Почему растворы проводят электрический ток — узнайте

Электролиты и неэлектролиты — что это такое в химии

Из физики известно, что одни материалы способны проводить электричество, а другие — нет. Исходя из способности веществ в растворенном или расправленном состоянии проводить ток, в химии вещества подразделяют на электролиты и неэлектролиты.

Электролиты — вещества, растворы или расплавы которых способны проводить электрический ток.

Наряду с электролитами, существуют растворы, не проводящие электрический ток. К таковым относят раствор сахара, спирта, глюкозы и некоторых других веществ.

Неэлектролиты — вещества, растворы или расплавы которых не способны проводить электрический ток.

Согласно исследованиям шведского ученого Сванте Аррениуса, который занимался изучением электропроводности растворов разных веществ, причина электропроводности кроется в наличии в растворе ионов, образованных в результате растворения электролита в воде. К данному заключению ученый пришел в 1877 году. Распад электролита на ионы называют электролитической диссоциацией.

С. Аррениус являлся сторонником физической теории растворов и не принимал во внимание взаимодействие электролита с водой. По мнению ученого, растворы содержали свободные ионы. Русскими химиками И.А. Каблуковым и В.А. Кистяковским было доказано, что в первую очередь частицы растворенного вещества вступают в контакт с водой, что сопровождается образованием гидратов — соединений веществ с водой. Далее следует распад на ионы. По мнению русских ученых, растворы включают в себя не свободные, а гидратированные ионы, окруженные молекулами воды. Таким образом, можно сформулировать более подробное определение для электролитов.

Электролиты — вещества, растворы или расплавы которых проводят электричество с помощью ионов, на которые они распадаются под действием полярных молекул растворителя или высокой температуры.

Коллигативные свойства растворов, примеры

Коллигативные свойства раствора неэлектролита — свойства, определяемые концентрацией частиц в растворе, которые практически не зависят от природы неэлектролита.

В растворе электролита могут содержаться как ионы, так и недиссоциированные молекулы. По этой причине растворы электролитов характеризуются степенью диссоциации. Параметр обозначают греческой буквой

Степень диссоциации представляет собой отношение количества электролита, который распался на ионы, к общему количеству растворенного вещества.

Показатель выражают в долях единицы либо в процентах. Электролиты обладают различной степенью диссоциации. Таким образом, степень диссоциации определяется природой электролита. Наряду с этим, характеристика зависит от концентрации. При разбавлении раствора степень диссоциации будет увеличиваться.

В зависимости от степени электролитической диссоциации электролиты классифицируют на две группы.

Сильные электролиты, растворяясь в воде, почти полностью диссоциируют на ионы. Данные электролиты обладают степенью диссоциации, стремящейся к единице в разбавленных растворах.

Слабые электролиты при растворении в воде почти не диссоциируют на ионы. Данные вещества характеризуются степенью диссоциации, стремящейся к нулю.

Степень диссоциации, факторы, которые на нее влияют

Понять основные принципы процесса электролитической диссоциации можно на практическом примере. Представим, что в пробирке находятся несколько кристаллов хлорида натрия. Необходимо рассмотреть, в течение какого времени кристаллическое вещество растворится при добавлении воды, и какие явления при этом наблюдаются.

Хлорид натрия является веществом, обладающим ионной кристаллической решеткой. Кристалл NaCl включает в себя иноны.

При контакте с водой рассматриваемый кристалл распадается на структурные единицы в виде ионов. В процессе происходит распад ионных химических связей в кристаллической решетке и некоторых водородных связей между молекулами воды. При попадании в воду ионы взаимодействуют с ее молекулами. В случае хлорид-ионов можно наблюдать электростатическое притяжение дипольных (полярных) молекул воды (их участков с положительным зарядом) к аниону хлора. Взаимодействие катионов натрия с молекулами воды сходно с процессом образования донорно-акцепторной связи, поскольку электронная пара атома кислорода смещается к вакантным орбиталям иона натрия. Молекулы воды, окружающие ионы, составляют гидратную оболочку ионов. Диссоциацию хлорида натрия можно описать с помощью уравнения электролитической диссоциации (молекулы воды из гидратных оболочек ионов в них обычно не указывают):

NaCl = Na+ + Cl-

В процессе растворения в воде соединений с ковалентной полярной связью молекулы воды окружают полярную молекулу, сначала растягивая связь в ней и увеличивая ее полярность, а затем, разрывая ее на ионы, которые гидратируются и равномерно распределяются в растворе. К примеру, соляная кислота диссоциирует на ионы таким образом:

HCl = H+ + Cl-

В процессе расплавления во время нагрева кристалла ионы начинают совершать интенсивные колебания в узлах кристаллической решетки. Данный процесс приводит к разрушению этой решетки и образованию расплава, который содержит ионы.

