Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:А ты хочешь знать химию. Учебно-справочное пособие для старшеклассников и абитуриентов
.pdf
ществ воду обычно очищают перегонкой, т. е., нагревая, превращают её в пар, уходящий из ёмкости, в которой отстаются
растворённые в воде примеси. Затем пар охлаждают и он
опять превращается в воду — происходит конденсация па-
ров. Полученная таким методом перегнанная вода называется дистиллированной.
Перегонка — это способ очистки (разделения веществ),
состоящий из двух процессов: кипения (процесса, при котором происходит переход вещества из жидкого состояния в газообразное) и конденсации (процесса, при котором происходит переход вещества из газообразного состояния — паров в
жидкое).
Вопросы и задания:
1. Каково значение глаголов «растворить» и «раствориться»?
2. Каково прогностическое значение суффиксов «ени» и «ани»,
«ител», «ост»?
3. Что такое растворение?
4. Что такое растворитель?
5. Что такое растворимое вещество?
6. Что такое нерастворимое вещество?
7. Что такое раствор?
8. Что такое растворимость (два значения)?
9. Объясните, как вы понимаете следующие предложения:
— Вода растворяет многие вещества.
— Соль, сахар и многие другие вещества растворяются в воде.
— Вода — хороший растворитель.
— Растворимость разных веществ в воде различна.
10. Как изменяется растворимость веществ при повышении тем-
пературы?
11. Как зависит расворимость газов от температуры и давления?
12. Что такое насыщенный раствор?
13. Что такое ненасыщенный раствор?
14. Что такое разбавленный раствор?
15. Что такое концентрированный раствор?
16. Что такое массовая доля растворённого вещества в растворе?
17. Что такое взвесь и какие вещества её образуют?
18. Что такое суспензия? Приведите пример.
19. Что такое эмульсия? Приведите пример.
20. Что такое фильтровальная бумага?
21. Что такое кипение?
22. Что такое конденсация паров воды?
23. Что такое дистилированная вода и как её получают?
161
24. Задание: решите следующие задачи:
а) В растворе массой 50 г находится 5 г соли. Какова массовая доля
соли в этом растворе?
б) В 20 г воды растворили 5 г сахара. Какова массовая доля сахара
в этом растворе?
в) Имеется 300 г раствора с массовой долей сахара в нём 15%. Какова масса растворённого сахара?
г) Выпарили 150 г 15%-ного раствора сахара. Сколько сахара оказалось в чашке после выпаривания?
д) Сколько граммов соли понадобится для приготовления 500 г
10%-ного раствора соли?
е) К 60 г 10%-ного раствора соли добавили 40 г воды. Какова массовая доля соли в новом растворе?
ж) К 20%-ному раствору соли добавили 5 г соли. Масса раствора
стала равной 45 г. Какова массовая доля соли в новом растворе?
§ 2. Растворы электролитов
В первой половине XIX века, когда для исследования
свойств веществ стали применять электрический ток, обратили внимание на то, что водные растворы одних веществ проводят электрический ток, а растворы других веществ его не проводят. В дальнейшем английский физико-химик Майкл Фарадей (1791–1867) дал этим веществам названия соот вет ст венно: электролиты и неэлектролиты. Майкл Фарадей ввёл
и другие термины, которые мы используем в настоящее время:
электролиз, электрод, катод, анод, ион и др. Позже добавились сведения о проводимости расплавов электролитов, а поэтому в настоящее время используют следующие определения:
Электролиты — это вещества, расплавы и водные растворы которых проводят электрический ток.
К числу электролитов относят соли, щёлочи (вещества
с ионным типом химической связи) и кислоты (вещества
с сильно полярной ковалентной связью).
Неэлектролиты — это вещества, расплавы и водные
растворы которых не проводят электрический ток.
Примеры неэлектролитов: сахар, спирт, кислород и др. —
вещества с неполярной или малополярной химической связью.
