Городская больница

Справочник заболеваний и лекарств

Как определить электролит или неэлектролит?

ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ДИССОЦИАЦИИ

Растворы всех веществ можно разделить на две группы: проводят электрический ток или проводниками не являются.

С особенностями растворения веществ можно познакомиться экспериментально, исследуя электропроводность растворов этих веществ с помощью прибора, изображённого на рисунке

Пронаблюдайте за следующим экспериментом «Изучение электрической проводимости веществ».

Для объяснения особенностей водных растворов электролитов шведским ученым С. Аррениусом в 1887 г. была предложена теория электролитической диссоциации. В дальнейшем она была развита многими учеными на основе учения о строении атомов и химической связи. Современное содержание этой теории можно свести к следующим трем положениям:

1. Электролиты при растворении в воде или расплавлении распадаются (диссоциируют) на ионы – положительно (катионы) и отрицательно (анионы) заряженные частицы.

2. В растворах и расплавах электролиты проводят электрический ток.

Под действием электрического тока ионы приобретают направленное движение: положительно заряженные ионы движутся к катоду, отрицатель­но заряженные — к аноду. Поэтому первые называются катионами, вторые — анионами. Направленное движение ионов происходит в результате притяжения их противоположно заряженными электродами.

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ РАСПЛАВОВ

ИСПЫТАНИЕ ВЕЩЕСТВ НА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ

ВЕЩЕСТВА

ЭЛЕКТРОЛИТЫ

НЕЭЛЕКТРОЛИТЫ

Электролиты – это вещества, водные растворы или расплавы которых проводят электрический ток

Неэлектролиты – это вещества, водные растворы или расплавы которых не проводят электрический ток

Вещества с ионной химической связью или ковалентной сильнополярной химической связью – кислоты, соли, основания

Вещества с ковалентной неполярной химической связью или ковалентной слабополярной химической связью

В растворах и расплавах образуются ионы

В растворах и расплавах не образуются ионы

ПАМЯТКА

ЭЛЕКТРОЛИТЫ И НЕЭЛЕКТРОЛИТЫ

ТЕПЛОВЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ РАСТВОРЕНИИ ВЕЩЕСТВ В ВОДЕ

3. Диссоциация — обратимый процесс: параллельно с распадом молекул на ионы (диссоциация) протекает процесс соединения ионов (ассоциация).

Поэтому в уравнениях электролитической диссоциации вместо знака равенства ставят знак обратимости. Например, уравнение диссоциации молекулы электролита КA на катион К+ и анион А- в общем виде записывается так:

КА ↔ K+ + A-

Рассмотрим процесс растворения электролитов в воде

В целом молекула воды не заряжена. Но внутри молекулы Н2О атомы водорода и кислорода располагаются так, что положительные и отрицательные заряды находятся в противоположных концах молекулы (рис. 1). Поэтому молекула воды представляет собой диполь.

Рис. 1. Молекула воды полярна и представляет собой диполь

Растворение в воде веществ с ионной химической связью

(на примере хлорида натрия – поваренной соли)

Механизм электролитической диссоциации NaCl при растворении поваренной соли в воде (рис. 2) состоит в последовательном отщеплении ионов натрия и хлора полярными молекулами воды. Вслед за переходом ионов Na+ и Сl– из кристалла в раствор происходит образование гидратов этих ионов.

Рис. 2. Механизм растворения хлорида натрия в воде:
а – ориентация молекул воды на поверхности кристалла NaCl и отрыв иона Na+; б – гидратация (окружение молекулами воды) ионов Na+ и Сl–

Растворение в воде веществ с ковалентной сильнополярной химической связью

(на примере соляной кислоты)

При растворении в воде соляной кислоты (в молекулах HCl cвязь между атомами ковалентная сильнополярная) происходит изменение характера химической связи. Под влиянием полярных молекул воды ковалентная полярная связь превращается в ионную. Образовавшиеся ионы остаются связанными с молекулами воды – гидратированными. Если растворитель неводный, то ионы называют сольватированными (рис.3).

Рис. 3. Диссоциация молекул HCl на ионы в водном растворе

Основные положения:

Электролитическая диссоциация – это процесс распада электролита на ионы при растворении его в воде или расплавлении.

Электролиты – это вещества, которые при растворении в воде или в расплавленном состоянии распадаются на ионы.

Ионы – это атомы или группы атомов, обладающие положительным (катионы) или отрицательным (анионы) зарядом.