Процесс электролитической диссоциации определяет величина степени диссоциации вещества.

Степень диссоциации сильных электролитов примерно равна 1.

В процессе диссоциации фосфата натрия образуются ионы

Диссоциация в случае слабых электролитов, включая многоосновные кислоты и многокислотные основания, протекает поэтапно и является обратимой.

Таким образом, в процессе диссоциации слабых электролитов распадается на ионы только малая часть исходных частиц.

Молекулярное, полное и сокращенное ионные уравнения

Молекулярное уравнение является записью реакции с использованием молекул или формульных единиц.

Молекулярные уравнения часто используют при описании химических реакций и процессов.

Полные ионные уравнения записывают с помощью разложения электролитов на ионы.

Сокращенное ионное уравнение записывают с помощью сокращения идентичных ионов из левой и правой части.

Таким образом, подобно примерам из математики, остается только то, что нельзя сократить.

Если не выполняется хотя бы одно из этих условий, реакция не протекает.

Электроли́т — вещество, которое проводит электрический ток вследствие диссоциации на ионы, что происходит в растворах и расплавах, или движения ионов в кристаллических решётках твёрдых электролитов. Примерами электролитов могут служить кислоты, соли, основания и некоторые кристаллы (например, иодид серебра, диоксид циркония). Электролиты — проводники второго рода, вещества, электропроводность которых обусловлена подвижностью положительно или отрицательно заряженных ионов.

Исходя из степени диссоциации все электролиты делятся на две группы.

Между этими двумя группами чёткой границы нет, одно и то же вещество может в одном растворителе проявлять свойства сильного электролита, а в другом — слабого.

В естественных науках

Термин электролит широко используется в биологии и медицине. Чаще всего подразумевают водный раствор, содержащий те или иные ионы (напр., «всасывание электролитов» в кишечнике).

Слово электролит широко используется в науке и технике, в разных отраслях оно может иметь различающийся смысл.

Многокомпонентный раствор для электроосаждения металлов, а также травления и др. (технический термин, например электролит золочения).

В источниках тока

В электролитических конденсаторах в качестве одной из обкладок используется электролит. В качестве второй обкладки — металлическая фольга (алюминий) или пористый, спечённый из металлических порошков блок (тантал, ниобий). Диэлектриком в таких конденсаторах служит слой оксида самого металла, формируемый химическими методами на поверхности металлической обкладки.

Активности в электролитах

Для добавления растворов электролитов принято пользоваться моляльной (m) концентрацией (для разбавленных водных растворов m (в моль/кг) численно близка к с (молярной концентрации, в моль/л)). Значит,   где   — коэффициент активности i-го иона.

Проводниками электрического тока являются не только металлы и полупроводники. Электрический ток проводят растворы многих веществ в воде. Чистая вода не проводит электрический ток, то есть, в ней нет свободных носителей электрических зарядов. Не проводят электрический ток и кристаллы поваренной соли (хлорида натрия). Но если растворить соль в воде, раствор будет хорошим проводником электрического тока. Растворы солей, кислот и оснований, которые способны проводить электрический ток называются электролитами.

Прохождение электрического тока через электролиты обязательно сопровождается выделением вещества в твёрдом или газообразном состоянии на поверхности электродов. Выделение вещества на электродах показывает, что в электролитах электрические заряды переносят заряженные атомы вещества – ионы.

По степени диссоциации (способности распадаться на ионы) электролиты можно разделить на сильные и слабые. Степень диссоциации сильных электролитов в растворах равна единице: они полностью диссоциируют, не зависимо от концентрации раствора (щёлочи, соли, некоторые кислоты). Степень диссоциации слабых электролитов в растворах меньше единицы: они диссоциируют не полностью. И с ростом концентрации раствора степень диссоциации уменьшается (вода, ряд кислот и оснований).

Четкой границы между этими двумя группами нет: одно и то же вещество может в одном растворителе проявлять свойства сильного электролита, а в другом – слабого.

Закон электролиза. Электрохимический эквивалент вещества

Электролизом называют физико-химический процесс, протекающий на электродах, погруженных в электролит, под действием электрического тока: на электродах выделяются составные части растворённых веществ или других веществ, которые являются результатом вторичных реакций.

