2. Электролитическая диссоциация

Электролиты и их диссоциация

Вещества, распадающиеся на ионы в расплавах или растворах и поэтому проводящие электрический ток, называются электролитами. Электролитами являются соединения с ионной или полярной связью – соли, кислоты, основания. Распад электролитов на ионы в водном растворе называют электролитической диссоциацией. С учетом особенностей диссоциации в водном растворе веществ различных классов могут быть даны их определения.

Кислоты – вещества, при диссоциации которых образуются катионы Н⁺ и анионы кислотных остатков. Основность кислот оценивается количеством ионов Н⁺ , способных отщепляться при диссоциации молекулы кислоты.

Основания – вещества, при диссоциации которых образуются анионы ОН^¯ и катионы металлов. Растворимые в воде основания называют щелочами.

Средние соли – вещества, при диссоциации которых образуются катионы металлов и анионы кислотных остатков.

Кислые соли – вещества, при диссоциации которых могут образовываться катионы металлов, водорода и анионы кислотных остатков.

Все электролиты делятся на сильные и слабые. Количественно силу электролитов оценивают по величине степени их диссоциации. Степень диссоциации электролита (α) – это отношение числа его молей (n), распавшихся в растворе на ионы, к общему числу молей (υ) растворенного вещества

α = %.

Степень диссоциации зависит от природы электролита, концентрации раствора и температуры. Она увеличивается с уменьшением концентрации и повышением температуры. В разбавленных растворах сильные электролиты диссоциируют практически полностью. В случае ионных соединений уже в процессе их растворения образуются ионы, которые и переходят в раствор, т.е. при любой концентрации такого раствора в нем содержатся только ионы. В растворах слабых электролитов возникает равновесие между недиссоциированными молекулами и образующимися при диссоциации ионами.

К числу сильных электролитов относятся практически все растворимые соли, многие кислоты (например, HCl, HNO₃, H₂SO₄) и растворимые основания (например, NaOH, KOH, Ca(OH)₂, Ba(OH)₂). Слабые электролиты, содержащие многозарядные ионы, диссоциируют ступенчато, по стадиям. При этом легче идет диссоциация по первой стадии.

Концентрацию электролита и концентрации образующихся при его диссоциации ионов принято выражать в моль/л.

Пример 1. Напишите уравнения электролитической диссоциации сильных электролитов: HNO₃, H₂SO₄, Ca(OH)₂, Fe(NO₃)₃.

Р е ш е н и е. HNO₃ H⁺+NO₃¯; Ca(OH)₂Ca²⁺+2OH¯;

H₂SO₄2H⁺+SO₄^2¯; Fe(NO₃)₃Fe³⁺+3NO₃^¯.

Пример 2. Напишите уравнения электролитической диссоциации слабых электролитов: H₂SO₃, H₃PO₄.

Р е ш е н и е. H₂SO₃H⁺+HSO₃¯; HSO₃¯H⁺+SO₃^2¯;

H₃PO₄H⁺+H₂PO₄¯; H₂PO₄¯H⁺+ HPO₄²¯; HPO₄²¯H⁺+ PO₄³¯.

Пример 3. Сколько ионов водорода и сколько молей ионов водорода образуется при полной диссоциации 2 моль серной кислоты?

Р е ш е н и е. Согласно уравнению диссоциации

из 2 моль H₂SO₄ образуется 4 моль ионов H⁺.

Учитывая, что в 1 моль вещества содержится 6*10²³ частиц (молекул, ионов), можно найти, какое число ионов содержится в 4 моль ионов H⁺.

В 1 моль вещества содержится 6*10²³ ионов

В 4 моль вещества содержится x ионов

Откуда (ионов H⁺).

Пример 4. Сколько молей ионов водорода образуется в растворе, содержащем 1 моль HNO₂, если степень диссоциации кислоты равна 2 %?

Р е ш е н и е. Определим, сколько молей кислоты продиссоциировало, приняв во внимание степень диссоциации кислоты.

1 моль HNO₂ составляет 100%

x моль HNO₂ составляет 2%

Откуда (моль).

Расчет можно провести, используя формулу:

α = (моль).

Из уравнения диссоциации



следует, что при диссоциации 0,02 моль HNO₂ образуется 0,02 моль ионов H⁺.