Ионы отличаются от атомов как по строению, так и по свойствам

Пример 1. Сравним свойства молекулярного водорода (состоит из двух нейтральных атомов водорода) со свойствами иона.

Атом водорода

Ион водорода

+1Н0 1s1

+1Н+ 1s0

Посмотрите опыт.

Пример 2. Сравним свойства атомарного и молекулярного хлора со свойствами иона.

Атом хлора

Ион хлора

+17Cl0 1s22s22p63s23p5

+17Cl- 1s22s22p63s23p6

Атомы хлора имеют незавершённый внешний уровень, поэтому они химически очень активны, принимают электроны и восстанавливаются.

Именно поэтому газообразный хлор ядовит, при вдыхании его наступает отравление организма.

Ионы хлора имеют завершённый внешний уровень, поэтому они химически неактивны, находятся в устойчивом электронном состоянии.

Ионы хлора входят в состав поваренной соли, употребление в пищу которой не вызывает отравления организма.

Запомните!

1. Ионы отличаются от атомов и молекул по строению и свойствам;

2. Общий и характерный признак ионов – наличие электрических зарядов;

3. Растворы и расплавы электролитов проводят электрический ток из-за наличия в них ионов.

Тренажёр «Определение электрической проводимости растворов веществ»
Тренажёр «Электролиты и неэлектролиты»

mozok.click

Электролитическая диссоциация

Вам уже известно, что в веществах ионного строения, например в поваренной соли, есть заряженные частицы — ионы. Вы также знаете, что электрический ток — это направленное движение заряженных частиц. Почему же твердая поваренная соль не проводит электрический ток, а ее раствор или расплав проводят? Ответ на этот вопрос дал шведский ученый Сванте Аррениус. Он предположил, что некоторые вещества (электролиты) при растворении в воде (или расплавлении) распадаются на ионы, которые могут свободно перемещаться. При расплавлении частицы вещества становятся подвижными (рис. 8.2, а), а при растворении они равномерно распределены в воде (рис. 8.2, б), т. е. в обоих случаях способны свободно двигаться. Благодаря этому растворы и расплавы проводят электрический ток. Ионы в составе твердой поваренной соли расположены в узлах кристаллической решетки и не могут перемещаться, поэтому твердые электролиты электрический ток не проводят (рис. 8.2, в). В дистиллированной воде ионы отсутствуют, поэтому она не проводит ток (рис. 8.2, г).

Процесс распада вещества на ионы при растворении в воде или плавлении называют электролитической диссоциацией.

При растворении солей и оснований (веществ ионного строения) в раствор переходят ионы, содержащиеся в их составе. Молекулярные вещества диссоциируют несколько иначе. Гидроген хлорид — это газ, состоящий из полярных молекул HCl. Каждую молекулу, которая попадает в раствор, сразу окружают диполи воды, притягиваясь к ней противоположно заряженными сторонами. В результате такого взаи-

Рис. 8.2. В растворах и расплавах электролитов ионы свободно перемещаются, поэтому они способны проводить электрический ток: а — расплав поваренной соли; б — раствор поваренной соли в воде; в — твердая поваренная соль; г — чистая вода

модействия полярная связь в молекуле HCl превращается в ионную, а образующиеся ионы переходят в раствор (рис. 8.3).

Кислоты — это электролиты с ковалентными полярными связями. Поэтому диссоциировать на ионы кислоты могут только в водном растворе под действием молекул воды. Чистые кислоты ток не проводят.

Итак, главное отличие электролитов от неэлектролитов заключается в том, что электролиты распадаются (диссоциируют) на положительно и отрицательно заряженные ионы. Под действием электрического поля положительно заряженные ионы (катионы) направленно движутся к отрицательному электроду (катоду), а отрицательно заряженные ионы (анионы) — к положительному электроду (аноду) (рис. 8.4). Эти выводы, сделанные Аррениусом, являются основой сформулированной им теории электролитической диссоциации.

Вещества или их смеси, способные проводить электрический ток, называют проводниками электрического тока. Их разделяют на два типа: проводники I и II рода. Они принципиально отличаются частицами, являющимися носителями электрического заряда, т. е. теми частицами, которые свободно направленно движутся в электрическом поле. В проводниках I рода носителями заряда являются электроны, к таким проводникам относятся все металлы и их сплавы. А растворы и расплавы электролитов — это проводники II рода, носителями заряда в них выступают ионы. То есть металлы хоть и являются проводниками электрического тока, но электролитами их называть нельзя, поскольку металлы всегда проводят электрический ток благодаря наличию свободных электронов, а электролиты — только в растворах или расплавах, в которых происходит электролитическая диссоциация.