В проводящих жидкостях упорядоченное движение ионов происходит в электрическом поле, созданном электродами – проводниками, которые соединены с полюсами источника электрической энергии. При электролизе положительный электрод называется анодом, а отрицательный – катодом. Отрицательные ионы – анионы – движутся к аноду, положительные ионы – катионы – к катоду. На аноде отрицательные ионы отдают лишние электроны (окислительная реакция). На катоде положительные ионы получают недостающие электроны (восстановительная реакция).

М. Фарадей на основе экспериментов с различными электролитами установил, что при электролизе масса m выделившегося вещества пропорциональна прошедшему через электролит заряду ∆q  или силе тока I и времени ∆t прохождения тока:

m = k∆q = kI∆t

Данное уравнение называется законом электролиза, коэффициент k, зависящий от выделяющегося вещества, называется электрохимическим эквивалентом вещества.

Проводимость жидких электролитов объясняется тем, что при растворении в воде нейтральные молекулы солей, кислот и оснований распадаются на отрицательные и положительные ионы. В электрическом поле ионы приходят в движение и создают электрический ток.

Существуют не только жидкие, но и твёрдые электролиты. Примером твёрдого электролита может служить стекло. В составе стекла имеются положительные и отрицательные ионы. В твёрдом состоянии стекло не проводит электрический ток, так как ионы не могут двигаться в твёрдом теле. При нагревании стекла ионы получают возможность перемещаться под действием электрического поля и стекло становится проводником.

Явление электролиза применяется на практике для получения многих металлов из раствора солей. С помощью электролиза для защиты от окисления или для украшения производится покрытие различных предметов и деталей машин тонкими слоями таких металлов, как хром, никель, серебро, золото.

Как известно, электрический ток — это направленное движение свободных электронов или ионов, т. е. заряженных частиц. В растворах электролитов, проводящих ток, за это отвечают свободные ионы.

В 1882 году шведский химик С. Аррениус при изучении свойств растворов электролитов обратил внимание, что они содержат больше частиц, чем было в сухом веществе. Например, в растворе хлорида натрия 2 моля частиц, а NaCl в сухом виде содержит лишь 1 моль.

Это позволило ученому сделать вывод, что при растворении таких веществ в воде в них появляются свободные ионы. Так были заложены основы теории электролитической диссоциации (ТЭД) — в химии она стала одним из важнейших открытий.

Электролитическая диссоциация — это процесс, в ходе которого молекулы электролитов взаимодействуют с водой или другим растворителем и распадаются на ионы. Она может иметь обратимый или необратимый характер. Обратный процесс называется моляризацией.

Благодаря диссоциации растворы электролитов обретают способность проводить ток. Сванте Аррениус не смог объяснить, почему разные вещества сильно отличаются по электропроводности, но это сделал Д. И. Менделеев. Он подробно описал процесс распада электролита на ионы, который объясняется его взаимодействием с молекулами воды (или другого растворителя).

Схема электролитической диссоциации: KA ⇄ K+ (катион) + A- (анион).

Уравнение диссоциации на примере хлорида натрия: NaCl ⇄ Na+ + Cl-.

Иногда можно встретить выражение «теория электрической диссоциации», но так говорить не стоит. В этом случае можно подумать, что распад молекул на ионы обусловлен действием электротока. На самом деле процесс диссоциации не зависит от того, проходит ток в данный момент через раствор или нет. Все, что нужно — это контакт электролита с водой (растворителем).

Механизм электролитической диссоциации

При контакте с водой или другими растворителями диссоциации подвержены все вещества с ионной связью. Также распадаться на ионы могут вещества с ковалентной полярной связью, которая под действием воды переходит в ионную, а после разрушается.

Механизм диссоциации электролитов удобно рассматривать на примере хлорида натрия NaCl. Его кристаллическая решетка образована катионами натрия Na+ и анионами хлора Cl-, которые удерживаются вместе благодаря ионной связи. При растворении в воде каждый кристалл хлорида натрия окружают ее молекулы.

Отметим, что молекулы воды — это диполи. На одном конце они несут атомы водорода с частичным положительным зарядом, а на другом — атомы кислорода с частичным отрицательным.

Соответственно, атомы кислорода притягиваются к катионам натрия, а атомы водорода — к анионам хлора. Эта сила электростатического притяжения ослабляет и в итоге разрывает ионную связь между натрием и хлором. Вещество диссоциирует на ионы.

