Тема урока: Механизмы электролитической диссоциации для веществ с различными типами химической связи.
Электролитическая диссоциация
Понятие электролитов впервые ввел М. Фарадей в первой половине XIX века. Согласно его определению:
Электролитами называют вещества, водные растворы или расплавы которых проводят электрический ток.
Опустим в стакан с водой графитовые стержни, присоединенные к источнику тока и связанные цепью с электрической лампой. При включении рубильника никаких видимых изменений не происходит. Это означает, что вода не проводит электрический ток, то есть не является электролитом. Внесем в стакан с водой поваренную соль – хлорид натрия. Лампа ярко вспыхивает.Наличие проводимости свидетельствует о появлении в растворе заряженных частиц. Направленное движение частиц наблюдается также в расплавах солей (например, электролиз расплава хлорида натрия позволяет получать металлический натрий, выделяющийся на катоде и газообразный хлор на аноде).
Атомы и группы атомов, несущие электрический заряд, называют ионами. Положительно заряженные ионы называют катионами, отрицательно заряженные ионы - анионами.
Проведя дополнительный опыт, можно убедиться, что сухая поваренная соль не проводит электрический ток. Таким образом, можно сделать вывод, что свободные ионы появляются в расплаве и при растворении соли в воде.
Рассмотрим на атомарном уровне, что происходит с кристаллом поваренной соли при попадании его в воду. Соль – вещество с ионной кристаллической решеткой, в узлах которой расположены катионы натрия и анионы хлора. Они удерживаются друг около друга благодарясилам электростатического притяжения.
Молекула воды представляет собой диполь, так как на атомах водорода локализованы частичные положительные заряды, на атоме кислорода – отрицательный.
В молекуле воды атомные орбитали кислорода находятся в гибридизации (то есть имеет форму тетраэдра), причем две недостающие орбитали из четырех образованы двумя парами электронов (электронная конфигурация внешнего уровня кислорода). Поэтому между связями в молекуле воды угол составляет примерно 104 градуса, то есть молекула имеет не линейную, а угловую форму. Благодаря этому молекула воды является диполем, и ее дипольный момент не равен нулю.
Для объяснения свойств водных растворов электролитов С. Аррениус в 1887 году предложил теорию электролитической диссоциации. Эта теория объясняла, почему растворы некоторых веществ проводят электрический ток, но не отвечала на вопрос, почему одни вещества являются электролитами, а другие - нет. Более подробно особенности поведения веществ в растворах описал Д.И. Менделеев, который экспериментально доказал, что при растворении электролитов происходит химическое взаимодействие между молекулами растворенного вещества и молекулами растворителя. Сущность процесса электролитической диссоциации было объяснено на основании природы химической ионной связи.
Согласно теории Д.И. Менделеева, электролитическая диссоциация молекул электролитов протекает в три стадии. Рассмотрим эти стадии на примере поваренной соли NaCl.
1. При попадании в воду, молекулы воды окружают кристаллы поваренной соли, притягиваясь к катионам натрия своими отрицательно заряженными концами, а к анионам хлора - положительно заряженными. Эта стадия называется ассоциация.
2. За счет электростатического взаимодействия, молекулы воды "растаскивают" молекулу электролита, связь между ионами в кристалле ослабевает и разрывается, то есть происходит непосредственно диссоциация (распад) молекул.
3. Диполи воды полностью окружают образовавшиеся при распаде ионы, катионы и анионы, образуя гидратную оболочку. Гидратированные ионы переходят в раствор.
В неводных растворах в качестве диполей может выступать не вода, а другой полярный растворитель, например, этанол. В таком случае ионы окружены молекулами растворителя (образуют сольватную оболочку) и называются сольватированными.
Ионы в водном растворе окружены молекулами воды, то есть имеют гидратную оболочку, и называются гидратированными.
Таким образом, описанный выше процесс можно описать уравнением:
Где - гидратированные ионы, т.е. ионы, окруженные молекулами воды.
В большинстве случаев этот процесс записывают упрощенно, не указывая гидратированное состояние ионов:
Процесс распада вещества на ионы при растворении в воде или расплавлении называют электролитической диссоциацией. Электролитическая диссоциация состоит из двух одновременно протекающих обратных процессов: из диссоциации (распад молекул на ионы) и ассоциации (процесс образования молекул из ионов). Поэтому в уравнении электролитической диссоциации всегда ставят знак. В водных растворах диссоциации подвержены кислоты, сильные основания и растворимые соли: При диссоциации происходит резкое увеличение числа частиц в растворе – это отличает растворы электролитов от растворов неэлектролитов. Именно поэтому растворы солей замерзают при более низкой температуре, чем растворы неэлектролитов. Особенно сильно гидратирован ион водорода. Он находится в водных растворах в виде иона гидроксония или более сложных ионов.
