Властивості розчинників електролітів - властивості іонів

Електролітична дисоціація солей та лугів.

 

    Розпад електролітів на іони під час розчинення у воді або розплавлення називається електлолітичною дисоціацією.

    Розглянемо розчинення у воді такої, наприклад, іонної сполуки, як хлорид натрію. Іони постійно здійснюють невеликі теплові коливання, але удержуються у вузлах кристалічної решітки, оскільки притягуються протилежно зарядженими іонами.

    Як відомо, в молекулі води, зв’язки між атомами водню і атомом кисню валентні, полярні. Електронні пари, що зв’язують атоми зміщені від атому водню до атома кисню. Тому на атомах водню зосереджений частковий позитивний заряд, а на атомі кисню - негативний. Зв’язки кожного атома водню з киснем у молекулі води утворюють між собою, тому центри позитивний і негативних зарядів у молекулі не збігаються. Якщо врахувати лише взаємну перпендикулярність осей електронних хмар, утворених р-електр. атомів, то кут між зв’язками, що розглядаються становить 90⁰. Насправді такий кут 105⁰. Одна з причин збільшення кута взаємне відштовхування однойменно заряджених атомів водню один від одного. Полярну молекулу води зображають у вигляді диполя, позначаючи заряди на полюсах знаками "+" і "-".

    Коли кристал сам занурюють у воду, молекули води притягуються до іонів на поверхні кристала до позитивно заряджених іонів - своїми негативними полюсами, а до негативно заряджених іонів - позитивними полюсами.

    Якщо іон відривається від поверхні кристала, він являється оточеним молекулами води, які притягуються до нього. Ці молекули води утворюють гідратну оболонку іона, що складається з 5 - 7, а то й більшої кількості молекул.

Іон оточений гідратною оболонкою називається гідратованим.

Отже, розчинення у воді твердої речовини з іонною кристалічною решіткою супроводжується виділенням теплоти в тому випадку, коли сума енергії гідратації всіх іонів у кристалі більша від енергії, необхідної для розривання зв’язків між іонами. Властивості їхні помітно відрізняються від властивостей гідратованих іонів. У безводному сульфаті міді CuCO₄ негідровані іони Cu²⁺ i SO₄^2- безбарвні, але від розчинення солі у воді іони Cu²⁺ гідратуються і забарвлюють в голубий колір. Воду, яка виходить з кристалів, називають кристалізаційною водою, а речовини, що містять кристалізаційну воду, називають кристалогідратами.

Поведінку електролітів у водному розчині вперше пояснив у 1887 році шведський вчений С.Арреніус. Розроблена ним теорія дістала назву " теорія

електролітичної дисоціації ".

 

 

Електролітична дисоціація кислот.

 

    Між атомами в молекулах кислот, наприклад, соляної HCl, сірчаної H₂SO₄, азотної HNO₃, фосфорної H₃PO₄ існують полярні ковалентні зв’язки.

    Розглянемо поведінку у водному розчині молекули хлороводню HCl. Зв’язок між атомами в цій молекулі полярний ковалентний. Оскільки хлор більш електронегативний елемент, ніж водень, то електр. пара, що з’єднює атоми в молекулі, зміщена до атома хлору. Внаслідок цього в атомі хлору виникає частковий негативний заряд, а на атомі водню - позитивний заряд. Тому до молекули хлороводню у водному середовищі приєднуються диполі, тобто молекули води.

    До атома водню HCl в молекулі, молекули води притягуються своїм негативним полюсом з боку атома кисню. У зовн. елект. шарі цього атома є дві неподілені електронні пари. Атом кисню, що підійшов, віддає цьому атому одну з двох своїх вільних електр. пар. В результаті взаємодії молекул хлороводню з молекулами води, електр. пара, якою атоми водню й хлору зв’язані між собою, майже повністю переходять до хлору. Зв’язок між ними стає іонним, і молекула HCl дисоціює на іони H⁺; Cl^-.

    Іон H⁺ відрізняється від всіх інших іонів тим, що в них немає електронної оболонки, вони є протонами. Тому іони приєднуються до молекул води за рахунок електронної пари зовнішнього шару атома кисню.

 

                                    H                     H

                                        ..                    ..

                                 H: O: +H⁺ ® [H: O: H ]⁺

                                       ..                    ..

 

    Утворюється іон гідрокоснію H₃O⁺ в якому є 3 ковалентні зв’язки водню з киснем. Ці зв’язки утворилися по-різному: два внаслідок спарювання електронів атома кисню з елект. атомів водню, а третій - приєднання протона до вільної електронної хмари атома кисню.

    В останньому випадку атом кисню молекули води дає для утворення ковалентного зв’язку з протоном не один, а пару електронів: його називають донором, а протон - акцептором.

    Механізм такого утворення ковалентного зв’язку називається донорно-акцепторним.

