.
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+
iSO4
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 H2
SO4
, азотної HNO3
, фосфорної H3
PO4
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 ]+
. . . .
УтворюєтьсяіонгідрокосніюH3
O+
вякомує 3 ковалентнізв’язкиводнюзкиснем. Цізв’язкиутворилисяпо-різному: двавнаслідокспарюванняелектроніватомакиснюзелект. атомівводню, атретій - приєднанняпротонадовільноїелектронноїхмариатомакисню.
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 H3
O+
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 +
H2
O =
H3
O+
+
Cl-
H2
SO4
= 2H+ + SO4
2-
Розглянемодисоціаціюкислот (сірчаної) якбагатоосновноїдетальніше. По суті процес відбувається ступінчасто. Іони водню відщеплюються від молекул не одночасно, а послідовно:
HCl =
H+
+
HSO4
-
, або
HCl +
H2
O =
H3
O+
+
Cl-
Аналогічно відбувається і дисоціація трьохосновної фосфорної кислоти.
H3
PO4
=
H+
+
H2
PO4
-
,
H2
PO4
-
=
H+
+
HPO4
2-
,
HPO4
2-
=
H+
+
H2
PO4
-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-
Оскількимолекуланекристалбудь-якоїречовинивціломуелектронейтральні, тазагальнасумазарядівпозитивнозарядженихіонів, щоутворюютьсяврезультатідисоціації, завждидорівнюютьзагальнійсумізарядівнегативнозарядженихіонів.
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.
. 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
,
Na2
SO4
.
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.
Реакції іонного обміну.
Кожна хімічна властивість, що проявляється сильними електролітами в розчинах - це властивість іонів, на які він розпався. А тим часом реакції обміну між електролітами у водному розчині ми раніше зображали молекуларними рівняннями, не враховуючи того, що в цих реакціях беруть участь не молекули електроліту, і іони, на які він дисоційований.
Змішуючи розчини хлориду кальцію і нітрату срібла, ми спостерігаємо утворення осаду хлориду срібла AgCl, а в розчині залишається нітрат кальцію.
CaCl2
+ 2AgNO3
= 2 AgCl
¯
+ Ca (NO3
)2
Обидвівихіднісолі - сильніелектролітиіврозчиніповністюдисоційовані: CaCl2
- наіониCa2+
ііониCl-
, AgNO3
на іони Ag+
i NO3
-
. ОдназсолейCa(NO3
)2
лишаєтьсяврозчинідисоційованоюнаіониCa2+
i NO3
-
Ca2+
+ 2Cl-
+Ag+
+ 2NO3
-
= 2AgCl
¯
+ Ca2+
+ 2NO3
-
Такий запис називають повним іонним рівнянням.
2Ag+
+ 2Cl-
= 2AgCl
¯
Ag+
+ 2 Cl-
= AgCl
¯
Змішуючирозчинихлоридубаріютасульфатунатрію, миспостерігаємовипаданняосадусульфатубарію
BaCl2
+ Na2
SO4
= BaSO4
¯
+ 2NaCl
Повне рівняння реакції записуємо так:
Ba2+
+ 2Cl-
+ 2Na+
+ SO4
2-
= BaSO4
¯
+ 2Na+
+ 2Cl-
Виключивши з рівняння знаки іонів Na+
iCl-
, що не брали участі в реакції, дістанемо скорочене іонне рівняння.
Таким чином, загальна властивість сірчаної кислоти й усіх її розчинних солей утворювати при взаємодії з солями барію осад, що не розчиняються у воді, ні в кислотах є властивістю іонів кислотного залишку SO4
2-
Від вливання в розчин солі вугільної кислоти, наприклад карбонату натрію, розчину сильної, наприклад, сірчаної кислоти в результаті реакції обміну теж повинні утворитися сіль - сульфат натрію і вугільна кислота H2
CO3
.
Розчин наче закипає наповнюючись бульбашками вуглекислого газу, що в нього виділяється.
CO2
Na2
Co3
+ H2
SO4
= Na2
SO4
+ H2
CO3
H2
O
Реакціїобмінуврозчинахелектролітіввідбуваєтьсятількивтихвипадках, коливрезультатіїхуутворюєтьсямалодисоціюючаречовинааборечовинаякавиходитьзрозчинуувиглядіосадучигазу.
