Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

11.2: Електроліти

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    22516

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

    Цілі навчання
    • Визначте і наведіть приклади електролітів
    • Розрізняють фізичні та хімічні зміни, які супроводжують розчинення іонних і ковалентних електролітів
    • Пов'язати міцність електроліту з силами привабливості розчинника

    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.\(\PageIndex{1}\)).

    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.
    На цій схемі зображені три окремих мензурка. Кожен має провід, підключений до розетки. У кожному випадку провід веде від стіни до мензурка 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 позначкою 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.

    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.

    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.
    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.

    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 −):

     

    Показано хімічне рівняння. Зліва пов'язані два атоми водню, кожен з одним тире до центрального атома кисню зліва і нижче символу кисню, який має дві пари точок, зверху і праворуч від атома. Знак плюса показаний праворуч, потім атом водню, пов'язаний з лівою стороною атома хлору одним тире з трьома парами крапок, зверху, праворуч і під символом елемента. Стрілка вказує на продукти, які є трьома атомами водню, пов'язаними одиночними тире з центральним атомом кисню, показаним у дужках із верхнім індексом плюс. Атом кисню має одну пару точок над символом елемента. Далі йдуть плюс і C l верхній індекс мінус. Цей символ оточений чотирма парами точок, зверху і знизу і зліва і праворуч від символу елемента.

    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. Читач, можливо, побажає переглянути обговорення сильних і слабких кислот, наведених у попередньому розділі цього тексту про класи реакцій та стехіометрії.

    Резюме

    Речовини, які розчиняються у воді з утворенням іонів, називаються електролітами. Електроліти можуть бути ковалентними сполуками, які хімічно реагують з водою з утворенням іонів (наприклад, кислот і основ), або вони можуть бути іонними сполуками, які дисоціюють з утворенням їх складових катіонів і аніонів при розчиненні. Розчиненню іонної сполуки сприяють іонно-дипольні атракціони між іонами сполуки і полярними молекулами води. Розчинні іонні речовини і сильні кислоти повністю іонізуються і є сильними електролітами, тоді як слабкі кислоти і підстави іонізуються лише в невеликій мірі і є слабкими електролітами. Неелектроліти - це речовини, які не виробляють іонів при розчиненні у воді.

    Глосарій

    дисоціація
    фізичний процес, що супроводжує розчинення іонної сполуки, в якій складові іони сполуки розчиняються і диспергуються по всьому розчину
    електроліту
    речовина, що виробляє іони при розчиненні у воді
    іонно-дипольний атракціон
    електростатичне тяжіння між іоном і полярною молекулою
    неелектролітний
    речовина, що не виробляє іони при розчиненні у воді
    сильний електроліт
    речовина, яка дисоціює або повністю іонізується при розчиненні у воді
    слабкий електроліт
    речовина, яка іонізується лише частково при розчиненні у воді