Пример 5. Вычислите концентрацию (в моль/л) ионов Cu²⁺ в 1,6%-ом растворе CuSO₄, приняв плотность раствора равной 1 г/см³.

Р е ш е н и е. Найдем массу сульфата меди, содержащегося в 1 л раствора, учитывая, что масса такого раствора равна 1000 г (1000 мл *1 г/мл):

в 100 г раствора содержится 1,6 г CuSO₄

в 1000 г раствора содержится x г CuSO₄

Откуда (г).

Это составит 0,1 моль CuSO₄ (16 г : 160 г/моль, где 160 г/моль – молярная масса CuSO₄). Из уравнения диссоциации CuSO₄ (соли в разбавленных растворах диссоциируют полностью)

следует, что при диссоциации 0,1 моль CuSO₄ образуется 0,1 моль ионов Cu²⁺.

Пример 6. Вычислите суммарное число молей ионов Fe³⁺ и NO₃¯, образующихся в 1 л раствора, который содержит 0,15 моль Fe(NO₃)₃.

Р е ш е н и е. Учитывая, что соли – сильные электролиты, согласно уравнению диссоциации

из 0,15 моль Fe(NO₃)₃ образуется 0,15 моль ионов Fe³⁺ и 0,45 моль ионов NO₃¯, что в сумме составит 0,6 моль ионов.

Пример 7. В 1 л раствора содержится 0,3 моль хлорида натрия и 0,1 моль фосфата калия. Сколько хлорида калия и фосфата натрия (в моль) необходимо взять, чтобы приготовить 1 л раствора такого же состава?

Р е ш е н и е. Из уравнений диссоциации солей NaCl и K₃PO₄

следует, что в 1 л раствора содержится по 0,3 моль ионов Na⁺, K⁺ и Cl^¯ и 0,1 моль ионов PO₄³¯.

Чтобы при замене солей число ионов не изменилось, в растворе должно содержаться, как следует из уравнений диссоциации

0,3 моль KCl и 0,1 моль Na₃PO₄.

2-1. Какие из веществ — поваренная соль, фосфорная кислота, водород, гидроксид натрия, сульфат калия, оксид азота (II), сернистая кислота, сахар – являются электролитами?

2-2. Какие из названных ниже веществ могут быть отнесены к сильным, какие — к слабым электролитам:

а) NaF, KCl, LiBr (ионные соединения); б) HCl, НСlO₄, H₂SO₄ (соединения с сильно полярными связями); в) Н₂СO₃, Be(ОН)₂, H₂S (соединения со слабо полярными связями); г) СН₄, N₂, О₂ (соединения с неполярными связями)?

*2-3. Как можно объяснить, что одно и то же вещество, растворенное в одном растворителе, диссоциирует, в другом — нет? В каком растворителе — а) водном (молекулы Н₂О полярны); б) бензольном (молекулы С₆Н₆ неполярны) —диссоциирует СuСl₂?

2-4. Почему не проводит электрический ток чистая вода?

*2-5. Почему жидкие НСl и SO₂ не проводят, а их водные растворы проводят электрический ток?

2-6. Какое из приведенных ниже уравнений отражает процесс электролитической диссоциации:

а) 2Н₂O= Н₂ + O₂;

б) Н₂O=Н⁺ + OН¯;

в) 2Н₂О + 2Na = 2NaOH + Н₂;

г) H⁺+OH¯=H₂O?

2-7. Какая из приведенных ниже схем наиболее полно отображает сущность процесса электролитической диссоциации бромоводородной кислоты:

а) НВr = Н⁺ + Вr¯;

б) НВr + Н₂O = Н₃O⁺+ Вr¯;

в) НВr + аН₂O  [Н₃O (Н₂O) п] ⁺ + [Вr (Н₂O) т]¯?

Какую схему наиболее часто используют?

2-8. Напишите уравнения диссоциации: а) сильных одноосновных кислот HI и НС1O₄; б) слабых одноосновных кислот HF и НСlO.

2-9. Напишите уравнения диссоциации в разбавленном растворе: а) сильных многоосновных кислот H₂SO₄, H₂SeO₄; б) слабых многоосновных кислот H₂S, Н₂СO₃. Почему диссоциация слабых кислот по каждой последующей стадии протекает в меньшей степени, чем по предыдущей?