В 1887 году шведский учёный Аррениус предложил тео-
рию электролитической диссоциации, сущность которой
162
сводится к следующему: электролиты при растворении их в
воде распадаются на положительно и отрицательно заряженные ионы. Название «ион», введённое М. Фарадеем, означает
в переводе с греческого «странствующий». Причину электропроводимости растворов электролитов объяснила теория Аррениуса наличием в растворах подвижных ионов.
Электрический ток в растворах электролитов — это
направленное движение ионов.
Напомним, что электрический ток — это направленное
движение заряженных частиц.
Электрический ток в металлах (проводниках I рода) — это
направленное движение электронов, электрический ток в растворах электролитов (проводниках II рода) — это направленное движение ионов.
Слово «диссоциация» — это запись русскими буквами
звуков слова «dissociation», что означает в переводе — распад. Диссоциация — электролитическая — от слова «элек-
тролит» поскольку такая диссоциация наблюдалась в растворах электролитов. Постараемся понять, как составлено определение электролитической диссоциации, по сути это просто
расшифровка слов.
Электролитическая диссоциация — это распад электролитов на ионы при их растворении в воде или при расплавлении.
Аррениус был сторонником физической теории растворов
(т. е. сторонником того, что при растворении происходит просто механический распад вещества на ионы) и не учитывал
взаимодействия растворённого вещества с растворителем, поэтому теория Аррениуса не могла объяснить причину распада
электролитов на ионы.
Химическое взаимодействие растворённого вещества с
водой, происходящее при растворении, было замечено, а затем изучено Д.И. Менделеевым (1834–1907) и легло в основу
разработанной им теории растворов. Её основная мысль примерно такова: растворение вещества в воде сопровождается
химическим взаимодействием между растворяемым веществом и водой (о чём свидетельствует выделение теплоты при
растворении в воде некоторых веществ). Образующиеся при
этом соединения Д.И. Менделеев назвал гидратами, а поэтому разработанная им теория получила название гидратной
теории растворов.
Объединил эти теории (физическую теорию Аррениуса
и химическую теорию Д.И. Менделеева русский химик
163
И.А. Каблуков (1857–1942). Он доказал, что растворение
элект ро литов в воде сопровождается их диссоциацией (распадом на ионы), но образовавшиеся ионы тут же подвергаются
гидратации (т. е. взаимодействию с водой). Следовательно,
растворение — это физико-химический процесс.
Причина того, что вода может растворять очень многие вещества обусловлена особым строением воды. Рассмотрим сначала строение внешнего энергетического уровня атома кислорода (2s
22p4
).
р-подуровень
s
Внешний энергетический уровень атома кислорода состоит из двух спаренных электронов на s-подуровне, двух спаренных электронов и двух неспаренных электронов на
р-подуровне. В образовании ковалентных связей с двумя атомами водорода участвуют два неспаренных р-электрона; три
ядра атомов молекулы воды (одного атома кислорода и двух
атомов водорода) образуют в пространстве равнобедренный
треугольник.
О
105°
H H
Угол между связями составляет 105°. Поскольку электроотрицательности атомов водорода и кислорода значительно
отличаются, то связи О–Н сильно поляризованы, т. е. электронная плотность смещена в сторону атома кислорода, и на
атомах водорода и кислорода имеются сравнительно высокие
заряды: на атоме кислорода–отрицательный (0,6–), а на каждом из атомов водорода — положительный (0,3+). Так как
полярные связи расположены под углом, то молекула воды в
целом также полярна, т. е. на ней имеется два полюса — положительный и отрицательный. Молекула воды — диполь
(ди — два, а поль — от слова полюс).
Известное ещё с древности положение «подобное раство-
ряется в подобном» следует понимать теперь так: лучше рас-
творяются друг в друге вещества, которые имеют одинаковый или близкий вид химической связи. Поскольку молекула
164
воды — это молекула с сильно полярной ковалентной связью, то в ней хорошо растворяются вещества с ионным видом
химической связи (соли, щёлочи) и с сильно полярной ковалентной химической связью (кислоты).
