Электролитическая диссоциация. Сильные и слабые электролиты

Цели урока

• Записывать уравнения электролитической диссоциации
• Классифицировать вещества на сильные и слабые электролиты
• Понимать причины различной степени диссоциации

Зачем это нужно на ЕГЭ

Теория электролитической диссоциации — фундамент для заданий 6 (свойства неорганических веществ, включая реакции в растворах), 21 (гидролиз, среда раствора) и 30 (реакции ионного обмена). Знание того, какие вещества являются сильными электролитами, а какие — слабыми, определяет правильность записи ионных уравнений и прогнозирования направления реакций.

Теория

Электролиты и неэлектролиты

Электролиты — вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток. Проводимость обеспечивается наличием свободных ионов.

К электролитам относятся:

• Соли ($NaCl$, $K_2SO_4$, $CuCl_2$)
• Кислоты ($HCl$, $H_2SO_4$, $HNO_3$, $CH_3COOH$)
• Основания ($NaOH$, $KOH$, $NH_3 \cdot H_2O$)

Неэлектролиты — вещества, растворы которых не проводят ток (нет ионов):

• Большинство органических веществ (сахар, глюкоза, спирты, углеводороды)
• Газы ($O_2$, $N_2$, $CO_2$ сам по себе)
• Некоторые неорганические вещества в молекулярном состоянии

Электролитическая диссоциация

Электролитическая диссоциация — процесс распада электролита на ионы при растворении в воде или при плавлении.

Механизм диссоциации в воде: молекулы воды (диполи) ориентируются вокруг ионов или полярных молекул электролита, ослабляют связи между ними и «растаскивают» на отдельные гидратированные ионы.

Диссоциация ионных соединений

Ионные кристаллы уже состоят из ионов. При растворении молекулы воды гидратируют ионы и разрушают кристаллическую решётку:

$$NaCl \rightarrow Na^+ + Cl^-$$ $$K_2SO_4 \rightarrow 2K^+ + SO_4^{2-}$$ $$CaCl_2 \rightarrow Ca^{2+} + 2Cl^-$$ $$Al_2(SO_4)_3 \rightarrow 2Al^{3+} + 3SO_4^{2-}$$

Диссоциация ковалентных полярных соединений

Молекулы с полярной ковалентной связью (кислоты) ионизируются под действием воды — связь переходит из ковалентной в ионную:

$$HCl + H_2O \rightarrow H_3O^+ + Cl^- \quad (\text{упрощённо: } HCl \rightarrow H^+ + Cl^-)$$ $$HNO_3 \rightarrow H^+ + NO_3^-$$

Диссоциация кислот, оснований, солей

Кислоты диссоциируют с образованием катионов водорода $H^+$:

• $HCl \rightarrow H^+ + Cl^-$
• $H_2SO_4 \rightarrow 2H^+ + SO_4^{2-}$ (сильная кислота, полная диссоциация)
• $H_3PO_4 \rightleftharpoons H^+ + H_2PO_4^-$ (слабая, диссоциация по первой ступени)

Основания диссоциируют с образованием гидроксид-ионов $OH^-$:

• $NaOH \rightarrow Na^+ + OH^-$
• $Ca(OH)_2 \rightarrow Ca^{2+} + 2OH^-$
• $NH_3 \cdot H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$ (слабое основание)

Соли диссоциируют на катионы металла (или $NH_4^+$) и анионы кислотного остатка:

• $Na_2CO_3 \rightarrow 2Na^+ + CO_3^{2-}$
• $FeCl_3 \rightarrow Fe^{3+} + 3Cl^-$
• $(NH_4)_2SO_4 \rightarrow 2NH_4^+ + SO_4^{2-}$

Многоосновные кислоты: ступенчатая диссоциация

Многоосновные кислоты диссоциируют ступенчато — по одному протону за раз:

$$H_3PO_4 \rightleftharpoons H^+ + H_2PO_4^- \quad (\text{I ступень, в наибольшей степени})$$ $$H_2PO_4^- \rightleftharpoons H^+ + HPO_4^{2-} \quad (\text{II ступень, значительно слабее})$$ $$HPO_4^{2-} \rightleftharpoons H^+ + PO_4^{3-} \quad (\text{III ступень, практически не идёт})$$

Каждая последующая ступень идёт всё слабее, так как отрыв протона от всё более отрицательного иона требует больше энергии.