Основные положения Теории электролитической диссоциации
Согласно теории электролитической диссоциации С. Аррениуса и Д. И. Менделеева можно сформулировать основные положения теории электролитической диссоциации(ТЭД):
При растворении в воде (или расплавлении) электролиты распадаются на положительно и отрицательно заряженные ионы (подвергаются электролитической диссоциации).
Электролитическая диссоциация - процесс обратимый (обратная реакция называется ассоциацией).
Основываясь на теории электролитической диссоциации, можно дать следующие определения для основных классов соединений:
Кислотами называются электролиты, при диссоциации которых в качестве катионов образуются только ионы водорода. Например,
HCl → H++ Cl-;
CH3COOH ↔ H++ CH3COO-.
Основность кислоты определяется числом катионов водорода, которые образуются при диссоциации. Так, HCl, HNO3– одноосновные кислоты, H2SO4, H2CO3– двухосновные, H3PO4, H3AsO4– трехосновные.
Основаниями называют электролиты, при диссоциации которых в качестве анионов образуются только гидроксид-ионы. Например,
KOH → K+ + + OH-,
NH4OH ↔ NH4++ OH-.
Растворимые в воде основания называются щелочами.
Кислотность основания определяется числом его гидроксильных групп. Например, KOH, NaOH – однокислотные основания, Ca(OH)2– двухкислотное, Sn(OH)4– четырехкислотное и т.д.
Солями называют электролиты, при диссоциации которых образуются катионы металлов (а также ион NH4+) и анионы кислотных остатков. Например,
CaCl2→ Ca2++ 2Cl-,
NaF → Na++ F-.
Электролиты, при диссоциации которых одновременно, в зависимости от условий, могут образовываться и катионы водорода, и анионы – гидроксид-ионы называются амфотерными. Например,
H2O ↔ H++ OH-,
Zn(OH)2 ↔ Zn2++ 2OH-,
Zn(OH)2 ↔ 2H++ ZnO22-или
Zn(OH)2+ 2H2O ↔ [Zn(OH)4]2-+ 2H+.
Домашняя работа п.6 стр.
Тест «Электролиты и неэлектролиты»
Часть А
1. Неэлектролит – это вещество
1) раствор и расплав которого не проводит электрический ток;
2) которое не проводит электрический ток;
3) раствор (но не расплав) которого не проводит электрический ток;
4) расплав (но не раствор) которого не проводит электрический ток.
2. Электролитическая диссоциация – это
1) разложение вещества водой;
2) взаимодействие ионов электролита с водой;
3) распад электролита на ионы при растворении в воде;
4) разрушение кристаллической решетки вещества при контакте с водой
3. Почему при растворении серной кислоты в воде происходит разогревание раствора?
1) энергия поглощается при образовании связей между молекулами воды и ионами ;
2) растворение – процесс всегда экзотермический;
3) при гидратации ионов энергии выделяется больше, чем затрачивается на диссоциацию;
4) энергия выделяется при образовании связей между молекулами воды и ионами.
4. Отрицательно заряженный ион это –
1) электрон;
2) анион;
3) протон;
4) катион.
5. Формулой 1s22s22p63s23p6 (2e-, 8e-, 8e-) описывается строение
1) атома серы;
2) иона серы S‑;
3) атома неона;
4) иона серы S2-.
6. Неэлектролит – это
1) хлорид меди(II);
2) сульфат меди(II);
3) соляная кислота;
4) этиловый спирт.
7. Лампочка прибора для изучения электропроводимости не загорится, когда его электроды опущены в
1) твердый гидроксид натрия;
2) раствор гидроксида натрия;
3) соляную кислоту;
4) раствор сульфата меди(II).
8. Установите соответствие между способностью вещества проводить электрический ток и его названием (ответ приведите в виде сочетания букв и цифр, например А1Б2).
СПОСОБНОСТЬ ВЕЩЕСТВА ПРОВОДИТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
А) Электролит
Б) Неэлектролит
НАЗВАНИЕ ВЕЩЕСТВА
1) Хлорид калия
2) Глюкоза
3) Железо
4) Гидроксид кальция
9. В растворе электролита под действием электрического поля к катоду движутся следующие ионы (выбранные номера запишите в порядке возрастания).
1) Cu2+
2) NH4+
3) Al3+
4) Cl-
5) NO3-