Рассмотрим механизм диссоциации веществ с ионным
видом химической связи.
Молекулы воды находятся в беспорядочном, хаотическом
движении. Как только кристалл электролита, например, кристалл хлорида натрия, попадает в воду, начинается взаимодействие этих двух веществ. Движение молекул воды, находящихся в непосредственной близости от кристалла изменяется — происходит ориентация молекул воды, т. е. их
движение получает определённое направление. К отрицательно заряженному хлорид-иону диполи воды оказываются направленными положительно заряженным концом, а к положительно заряженному иону натрия — отрицательным концом. Между ионами растворяемого вещества и диполями воды
действуют электростатические силы взаимного притяжения
между противоположно заряженными частицами. В результате ион-дипольного взаимодействия выделяется энергия, которая способствует разрыву ионных связей в кристалле и разрушению кристаллической решётки до ионов, т. е. происходит диссоциация и переход ионов в раствор.
Отделённые друг от друга ионы тотчас же вплотную окружаются полярными молекулами воды (диполями воды), которые взаимодействуют с ионами, т. е. происходит гидрата-
ция ионов, и образуются гидратированные ионы.
Хаотическое движение
молекул воды
(диполей)
Ориентация молекул
воды и гидратация ио-
нов хлорида натрия
165
Образование гидратиро-
ванных ионов — ионов
натрия и хлорид-ионов
Гидратация ионов — это взаимодействие ионов растворяемого вещества с молекулами воды, в результате
чего происходит образование гидратной оболочки, состоящей из одного или нескольких слоёв полярных молекул воды.
Гидратированные ионы — ионы, окружённые гидратной оболочкой.
Гидратированные ионы, имеющие противоположные заряды, могут взаимодействовать друг с другом. В растворе
ионы, также как и молекулы воды, совершают беспорядочное
движение. Но так как ионы движутся в растворе вместе с образовавшимися вокруг них гидратными оболочками, то сила
взаимодействия между противоположно заряженными ионами значительно уменьшена и они способны к самостоятельному существованию.
Исследование растворов различными методами показало,
что в водных растворах образуются гидраты — более или менее прочные соединения частиц растворённого вещества с молекулами воды в результате взаимодействия какой-то части
молекул воды гидратной оболочки с частицами растворённого вещества. Образование гидратов иногда настолько изменяет свойства растворяемого вещества, что может быть обнаружено прямым наблюдением. Например, безводный сульфат
меди СuSO
белого цвета, тогда как его раствор имеет голубую
4
окраску из-за присутствия в растворе гидратированных ионов меди, имеющих голубую окраску. Такую же окраску имеют разбавленные растворы и других солей меди — хлорида
меди CuCl
, нитрата меди Cu(NO3)2 из-за наличия в них гидра-
2
тированных ионов меди.
Иногда гидратная вода настолько прочно связана с растворённым веществом, что при выделении вещества из раствора
вода остаётся в составе его кристаллов, и в результате образуются кристаллогидраты.
Кристаллогидраты — это кристаллические вещества,
содержащие в своем составе воду. Вода, входящая в структу-
ру таких кристаллов, называется кристаллизационной. Состав кристаллогидратов выражают, обычно указывая при
формуле вещества число молекул воды, приходящееся на
одну его молекулу. Так, формула кристаллогидрата сульфата
меди (медного купороса) СuSO
.
гидраты: FeSO
7H
4
O, Na2SO
2
4
.
4
.
5H
O. Есть и другие кристалло-
10H
2
O, CuCl
2
2
.
2H
O и др.
2
166
Механизм диссоциации веществ
с сильно полярным видом ковалентной связи
В отличие от кристаллов соединения с ковалентной связью
не содержат ионов, они состоят из молекул. Как же происходит
диссоциация таких веществ?