2-10. Напишите уравнения диссоциации сильных оснований: NaOH и Sr(OH)₂.

*2-11. Как можно объяснить наличие амфотерных свойств у ряда гидроксидов? Как практически подтверждается амфотерный характер гидроксидов?

2-12. Напишите уравнения реакций, иллюстрирующих амфотерные свойства гидроксидов цинка и алюминия.

2-13. Как изменяются основные свойства гидроксидов элементов с увеличением их порядкового номе­ра: а) в периоде; б) в группе?

*2-14. Какое из приведенных ниже определений правильно? Средняя соль — это вещество, при диссоциации которого образуются: а) катионы водорода и анионы кислотного остатка; б) катионы металла и гидроксид-анионы; в) катионы водорода, металла и анионы кислотного остатка; г) катионы металла и анионы кислотного остатка.

2-15. Напишите уравнения электролитической диссоциации солей: а) хлорида алюминия; б) сульфата железа (III); в) карбоната калия; г) нитрата меди (II); д) фосфата натрия.

2-16. Напишите уравнения электролитической диссоциации кислых солей: а) гидросульфата натрия; б) гидросульфата магния; в) гидрокарбоната кальция; г) гидрокарбоната калия; д) дигидрофосфата калия; е) гидрофосфата натрия.

2-17. Напишите уравнения электролитической диссоциации основных солей: a) MgOHCl; б) A1(OH)₂NO₃; в) FeOHSO₄; г) (ZnOH)₂SO₄; д) CrOH(NO₃)₂; е) FeOHCl₂.

2-18. Расположите в ряд по мере увеличения числа ионов, образующихся при диссоциации 1 моль соли, формулы: a) Fe₂(SO₄)₃; б) FeCl₂; в) Fe(NO₃)₃.

2-19. В растворе какой из кислот одинаковой концентрации (моль/л) — серной или сероводородной, азотной или азотистой — содержится большее число ионов водорода?

*2-20. Чем объяснить, что при разбавлении концентрированной соляной кислоты водой электропроводность раствора первоначально повышается, а затем - понижается?

*2-21. Какие из перечисленных ниже фактов влияют на степень диссоциации электролитов: а) природа электролита; б) концентрация раствора; в) температура раствора; г) природа растворителя; д) атмосферное давление?

2-22. Сколько моль ионов ОН¯ образуется при полной диссоциации 0,05 моль Са(ОН)₂?

2-23. Сколько моль ионов SO₄^2¯ образуется при полной диссоциации 0,01 моль Fe₂(SO₄)₃?

2-24. Сколько моль ионов Н⁺ образуется в растворе, содержащем 0,001 моль НСlO, если степень диссоциации кислоты равна 1 %?

2-25. Сколько моль ионов Н⁺ образуется в растворе, содержащем 0,01 моль H₂S, если степень диссоциации сероводородной кислоты в растворе по первой ступени равна 0,3 % (диссоциацией по второй ступени пренебречь)?

2-26. Сколько моль ионов NO₃¯ образуется при полной диссоциации 0,01 моль Mg(NO₃)₂?

*2-27. Вычислите концентрацию ионов Na⁺ (в моль/л) в 1,17%-ом растворе NaCl, приняв плотность раствора равной 1 г/см³.

*2-28. Вычислите концентрацию ионов Сl¯ (в моль/л) в 1,14%-ом растворе MgCl₂, приняв плотность раствора равной 1 г/см³.

2-29. Вычислите суммарное число моль ионов Nа⁺ и SO₄^2¯, которые образуются в растворе, содержащем 1 моль Na₂SO₄.

2-30. Вычислите суммарное число моль ионов Н⁺ и HSO₃¯, которые образуются в растворе, содержащем 0,1 моль H₂SO₃. Степень диссоциации кислоты в растворе по первой ступени равна 40% (диссоциацией по второй ступени пренебречь).

*2-31. В 1 л раствора содержится 0,2 моль нитрата натрия и 0,1 моль сульфата калия. Сколько нитрата калия и сульфата натрия (в моль) необходимо взять, чтобы приготовить 1 л раствора такого же состава?

*2-32. В 1 л раствора содержится 0,1 моль хлорида калия и 0,05 моль карбоната натрия. Сколько хлорида натрия и карбоната калия (в моль) нужно взять, чтобы приготовить 1 л раствора такого же состава?

