Свойства электролитов. Сильные и слабые электролиты. Электролиты - что такое?

Отличные проводники электрического тока — золото, медь, железо, алюминий, сплавы. Наряду с ними существует большая группа веществ-неметаллов, расплавы и водные растворы которых тоже обладают свойством проводимости. Это сильные основания, кислоты, некоторые соли, получившие общее название "электролиты". Что такое ионная проводимость? Выясним, какое отношение имеют вещества-электролиты к этому распространенному явлению.

Какие частицы переносят заряды?

Мир вокруг полон различных проводников, а также изоляторов. Об этих свойствах тел и веществ известно с глубокой древности. Греческий математик Фалес провел опыт с янтарем (на греческом — «электрон»). Потерев его о шелк, ученый наблюдал явление притяжения волос, волокон шерсти. Позже стало известно, что янтарь является изолятором. В этом веществе нет частиц, которые могли бы переносить электрический заряд. Хорошие проводники — металлы. В их составе присутствуют атомы, положительные ионы и свободные, бесконечно малые отрицательные частицы — электроны. Именно они обеспечивают перенос зарядов, когда пропускают ток. Сильные электролиты в сухом виде не содержат свободных частиц. Но при растворении и расплавлении происходит разрушение кристаллической решетки, а также поляризация ковалентной связи.

Вода, неэлектролиты и электролиты. Что такое растворение?

Отдавая или присоединяя электроны, атомы металлических и неметаллических элементов превращаются в ионы. Между ними в кристаллической решетке существует достаточно прочная связь. Растворение или расплавление ионных соединений, например, хлорида натрия, приводит к ее разрушению. В полярных молекулах нет ни связанных, ни свободных ионов, они возникают при взаимодействии с водой. В 30-х годах XIX века М. Фарадей обнаружил, что растворы некоторых веществ проводят ток. Ученый ввел в науку такие важнейшие понятия:

• ионы (заряженные частицы);
• электролиты (проводники второго рода);
• катод;
• анод.

Есть соединения – сильные электролиты, кристаллические решетки которых полностью разрушаются с освобождением ионов.

Существуют нерастворимые вещества и те, что сохраняются в молекулярном виде, например, сахар, формальдегид. Такие соединения называются неэлектролитами. Для них не характерно образование заряженных частиц. Слабые электролиты (угольная и уксусная кислота, гидроксид аммония и ряд других веществ) содержат мало ионов.

Теория электролитической диссоциации

В своих работах шведский ученый С. Аррениус (1859–1927) опирался на выводы Фарадея. В дальнейшем уточнили положения его теории русские исследователи И. Каблуков и В. Кистяковский. Они выяснили, что при растворении и расплавлении образуют ионы не все вещества, а только электролиты. Что такое диссоциация по С. Аррениусу? Это и есть разрушение молекул, которое приводит к появлению заряженных частиц в растворах и расплавах. Основные теоретические положения С. Аррениуса:

1. Основания, кислоты и соли в растворах находятся в диссоциированном виде.
2. Обратимо распадаются на ионы сильные электролиты.
3. Слабые образуют мало ионов.

Видео: §39, 9 кл. Диссоциация электролитов в водных растворах

Показателем степени диссоциации вещества (ее часто выражают в процентах) является соотношение числа молекул, распавшихся на ионы, и общего количества частиц в растворе. Электролиты являются сильными, если значение этого показателя свыше 30%, у слабых — менее 3%.

Свойства электролитов

Теоретические выводы С. Аррениуса дополнили более поздние исследования физико-химических процессов в растворах и расплавах, проведенные русскими учеными. Получили объяснение свойства оснований и кислот. К первым относят соединения, в растворах которых из катионов можно обнаружить только ионы металла, анионами являются частицы OH^–. Молекулы кислот распадаются на отрицательные ионы кислотного остатка и протоны водорода (H⁺). Движение ионов в растворе и расплаве — хаотичное. Рассмотрим результаты опыта, для которого потребуется собрать цепь, включить в нее угольные электроды и обыкновенную лампочку накаливания. Проверим проводимость растворов разных веществ: поваренной соли, уксусной кислоты и сахара (первые два – электролиты). Что такое электрическая цепь? Это источник тока и проводники, соединенные между собой. При замыкании цепи лампочка будет гореть ярче в растворе поваренной соли. Движение ионов приобретает упорядоченность. Анионы направляются к положительному электроду, а катионы — к отрицательному.

В этом процессе в уксусной кислоте участвует небольшое количество заряженных частиц. Сахар не является электролитом, не проводит ток. Между электродами в этом растворе окажется изолирующий слой, лампочка гореть не будет.

Видео: электролиты

Химические взаимодействия между электролитами

При сливании растворов можно наблюдать, как ведут себя электролиты. Что такое ионные уравнения подобных реакций? Рассмотрим на примере химического взаимодействия между хлоридом бария и нитратом натрия:

2NaNO₃ + BaCl₂ + = 2NaCl + Ba(NO₃)₂.

Формулы электролитов запишем в ионном виде:

2Na⁺ + 2NO^3– + Ba²⁺ + 2Cl^– = 2Na⁺ + 2Cl^– + Ba²⁺ + 2NO^3–.

Взятые для реакции вещества - сильные электролиты. В этом случае состав ионов не меняется. Химическое взаимодействие между растворами электролитов возможно в трех случаях:

1. Если один из продуктов является нерастворимым веществом.

Молекулярное уравнение: Na₂SO₄ + BaCl₂ = BaSO₄ + 2NaCl.

Запишем состав электролитов в виде ионов:

2Na⁺ + SO₄^2– + Ba²⁺ + 2Cl^– = BaSO_{4(белый осадок)} + 2Na⁺ 2Cl^–.

2. Одно из образовавшихся веществ — газ.

3. Среди продуктов реакции есть слабый электролит.

Вода — один из наиболее слабых электролитов

Химически чистая вода (дистиллированная) не проводит электрический ток. Но в ее составе есть небольшое количество заряженных частиц. Это протоны Н⁺ и анионы ОН^–. Диссоциации подвергается ничтожно малое число молекул воды. Существует величина — ионное произведение воды, которая является постоянной при температуре 25 °C. Она позволяет узнать концентрации Н⁺ и ОН^–. Преобладают ионы водорода в растворах кислот, гидроксид-анионов больше в щелочах. В нейтральных — совпадает количество Н⁺ и ОН^–. Среду растворов также характеризует водородный показатель (рН). Чем он выше, тем больше присутствует гидроксид-ионов. Среда является нейтральной при интервале рН близком к 6–7. В присутствии ионов Н⁺ и ОН^– изменяют свой цвет вещества-индикаторы: лакмус, фенолфталеин, метилоранж и другие.

Видео: Карбоновые кислоты - слабые электролиты

Свойства растворов и расплавов электролитов находят широкое применение в промышленности, технике, сельском хозяйстве и медицине. Научное обоснование заложено в работах ряда выдающихся ученых, объяснивших поведение частиц, из которых состоят соли, кислоты и основания. В их растворах протекают многообразные реакции ионного обмена. Они используются во многих производственных процессах, в электрохимии, гальванике. Процессы в живых существах также происходят между ионами в растворах. Многие неметаллы и металлы, токсичные в виде атомов и молекул, незаменимы в виде заряженных частиц (натрий, калий, магний, хлор, фосфор и другие).