інший кінець веде до прямокутника, позначеного знаком мінус. Прямокутники знаходяться в розчині. У першому склянці, позначеному «Етанол без провідності», чотири пари з'єднаних малих зелених сфер, підвішених в розчині між прямокутниками. У другій склянці, позначеній «K C l Strong Conductivity», в розчині підвішені шість окремих зелених сфер, три з маркуванням плюс і три мічені мінус. Кожна з шести сфер має стрілку, що йде від неї, що вказує на прямокутник, позначений протилежним знаком. У третьому склянці, позначеному «Розчин оцтової кислоти Слабка провідність», дві пари з'єднаних зелених сфер і дві окремі сфери, одна позначена плюсом і одна мічена мінус показані підвішені між двома прямокутниками. Сфера з позначкою плюс має стрілку, яка вказує на прямокутник з міткою мінус, а мінус мічена сфера має стрілку, що вказує на прямокутник з позначкою плюс. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Розчини неелектролітів, таких як етанол, не містять розчинених іонів і не можуть проводити електрику. Розчини електролітів містять іони, що дозволяють проходити електрику. Провідність розчину електроліту пов'язана з силою електроліту.

Іонні електроліти

Вода та інші полярні молекули притягуються до іонів, як показано на малюнку\(\PageIndex{2}\). Електростатичне тяжіння між іоном і молекулою з диполем називається іонно-дипольним притяганням. Ці атракціони відіграють важливу роль в розчиненні іонних сполук у воді.

На діаграмі показано вісім фіолетових сфер з позначкою K верхнього індексу плюс і вісім зелених сфер з позначкою C l верхнього індексу мінус змішаний і торкається біля центру діаграми. За межами цього скупчення сфер знаходяться сімнадцять скупчень з трьох сфер, які включають в себе одну червону і дві білі сфери. Червона сфера в одному з цих кластерів позначена O. Біла сфера позначена H. Дві зелені C l надрядкові мінус сфери оточені трьома червоними і білими скупченнями, причому червоні сфери ближче до зелених сфер, ніж білі сфери. Один з K надіндексів плюс фіолетові сфери оточений чотирма червоними і білими скупченнями. Білі сфери цих скупчень найбільш близькі до фіолетових сфер. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Оскільки хлорид калію (KCl) розчиняється у воді, іони гідратуються. Полярні молекули води притягуються зарядами на іоні K ⁺ і Cl ⁻. Молекули води перед іонами і за ними не показані.

Коли іонні сполуки розчиняються у воді, іони в твердому тілі відокремлюються і рівномірно диспергуються по всьому розчину, оскільки молекули води оточують і сольватують іони, зменшуючи сильні електростатичні сили між ними. Цей процес являє собою фізичну зміну, відому як дисоціація. У більшості умов іонні сполуки будуть дисоціювати майже повністю при розчиненні, і тому вони класифікуються як сильні електроліти.

Розглянемо, що відбувається на мікроскопічному рівні, коли ми додаємо твердий KCl у воду. Іонно-дипольні сили притягують позитивний (водневий) кінець полярних молекул води до негативних іонів хлориду на поверхні твердого тіла, і вони притягують негативні (кисневі) кінці до позитивних іонів калію. Молекули води проникають між окремими іонами K ⁺ і Cl ⁻ і оточують їх, зменшуючи сильні внутрішньоіонні сили, які зв'язують іони разом, і дозволяючи їм рухатися в розчин як сольватние іони, як показано на малюнку. Зменшення електростатичного тяжіння дозволяє незалежний рух кожного гідратованого іона в розбавленому розчині, що призводить до збільшення розладу системи, оскільки іони змінюються з фіксованого та впорядкованого положення в кристалі до рухомих і набагато більш невпорядкованих станів у розчині. Це підвищений розлад відповідає за розчинення багатьох іонних сполук, включаючи KCl, які розчиняються при поглинанні тепла.

В інших випадках електростатичні атракціони між іонами в кристалі настільки великі, або іонно-дипольні сили притягання між іонами і молекулами води настільки слабкі, що збільшення розладу не може компенсувати енергію, необхідну для поділу іонів, і кристал нерозчинний. Таке стосується таких сполук, як карбонат кальцію (вапняк), фосфат кальцію (неорганічний компонент кістки) та оксид заліза (іржа).

ковалентні електроліти

Чиста вода є надзвичайно поганим провідником електроенергії, оскільки вона лише дуже слабо іонізована - лише близько двох з кожних 1 мільярда молекул іонізуються при 25° C. вода іонізується, коли одна молекула води віддає протон іншій молекулі води, утворюючи іони гідронію та гідроксиду.

\[\ce{H_2O (l)+ H_2O (l) \rightleftharpoons H_3O^{+} (aq) + OH^{−} (aq)} \label{11.3.2}\]

У деяких випадках ми виявляємо, що розчини, отримані з ковалентних сполук, проводять електрику, оскільки молекули розчинених речовин хімічно реагують з розчинником, утворюючи іони. Наприклад, чистий хлористий водень - це газ, що складається з ковалентних молекул HCl. Цей газ не містить іонів. Однак, коли ми розчиняємо хлористий водень у воді, ми виявляємо, що розчин є дуже хорошим провідником. Молекули води відіграють важливу роль у утворенні іонів: Розчини хлористого водню в багатьох інших розчинниках, таких як бензол, не проводять електрику і не містять іонів.

Хлористий водень є кислотою, і тому її молекули вступають в реакцію з водою, переносячи іони Н ⁺ з утворенням іонів гідронію (\(H_3O^+\)) і хлоридних іонів (Cl ⁻):

Ця реакція по суті 100% повна для HCl (тобто це сильна кислота і, отже, сильний електроліт). Так само слабкі кислоти та основи, які реагують лише частково, утворюють відносно низькі концентрації іонів при розчиненні у воді і класифікуються як слабкі електроліти. Кислоти та основи будуть вивчені далі в наступному розділі.

Еквіваленти

Концентрації іонних розчинених речовин іноді виражаються в одиницях, званих еквівалентами (Eq). Один еквівалент дорівнює 1 моль позитивного або негативного заряду. Таким чином, 1 моль/л Na ⁺ (aq) також становить 1 екв/л, оскільки натрій має 1+ заряд. 1 моль/л розчин іонів Ca ² ⁺ (aq) має концентрацію 2 екв/л, оскільки кальцій має 2+ заряд. Розбавлені розчини можуть бути виражені в міліеквівалентах (МеК) —наприклад, плазма крові людини має загальну концентрацію близько 150 ммоль/л.