Уравнение электролитической диссоциации

Электролитическая диссоциация — это не химическая реакция, поскольку не происходит превращения одних веществ в другие. Но для удобства электролитическую диссоциацию записывают в форме

уравнения, где вместо знака равенства ставят стрелку. Записывая формулы ионов в растворе, заряд ионов указывают немного иначе, чем в записи степени окисления: сначала записывают цифровое значение, а затем знак заряда (в однозарядных ионах цифру 1 обычно не пишут).

Уравнение электролитической диссоциации натрий хлорида:

Аналогично записывают уравнение электролитической диссоциации кальций хлорида:

В водных растворах электролитов вода — важнейший участник процесса диссоциации. Но вода — это среда, в которой происходит диссоциация. Во время процесса электролитической диссоциации вода не расходуется и не образуется, поэтому в уравнениях воду не указывают.

Лингвистическая задача

Хотя по-гречески «электрон» означает «янтарь», сегодня это слово используют для обозначения всего, что связано с электричеством. Второй корень слова «электролит» происходит от греческого слова «литос», которое, согласно разным источникам, означает «камень» либо «тот, который может раствориться». С учетом этого поясните смысл термина «электролит». Как вы считаете, почему греческое название янтаря используют для обозначения электрических явлений?

Выдающийся шведский химик и физик, лауреат Нобелевской премии, один из основателей физической химии. В 17 лет поступил в университет Уппсалы и уже через два года получил степень бакалавра. Работал в Физическом институте Шведской академии наук в Стокгольме. За разработку теории электролитической диссоциации в 1903 году был награжден Нобелевской премией. Аррениус известен не только как ученый, но и как автор многочисленных учебников, научно-популярных статей и книг по геофизике, астрономии, биологии и медицине. В течение многих лет занимал должность директора Нобелевского института в Стокгольме.

Для обнародования теории электролитической диссоциации Аррениусу понадобилась незаурядная смелость. Идея была крайне необычной: казалось невероятным, что ионы появляются не под действием электрического тока, а просто в процессе растворения. К тому же многие современники Аррениуса не понимали разницы между понятиями «атом» и «ион» и, услышав, что в водном растворе солей Калия существуют ионы Калия, возражали: если бы такое случилось, то образованный калий должен бурно реагировать с водой.

Электролиты — растворы, содержащие большую концентрацию ионов, обеспечивающих прохождение электрического тока. Как правило, это водные растворы солей, кислот и щелочей.

В организме человека и животных электролиты играют важную роль: к примеру, электролиты крови с ионами железа транспортируют кислород в ткани; электролиты с ионами калия и натрия регулируют водно-солевой баланс организма, работу кишечника и сердца.

Свойства

Чистая вода, безводные соли, кислоты, щелочи ток не проводят. В растворах же вещества распадаются на ионы и проводят ток. Именно поэтому электролиты называют проводниками второго порядка (в отличие от металлов). Электролитами могут быть также расплавы и некоторые кристаллы, в частности диоксид циркония и иодид серебра.

Главное свойство электролитов — способность к электролитической диссоциации, то есть к распаду молекул при взаимодействии с молекулами воды (или других растворителей) на заряженные ионы.

По типу ионов, образующихся в растворе, различают электролит щелочной (электропроводимость обусловлена ионами металлов и ОН-), солевой и кислотный (с ионами Н+ и остатками основания кислоты).

Для количественной характеристики способности электролита к диссоциации введен параметр «степень диссоциации». Эта величина отражает процент молекул, подвергшихся распаду. Она зависит от:
• самого вещества;
• растворителя;
• концентрации вещества;
• температуры.

Электролиты делят на сильные и слабые. Чем лучше реагент растворяется (распадается на ионы), тем сильнее электролит, тем лучше он проводит ток. К сильным электролитам относятся щелочи, сильные кислоты и растворимые соли.

Для электролитов, использующихся в аккумуляторах, очень важен такой параметр, как плотность. От нее зависят условия эксплуатации аккумулятора, его емкость и срок службы. Определяют плотность с помощью ареометров.