2NaCl + Ca(NO3
)2
= 2NaNO3
+ CaCl2
Виразимо в іонній формі:
2Na+
+ 2Cl-
+ Ca2+
+ 2NO3
-
= 2Na+
+ 2NO3
-
+ Ca2+
+ 2Cl-
Отже, усіреакціїобмінуврозчинахелектролітіввідбуваютьсявнапрямізв’язуванняіонів.
Проте не слід думати. Що реакції, які відбуваються без зміни ступенів окислення хімічних елементів, належать тільки реакції обміну.
Гідроліз солей.
Як вам відомо, солі утворюються в результаті нейтралізації кислот і основ. Можна припустити, що розчин солей на відміну від розчинів кислот і лугів, будуть нейтральними, тобто в них концентрації іонів H+
iOH-
однакові.
Нальємо в одну пробірку розчину хлориду натрію, в другу - карбонату натрію, і в третю - хлориду алюмінію. До кожного з названих розчинів дольємо розчину лакмусу. Виявляється, що з трьох розчинів тільки розчин хлориду натрію нейтральний. Розчин кабонату натрію лужний, а хлориду алюмінію - кислий. Чому ж у розчині карбонату натрію більше іонів OH-
ніж OH+
. а в розчині хлориду алюмінію навпаки?
Розглянемо процеси, що відбуваються в розчині карбонату натрію. Він - сильний електроліт, повністю дисоціює в розчині на іони натрію Na+
і іони кислотного залишку вугільної кислоти CO3
2-
:
Na2
CO3
= 2Na+
+ CO3
2-
МолекуливодипритягуютьсядоіонівNa+
іCO3
2-
, алеприпритяганнімолекуливодидоіонівNa+
хімічноївзаємодіїневідбувається, оскількигідроксиднатрію, щомігбиутворитисяврезультатітакоївзаємодії, - сильнаосноваівводномурозчиніповністюдисоційованінаіониNa+
i OH-
. Інакше завершується притягання молекул до води до іонів CO3
2-
.
Внаслідок взаємодії цих іонів і молекул води утворюються малодисоціюючі аніони HCO3
-
І нагромаджуються вугільні іони OH-
¬
CO3
2-
+ H2
O
®
HCO3
-
+ OH-
Врезультатіцьогопроцесувмістіонів OH-
урозчинізбільшується, чиміпояснюєтьсялужнареакціярозчинукарбонатунатрію.
Отже, в розчині карбонат натрію взаємодіє з молекулами води. Цей процес називається гідролізом
.
Гідроліз солі - це хімічна реакція обміну солі з водою, в результаті якої іони слабкої основи некислоти, що входять до складу солі, сполучаються із складовими частинами води - з іонами
OH-
і
OH+
.
Лужну реакцію має розчин будь-якої солі, утвореної сильною основою і слабкою кислотою, а кислу - має розчин будь-якої солі утворена ними.
Хлорид натрію в розчині не гідролізується, оскільки іони Na+
і Cl-
, що є в його водному розчині у взаємодію з водою не вступають. Тому він є нейтральним.
Здебільшого гідроліз солі відбувається оборотно, при чому взаємодію з водою вступає невелика кількість відповідних іонів.
Коли з водою взаємодіють багатозарядні катіони чи аніони багатоосновних кислот, сіль гідролізується з однією молекулою води.
Як за складом солі зробити висновок про можливість її гідролізу і реакцію розчину, що утворився?
Нерозчинні у воді солі, навіть утворені слабкими основами чи кислотами, практично негідролізуються.
Якщо сіль у волі розчиняється, то слід з’ясувати, чи є в її складі катіон, який відповідає слабкій основі, або аніон, що відповідає слабкій кислоті.
Візьмемо розчинну у воді сіль сульфат цинку SOZn
. Ця сіль утворена слабкою основою Zn(
OH)2
і сильною кислотою H2
SO4
.
Отже, в розчині іони Zn2+
взаємодіють з водою:
¬
Zn2+
+ H2
O
®
Zn(OH)+
+ H+
;
а іони SO4
2-
- ні.
В результаті гідролізу розчин сульфату цинку за рахунок іонів H+
матиме кислу реакцію.
І тому то, як солі, застосовують соду N2
CO3
і мило Na
або Ca
(натрієві калієві) солі слабких органічних кислот.