Рассмотрим механизм диссоциации полярных соединений
на примере хлороводорода. При растворении хлороводорода в
воде происходит ориентация диполей воды вокруг растворённых молекул и их гидратация, вызывающая ещё большую поляризацию молекул хлороводорода. Полярная связь
между атомами водорода и хлора переходит в ионную. При
этом общая пара электронов целиком сдвигается к хлору, и
в результате происходит разрыв молекулы — диссоциа-
ция с последующим образованием гидратированных ионов.
Атом хлора превращается в гидратированный хлорид-ион, а
атом водорода — в гидратированный ион водорода.
Хаотическое движение
молекул воды (диполей)
Ориентация молекул
воды и гидратация мо-
лекул хлороводорода
Образование гидратиро-
ванных ионов — ионов
водорода и хлорид-
ионов
Как правило растворение вещества, протекающее с диссоциацией вещества, сопровождается изменением температуры
раствора.
Объясняется это тем, что, как указывалось выше, при рас-
творении протекают два процесса:
1. Физический процесс — механическое разрушение кри-
сталлической решётки (диссоциация — распад) до мельчайших частичек; на разрушение кристаллической решётки
требуется энергия, которая поступает из вне и происходит
охлаждение.
2. Химический процесс — взаимодействие молекул воды с
частицами растворённого вещества (гидратация); этот
167
процесс сопровождается выделением теплоты и происходит
разогревание.
Если в результате химического процесса — гидратации
выделяется больше энергии, чем её тратится на физический
процесс — разрушение кристаллической решётки вещества — диссоциацию, тогда растворение сопровождается ра-
зогреванием раствора, а если наоборот, т. е. на диссоциацию
требуется больше энергии, чем её выделяется при гидратации, то растворение сопровождается охлаждением раствора.
Так, при растворении серной кислоты в воде выделяется
так много теплоты, что какая-то часть воды может превратиться в пар, который, расширяясь, может выбросить кислоту из ёмкости. Поэтому следут помнить, что нельзя прили-
вать воду в кислоту; приливают серную кислоту в воду, и
кислота, как более тяжёлая жидкость (плотность кислоты
почти в два раза больше плотности воды) опускается вниз,
проходя через весь объём воды, и выделяющаяся теплота распределяется равномерно по всему объёму воды; но, даже, при-
ливая кислоту в воду надо помнить об осторожности и
приливать серную кислоту тонкой струйкой при постоянном помешивании.
Основные положения современной теории электролитической диссоциации следующие:
1. Все электролиты при растворении или при расплавлении распадаются (диссоциируют) на положительно и отрицательно заряженные ионы.
Ионы и атомы одних и тех же элементов отличаются друг
от друга как по строению, так и по свойствам.
Атом натрия Na
0
Ион натрия Na
1s22s22p63s1 1s22s22p
6
+
+11 + (–11) = 0 +11 + (–10) = +1
заряд общий заряд общий
ядра заряд ядра заряд
электронов электронов
Например, атомы натрия взаимодействуют с водой, выделяя из неё водород и образуя щёлочь, тогда как ионы натрия
не вытесняют водород из воды. Ионы хлора бесцветны, неядовиты, не имеют запаха, а атомы хлора образуют двухатомные
молекулы вещества — зеленовато-жёлтого ядовитого газа с
характерным резким запахом.
2. Если через раствор или расплав электролита пропускать
постоянный электрический ток, то положительно заряжен-
168
ные ионы (катионы) будут двигаться к отрицательно заряженному электроду — катоду. Отрицательно заряженные
ионы (анионы) будут двигаться к положительно заряженному электроду — аноду.
3. При диссоциации каждое вещество образует два вида
ионов: катион и анион. У оснований (щелочей) и солей катионами являются ионы металлов, а у кислот — ион водорода.
У кислот и солей анионами являются ионы кислотных остатков, а у щелочей — гидроксид-ион (табл. 15).