Сильные и слабые электролиты

Степень диссоциации ($\alpha$) — доля молекул электролита, распавшихся на ионы:

$$\alpha = \frac{n(\text{распавшихся})}{n(\text{общее})} \cdot 100\%$$

Сильные электролиты ($\alpha \rightarrow 100\%$)

Диссоциируют полностью (в уравнениях пишут $\rightarrow$):

Кислоты: $HCl$, $HBr$, $HI$, $HNO_3$, $H_2SO_4$, $HClO_3$, $HClO_4$, $HMnO_4$

Основания (щёлочи): $LiOH$, $NaOH$, $KOH$, $RbOH$, $CsOH$, $Ca(OH)_2$, $Sr(OH)_2$, $Ba(OH)_2$

Соли: практически все растворимые соли

Слабые электролиты ($\alpha < 30\%$)

Диссоциируют частично, в растворе существует равновесие (пишут $\rightleftharpoons$):

Кислоты: $H_2CO_3$, $H_2SO_3$, $H_2S$, $HF$, $HNO_2$, $H_3PO_4$, $H_2SiO_3$, $CH_3COOH$, $H_2C_2O_4$ и почти все органические кислоты

Основания: $NH_3 \cdot H_2O$ (гидрат аммиака), нерастворимые гидроксиды ($Fe(OH)_3$, $Cu(OH)_2$, $Zn(OH)_2$ и др.)

Вода: $H_2O \rightleftharpoons H^+ + OH^-$ (степень диссоциации $\sim 10^{-7}\ \%$)

Неэлектролиты: сахар, спирты (не ионизируются вообще)

Факторы, влияющие на степень диссоциации

1. Природа электролита: определяющий фактор. Ионные соединения — сильные электролиты. Ковалентные полярные — зависит от полярности связи.
2. Природа растворителя: чем полярнее растворитель, тем лучше диссоциация. Вода — отличный ионизирующий растворитель.
3. Концентрация: при разбавлении степень диссоциации слабого электролита возрастает (больше молекул воды на каждую молекулу электролита).
4. Температура: при нагревании степень диссоциации, как правило, увеличивается.

Примеры

Пример 1. Запись уравнений диссоциации

Задача: Запишите уравнения диссоциации: а) $Na_3PO_4$; б) $H_2SO_3$ (по ступеням); в) $Fe(OH)_2$.

Решение: а) $Na_3PO_4 \rightarrow 3Na^+ + PO_4^{3-}$ (сильный электролит — соль) б) $H_2SO_3 \rightleftharpoons H^+ + HSO_3^-$ (I ступень) $HSO_3^- \rightleftharpoons H^+ + SO_3^{2-}$ (II ступень) — слабая кислота в) $Fe(OH)_2$ — нерастворимый гидроксид, слабый электролит (практически не диссоциирует)

Пример 2. Определение электролита

Задача: Из перечисленных веществ выберите сильные электролиты: $H_2CO_3$, $KOH$, $C_2H_5OH$, $BaCl_2$, $NH_3 \cdot H_2O$, $HNO_3$.

Решение:

• $H_2CO_3$ — слабая кислота
• $KOH$ — сильный (щёлочь)
• $C_2H_5OH$ — неэлектролит
• $BaCl_2$ — сильный (растворимая соль)
• $NH_3 \cdot H_2O$ — слабое основание
• $HNO_3$ — сильный (сильная кислота)

Ответ: $KOH$, $BaCl_2$, $HNO_3$.

Вопросы для самопроверки

1. Почему раствор сахара не проводит электрический ток, а раствор поваренной соли — проводит?
2. Запишите уравнения ступенчатой диссоциации $H_3PO_4$. Почему каждая следующая ступень идёт слабее?
3. Является ли $H_2SO_4$ сильным электролитом по обеим ступеням?
4. Как изменится степень диссоциации уксусной кислоты при: а) разбавлении; б) нагревании?
5. Почему нерастворимые основания считаются слабыми электролитами?

Краткий конспект

• Электролиты — растворы проводят ток (соли, кислоты, основания)
• Диссоциация — распад на ионы в воде или расплаве
• Сильные электролиты ($\alpha \approx 100\%$): $HCl$, $HNO_3$, $H_2SO_4$, все щёлочи, все растворимые соли
• Слабые электролиты ($\alpha < 30\%$): $H_2CO_3$, $H_2S$, $HF$, $H_3PO_4$, $NH_3 \cdot H_2O$, $CH_3COOH$, $H_2O$
• Многоосновные кислоты диссоциируют ступенчато (I ступень > II > III)
• При разбавлении $\alpha$ слабого электролита возрастает
• Кислоты дают $H^+$, основания — $OH^-$, соли — катионы металла + анионы кислотного остатка

Что изучать дальше

Диссоциация открывает путь к нескольким важным темам: урок 18 «Среда водных растворов. Водородный показатель pH», урок 19 «Гидролиз солей», урок 20 «Реакции ионного обмена». Все эти темы основаны на представлении о растворах как системах свободных ионов.