    Отже, у водному розчині молекули хлороводню дисоціюють на два гідратованих іони - іон гідроксонію H₃O⁺ і хлорид-іон Cl^-_.

 

Рівняння дисоціації кислот, лугів і солей

 

    Електролітичну дисоціацію виражають рівняннями, як і будь-які інші хімічні реакції. Записуючи ці рівняння, звичайно не зазначають формул молекул води, які приєднуються до іонів, бо в хімічних реакціях електролітів вони не беруть участь. Рівняння дисоціації кислот записуються так:

 

HCl = H⁺ + Cl^-, або HCl + H2O = H₃O⁺ + Cl^-

H₂SO₄ = 2H+ + SO₄^2-

 

Розглянемо дисоціацію кислот (сірчаної) як багатоосновної детальніше. По суті процес відбувається ступінчасто. Іони водню відщеплюються від молекул не одночасно, а послідовно:

HCl = H⁺ + HSO₄^-, або HCl + H2O = H₃O⁺ + Cl^-

Аналогічно відбувається і дисоціація трьохосновної фосфорної кислоти.

 

H₃PO₄ = H⁺ + H₂PO₄^-, H₂PO₄^- =H⁺ + HPO₄^2-, HPO₄^2- = H⁺ + H₂PO₄^-3

 

Отже, кислоти дисоціюють на іони водню і іони кислотного залишку. Дисоціація кислот за першим ступенем відбувається значно сильніше, ніж за другим. Це пов’язано тим, що позитивно заряджений іон H⁺ відщеплюється від нейтральної молекули кислоти легше, ніж від негативно заряджених іонів.

Дисоціація лугів і солей відбувається в одну стадію. Внаслідок їх дисоціації утворюються іони металу та гідроксид іон.

NaOH = Na⁺ + OH^-

Ba(OH)₂ = Ba²⁺ + 2OH^-

Солі дисоціюють на іони металу і іони кислотного залишку?

 

NaNO₃ = Na⁺ NO₃^-; Al₂ (SO₄)₃ = 2Al³⁺ + 3SO₄^2-

 

Оскільки молекула не кристал будь-якої речовини в цілому електронейтральні, та загальна сума зарядів позитивно заряджених іонів, що утворюються в результаті дисоціації, завжди дорівнюють загальній сумі зарядів негативно заряджених іонів.

Властивості розчинників електролітів - властивості іонів.

 

Хлор отруйний, а в міру посолена їжа, крім користі, нашому організму не приносить. Але проста речовина Na складається з атомів натрію, а проста речовина хлор - з молекул Cl₂. Розчин кухонної солі містить не атоми натрію N²⁺, а молекули хлору, а хлорид - іони  Cl^-.

Хімічна активність вільного натрію визначається наявністю в його атомах валентного електрона, що його віддає натрій, реагуючи з водою, з виділенням водню і перетворенням в іон Na⁺.

Хімічна активність Cl₂ зокрема отруйність пов’язана з тим, що його молекули порівняно легко розпадаються на атоми, а в атомі хлору не вистачає одного електрону у зовнішньому електронному шарі до його завершення.

У хлорид іонах, що містяться в кристалах кухонної солі, і її розчині, зовнішній електричний шар заповнений. Тому хімічні властивості хлорид-іонів, зовсім інший, ніж властивості вільного хлору: хлорид іони Cl^- на відміну від молекул хлору, безбарвні, не мають ніякого запаху і неотруйні.

    Кислоти дисоціюють на іони водню і іони кислотного залишку. Отже розчини всіх кислот містять один і той самий вид іонів - іон  H⁺.

Луги дисоціюють на іони металу і гідроксид -іони. Тому розчини всіх лугів містять один і той самий вид іонів гідроксид-іони OH^-. Леткість розчинів лугів на дотик, дія на лакмус, роз’їдання рослинний і тваринних тканин - все це властивості не молекул лугів, а гідроксид-іонів, які є у їхніх розчинах.

Гідратовані іони Na⁺, K⁺, Cl^-, NO₃^-, SO₄^2- безбарвні, а тому і розчини солей безбарвні NaCl, KCl, NaNO₃, KNO₃, Na₂SO₄.

Є й забарвлені іони. Будь-яка розчинна сіль міді, розчиняючись у достатній кількості води, утворює розчини однаково голубого кольору.?? цього гідратованого забарвлення - гідратовані іони Cu²⁺.

Позитивно заряджені іони називаються катіонами, а негативно заряджені іони - аніонами.

Сильні електроліти у водних розчинах практично цілком розпадаються на іони. Тому всі властивості водних розчинів сильних електролітів -це властивості іонів, що в них містяться.

    У розчинах слабких електролітів, крім іонів, є недисоційовані молекули. Вони зумовлюють індивідуальні властивості таких розчинів, тобто властивості тільки одного електроліту.