Меры предосторожности при работе с электролитами

Самые популярные электролиты, это раствор концентрированной серной кислоты и щелочи — чаще всего гидроксиды калия, натрия, лития. Все они вызывают химические ожоги кожи и слизистых, очень опасные ожоги глаз. Именно поэтому все работы с такими электролитами нужно производить в отдельном, хорошо вентилируемом помещении, используя средства защиты: одежду, маски, очки, резиновые перчатки.
• Рядом с помещением, где проводятся работы с электролитами, должна храниться аптечка с набором нейтрализующих средств и кран с водой.
• Кислотные ожоги нейтрализуются раствором соды (1 ч.л. на 1 ст. воды).
• Ожоги щелочью нейтрализуют раствором борной кислоты (1 ч.л. на 1 ст. воды).
• Для промывания глаз нейтрализующие растворы должны быть в два раза слабее.
• Поврежденные участки кожи сначала промывают нейтрализатором, а потом мылом и водой.
• Если электролит пролили, его собирают опилками, потом промывают нейтрализатором и вытирают насухо.

При работе с электролитом следует выполнять все требования техники безопасности. Например, кислоту наливают в воду (а не наоборот!) не вручную, а с помощью приспособлений. Куски твердой щелочи в воду опускают не руками, а щипцами или ложками. Нельзя работать в одном помещении с аккумуляторами на разнотипных электролитах, и хранить их вместе тоже запрещается.

Некоторые работы требуют «кипения» электролита. При этом выделяется водород — горючий и взрывоопасный газ. В таких помещениях должна использоваться взрывобезопасная электропроводка и электроприборы, запрещается курение и любые работы с открытым огнем.

Хранят электролиты в пластиковых емкостях. Для работы подходит стеклянная, керамическая, фарфоровая посуда и инструменты.

В следующей статье расскажем подробнее о видах и применении электролита.

Электролиты: свойства и классификации

Электролиты – растворы, имеющие в своем составе заряженные частицы, которые принимают участие в переносе зарядов между электродом и катодом. Могут быть сильными и слабыми. Процесс распада молекул на ионы называется электролитической диссоциацией. Неэлектролиты – водные растворы, в которые вещество перешло в виде молекул с сохранением первоначальной структуры. Все молекулы вещества в таких растворах окружены гидратными оболочками (молекулами воды) и не могут переносить электрический заряд.

Растворение кристалла поваренной соли

Как протекает электролитическая диссоциация

Вещества-электролиты устроены за счет ионных или ковалентных полярных связей.

Во время растворения происходит химическое воздействие вещества с молекулами воды, в результате чего оно распадается на электроны. Молекулы воды – активные диполи с двумя полюсами: положительным и отрицательным. Атомы водорода располагаются под углом 104,5°, за счет этого молекула воды приобретает угловую форму.

Вещества, имеющие ионную кристаллическую решетку, намного легче диссоциируют, они уже состоят из активных ионов, а диполи воды во время растворения только ориентируют их. Между диполями воды и ионами электролита возникают усилия взаимного притяжения, связи кристаллической решетки ослабевают и ионы покидают кристалл.

Последовательность процессов при диссоциации растворов с ионной связью

На первом этапе молекулы вещества ориентируются около диполей воды, далее происходит гидратация, а на завершающем этапе диссоциация.

Похожим образом диссоциируют электролиты, у которых молекулы строятся за счет ковалентных связей. Разница только в том, что диполи воды превращают ковалентные связи в ионные. При этом наблюдается такая последовательность процессов:

Электролитическая диссоциация полярной молекулы хлороводорода на гидратированные ионы

В растворах происходит хаотическое движение гидратированных ионов, они могут сталкиваться между собой и опять образовывать отдельные связи. Такой процесс называется ассоциацией.

Классификация электролитов

Все электролиты кроме ионов содержат молекулярные структуры, неспособные переносить разряд. Процентное содержание этих элементов оказывает прямое влияние на возможность проводить ток, параметр обозначается α и определяется по формуле:

Для вычисления берется отношение количества частиц, распавшихся на ионы к общему числу растворенных частиц. Степень распада определяется опытным путем, если она равняется нулю, то диссоциация полностью отсутствует, если равняется единице, то все вещества в электролите распались на ионы. С учетом химического состава электролиты имеют неодинаковую степень диссоциации, параметр зависит от природы и концентрации раствора, чем ниже концентрация, тем выше диссоциация. Согласно данным определениям все электролиты делятся на две группы.

  1. Слабые электролиты. Имеют очень незначительную степень диссоциации, химические элементы почти не распадаются на ионы. К таким электролитам относится большинство неорганических и некоторые органические кислоты. Слабые электролиты расщепляются на ионы обратимо, процессы диссоциации и ассоциации по интенсивности могут сравниваться, раствор очень плохо проводит электрический ток.