После распада хлорида натрия образовавшиеся ионы Na+ и Cl- окружают молекулы воды, создавая гидратную оболочку. Ионы с такой оболочкой называют гидратированными.

Если вместо воды был использован другой растворитель — например, этанол, его молекулы создают сольватную оболочку. В этом случае ионы называются сольватированными.

Хотя электролитическая диссоциация происходит независимо от действия электротока, между этими явлениями есть связь. Чем выше способность вещества распадаться на ионы при взаимодействии с растворителем, тем лучше оно проводит электроток. По такому критерию известный физико-химик М. Фарадей выделил электролиты и неэлектролиты.

Электролиты — это вещества, которые после диссоциации на ионы в растворах и расплавах проводят электроток. Обычно в их молекулах ионные или полярные ковалентные связи.

Неэлектролиты — это вещества, которые не распадаются на ионы в растворах и расплавах, а значит, не обладают проводимостью в растворенном виде. Для них характерны ковалентные неполярные или слабополярные связи.

В зависимости от того, сколько молекул диссоциировало на ионы, вещество может быть сильным или слабым электролитом. Этот показатель называется степенью диссоциации, его измеряют от 0 до 1 либо в процентах.

Степень диссоциации — это отношение количества распавшихся на ионы молей вещества к исходному количеству молей.

Молекулы сильных электролитов необратимо распадаются на ионы, поэтому в уравнениях нужно ставить знак =. Реакции со слабыми электролитами обратимы, поэтому ставится знак ⇄.

Ступенчатая диссоциация

В отдельных случаях вещества расщепляются на ионы в несколько этапов или ступеней. Например, такая реакция характерна для основных и кислых солей, многоосновных кислот. Ступенчатая диссоциация может включать два этапа и более, при этом на первой ступени концентрация ионов всегда больше, чем на последующих.

Пример 1

Ортофосфорная кислота диссоциирует в 3 ступени. На первой из них наблюдается максимальная концентрация дигидрофосфат-ионов, а на последней остается минимальное количество фосфат-ионов (диссоциация почти не идет). Данная кислота не относится к сильным электролитам, поэтому реакция обратима.

Суммарное уравнение: H3PO4 ⇄ 3H+ + PO43-.

Пример 2

Кислая соль Ca(HCO3)2 диссоциирует в 3 ступени. Поскольку это сильный электролит, на первом этапе реакция необратима. На втором этапе распадается на ионы слабый кислотный остаток HCO3- и слабый электролит, поэтому реакция обратима.

Суммарное уравнение: Ca(HCO3)2 + 2H2O = Ca2+ + 2H3O+ + 2CO32-.

Как диссоциируют разные группы веществ

Приводит к образованию катионов водорода H+ и отрицательно заряженных кислотных остатков:

H2SO4 = 2H+ + SO42-

HNO2 ⇄ H+ + NO2-

Диссоциация оснований

Происходит с образованием гидроксильных групп OH- и положительно заряженных ионов металла. Сильные электролиты в растворах диссоциируют полностью, а слабые — ступенчато и обратимо.

NaOH = Na+ + OH-

Диссоциация солей

Ведет к образованию катионов металлов (или катиона аммония) и отрицательно заряженных кислотных остатков.

Средние соли в растворах полностью распадаются в одну ступень.

Na3PO4 = 3Na + PO43-

Кислые соли распадаются ступенчато. На первом этапе отделяются катионы металла, а на втором — катионы водорода.

Основные соли также диссоциируют в две ступени. На первой отделяются кислотные остатки, а за ними — гидроксильные группы OH-.

С помощью молекулярных уравнений можно показать состав вещества с разложением его на молекулы. Полные ионные уравнения отражают реакцию диссоциации, т. е. расщепление молекул на ионы. Но в таком виде расписывают только сильные электролиты.

Рассмотрим это на примере взаимодействия между нитратом свинца и серной кислотой.

Сульфат свинца PbSO4 мы не будем раскладывать на ионы, поскольку это слабый электролит.

Сократить это выражение очень просто — нужно убрать из обеих частей одинаковые ионы, которые не изменились в ходе реакции.

Как составить уравнение диссоциации

В левой части пишем молекулярную формулу вещества, а в правой — формулы образовавшихся катионов и анионов. Между ними ставим знак =, если это сильный электролит, или знак ⇄ — если средний или слабый. После этого нужно проставить коэффициенты перед ионами и проверить сумму катионов и анионов (она всегда равна 0).