Таблица 15
При диссоциации каждый электролит образует два вида ионов
Название
класса
веществ
Кислота Азотная кислота HNO
Соль Сульфат калия K2SO
Щёлочь Гидроксид натрия NaOH Na+ ион натрия OH- гидроксид-ион
Формула электролита
(примеры) Катионы Анионы
H+ ион водорода NO
3
K+, K+ ионы калия SO
4
-
нитрат-ион
3
2-
сульфат-ион
4
4. Диссоциация — обратимый процесс: параллельно с распадом вещества на ионы (диссоциация) идёт процесс соединения ионов (ассоциация). Даже вещества с ионным видом химической связи в растворе могут образовать молекулы.
Теория электролитической диссоциации является одной
из основных теорий в неорганической химии и полностью согласуется с атомно-молекулярным учением и теорией строения атома.
§ 3. Уравнения диссоциации солей, оснований
и кислот. Основания, кислоты и соли в свете теории
электролитической диссоциации (ТЭД)
Число положительных и отрицательных ионов в растворе
может быть разное, но сумма всех положительных зарядов всегда равна сумме всех отрицательных зарядов, находящихся в
растворе, поэтому раствор электронейтрален. Эту мысль мы должны отразить в уравнении диссоциации любого электролита.
Валентность, степень окисления и заряд иона имеют
одно и то же цифровое значение. Например, у алюминия ва-
лентность равна равна III, степень окисления равна +3 и заряд иона равен 3+. Валентность кислотного остатка серной
кислоты — сульфата равна II и заряд сульфат-иона равен 2–.
169
Обратите внимание на то, что знаки (+) и (–) при обозначении
степени окисления ставят перед цифрой, а при обозначении
зарядов ионов эти же знаки ставят за цифрой.
Поскольку диссоциация — обратимый процесс в уравнениях электролитической диссоциации вместо знака равенства ставят знак обратимости — две стрелочки, указывающие реакции, идущие в противоположных направлениях.
Запишем уравнение диссоциации сульфата алюминия:
Al
(SO4)3 2Al3+ + 3SO
2
2–
4
Формула сульфата алюминия показывает, что в кристалле
на каждые два иона алюминия приходится три сульфат-иона,
а поэтому в растворе сульфата алюминия также на каждые
два иона алюминия (коэффициент 2 перед обозначением иона
алюминия) приходится три сульфат-иона (коэффициент 3 перед обозначением сульфат-иона); у двух катионов алюминия
шесть положительных зарядов и у трёх сульфат-ионов шесть
отрицательных зарядов (+6 + (–6)
= 0).
Запишем уравнения диссоциации нескольких кислот:
HCl
H+ + Cl
HNO3 H+ + NO
Н2SO4 2H+ + SO
-
–
3
2–
4
С. Аррениус считал, что кислота — это соединение, ко-
торое диссоциирует в водном растворе с отщеплением ионов
водорода. Отсюда ясно, почему кислоты имеют ряд общих
свойств. Кислый вкус, одинаковая окраска индикатора, выделение водорода при действии активных металлов — за все
эти свойства ответственны ионы водорода, образующиеся при
диссоциации кислот.
Во всех вышеприведённых уравнениях диссоциации кис-
лот мы записывали формулы ионов в упрощённом виде. Но
мы должны помнить, что при диссоциации образуются гидратированные ионы. Гидратированные ионы содержат как постоянное, так и переменное число молекул воды, прочно связанных с ионами. Примером гидрата постоянного состава может быть ион гидроксония Н
О+, образованный ионом
3
водорода, который удерживает одну молекулу воды. Ион гидроксония Н
О+ — самый прочный из гидратированных ио-
3
нов. Отсюда следует, что в растворах кислот присутствуют
ионы гидроксония, а не ионы водорода, и свойства растворов
кислот обусловлены свойствами ионов гидроксония. Но да-
лее будем записывать уравнения в упрощённом виде, не принимая во внимание образование ионов гидроксония. Меха-
170
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]