Способность к диссоциации зависит от нескольких факторов, слабые электролиты во многом определяются химическими и физическими особенностями вещества. Важное значение имеет химический состав растворителя.

  1. Сильные электролиты. Эти растворы в водных растворах интенсивно диссоциируют на ионы, сильные электролиты могут иметь степень диссоциации равную единице. К ним относятся почти весь перечень солей и многие кислоты неорганического происхождения. Сильные электролиты диссоциируют необратимо:

От каких факторов зависит степень диссоциации

  1. Природа растворителя. Степень диссоциации веществ увеличивается прямо пропорционально полярности. Чем больше полярность, тем выше активность имеют сильные электролиты.
  2. Температура во время подготовки раствора. Повышение температуры растворителя увеличивает активность ионов и их количество. Правда, при этом есть вероятность одновременного повышения ассимиляции. Процесс растворения веществ в растворителе должен непрерывно контролироваться, при обнаружении отклонений от заданных параметров немедленно вносятся корректировки.
  3. Концентрация химических веществ. Чем выше концентрация, тем больше вероятность, что после растворения образуются слабые электролиты.

График зависимости константы диссоциации от концентрации

Главные положения теории электролитической диссоциацииСогласно существующей теории, электролитическая диссоциация позволяет растворам проводить электрический ток. В зависимости от этой способности они делятся на электролиты и неэлектролиты. Процесс распада веществ на ионы называется диссоциацией, положительно заряженные двигаются к катоду и называются катионами, негативно заряженные двигаются к аноду и называются анионами. Состав электролитов оказывает влияние на способность к диссоциации, технические нормы позволяют определять эту зависимость количественно.

С учетом получаемых после диссоциации ионов изменяется свойство электролитов. Вне зависимости от химического характера образуемых после диссоциации ионов, электролиты подразделяются на три большие классы:

1.Кислоты. В результате распада образуются анионы кислотного остатка и катионы водорода. Кислоты многоосновные могут преобразовываться по первой степени:

2. Основания. Электролиты, дисоциирующие на анионы гидроксогрупп и катионы металла.

3. Соли. Электролиты диссоциируют на анионы кислотного остатка и катионы металлов. Процесс происходит в одну ступень.

Химические свойства электролитов описываются при помощи химических уравнений и определяются свойствами образованных ионов. Для удаления вредных химических соединений, выделяемых в воздух во время диссоциации, используются химически нейтральные пластиковые воздуховоды.
Перспективы развития теории диссоциацииНа современном этапе развития теории ученые предпринимают попытки описать динамические и термодинамические свойства электролитов учитывая концепцию ионно-молекулярной структуры. Классическая теория считается примитивной, в ней ионы представляются как заряженные жесткие сферы. Главный недостаток традиционной теории – невозможность объяснить локальное снижение диэлектрической проницательности в первом приближении. Ряд растворителей поддается описанию физических свойств ступенчатой зависимостью, но протонные водные растворители имеют намного сложнее процессы релаксации.

Непримитивные модели, рассматривающие ионы в одинаковом масштабе, делятся на две группы:

  1. Первая. Жидкие фазы рассматриваются как максимально разупорядочные кристаллы, размеры не более пяти молекулярных диаметров.
  2. Вторая. Жидкости описываются как сильно неидеальные газы. Молекулы растворителя являются точными или обыкновенными диполями.

Зависимость диэлектрической проницаемости от расстояния между ионами

Неравновесные явления в растворах электролитов

Неравновесный распад объясняется несколькими физическими процессами.

  1. Миграцией и диффузией ионов. Обуславливается сравнительно большим количеством ионных перескоков за единицу времени в сравнении с иными направлениями.

Контакт двух растворов с различными показателями концентрации

  1. Эквивалентной и удельной электропроводностью. Электропроводность обеспечивается миграцией ионов, замеры выполняются таким способом, чтобы исключалось влияние градиента химического потенциала.

Принципиальная схема моста переменного тока во время измерения электропроводности

  1. Числом переноса. Определяется суммой электрической проворности аниона и катиона. Доля тока называется электрическим числом переноса.

Схема определения числа переноса

Перемещение ионов в среде электрического поля по статистике является усредненным процессом, ионы делают беспорядочные перескоки, а элегическое поле оказывает только определенное влияние, точно рассчитать силу и вероятность влияния невозможно. В связи с этим, аналогия диссоциации с обыкновенным поступательным движением твердых тел весьма приближенная, но она позволяет принимать правильные качественные выводы.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Наверх