Ионные уравнения

Реакции в водных растворах электролитов являются реакциями между ионами. Уравнения таких реакций называют ионными уравнениями. При написании ионных уравнений формулы малодиссоциирующих, малорастворимых и газообразных веществ записывают в молекулярной форме, формулы хорошо растворимых и хорошо диссоциирующих в растворе веществ – в ионной форме. Реакции обмена в растворах электролитов протекают практически необратимо в сторону образования малодиссоциирующих (слабые электролиты), малорастворимых (выпадает осадок), газообразных (выделяется газ) веществ.

Пример. Напишите молекулярное и ионное уравнения реакции взаимодействия в растворе хлорида бария и сульфата натрия.

Р е ш е н и е. Молекулярное уравнение:

Стрелка при BaSO₄ указывает на то, что в водном растворе это соединение выпадает в осадок.

Напишем уравнение в ионной форме:

Ba²⁺+2Cl¯+2Na⁺+SO₄^2¯= BaSO₄+2Na⁺+2Cl¯.

Сократим в левой и правой частях уравнения формулы одинаковых ионов. Получим ионное уравнение:

Ba²⁺+SO₄^2¯= BaSO₄

Можно сразу записывать конечное ионное уравнение, минуя промежуточную стадию. Промежуточное уравнение называют полным ионным уравнением, конечное – сокращенным ионным уравнением.

2-33. Напишите ионные уравнения реакций, про­текающих с образованием труднорастворимых ве­ществ:

а) CuSO₄ + 2NaOH = Cu(OH)₂ + Na₂SO₄;

б) Al₂(SO₄)₃ + 3Са(OH)₂ = 2А1(OH)₃ + 3CaSO₄.

2-34. Напишите ионные уравнения реакций, про­текающих с образованием малодиссоциирующих ве­ществ:

а) NaNO₂ + HCl = HNO₂ + NaCl;

б) H₂SO₄ + 2NaOH = Na₂SO₄ + 2Н₂O.

2-35. Напишите ионные уравнения следующих реакций:

а) Сu(ОН)₂ + 2HNO₃ = Сu(NO₃)₂+2Н₂O;

б) Ba(OH)₂ + H₂SO₄ = BaSO₄ +2Н₂O;

в) Zn(OH)₂ + 2NaOH = Na₂ [Zn(OH)₄];

г) H₂SO₄+ 2КОН = K₂SO₄ + 2Н₂O.

2-36. Напишите молекулярные и ионные уравнения реакций, протекающих при сливании растворов: а) гидроксида калия и соляной кислоты; б) гидроксида лития и азотной кислоты; в) гидроксида кальция и серной кислоты.

2-37. Напишите молекулярные уравнения следующих реакций:

а) Ва²⁺ + СО₃²¯ = ВаСO₃;

б) Mg²⁺ + 2OН¯ = Mg (ОН)₂;

в) Ag⁺ + I¯ = AgI;

г) НСO₃¯+ Н⁺ = СO₂ + Н₂O;

д) Ba(OH)₂ + 2H⁺ = Be²⁺+2H₂O;

е) Zn+2H⁺ = Zn²⁺ + Н₂.

2-38. Закончите молекулярные и напишите ионные уравнения следующих реакций:

а) СаСO₃ + НС1; г) H₂S + NaOH;

б) Fe + H₂SO₄; д) SO₂ + KOH;

в) Zn (ОН)₂ + HNO₃; е) СO₂ + Са(OН)₂.

2-39. Закончите ионные и напишите молекулярные уравнения следующих реакций:

а) Сr³⁺ + ... Сr(ОН)₃; г) СO₃²¯ + ... СаСО₃;

б) Рb²⁺+ ... PbS; д) SO₄²¯ + ... SrSO₄;

в) Ag⁺+…AgCl; е) S^2¯ +... CuS.

2-40. Будут ли протекать в растворе следующие реакции обмена:

а) Са(NO₃)₂+ NaCl; г) Cu(NO₃)₂ + KOH;

б) ВаС1₂ + MgSO₄; д) NaOH + KCl;

в) K₂SO₄ + Ba(NO₃)₂; е) Са (ОН)₂ + НСl.