§ 10. Сильні й слабкі електроліти. Ступінь електролітичної дисоціації

Кислоти, основи й солі у водних розчинах дисоціюють — розпадаються на йони. Цей процес може бути оборотним або необоротним.

За необоротної дисоціації в розчинах уся речовина або майже вся розпадається на йони. Це характерно для сильних електролітів (мал. 10.1, а, с. 56). До сильних електролітів належать деякі кислоти та всі розчинні у воді солі й розчинні основи (луги) (схема 5, с. 56).

Мал. 10.1. Порівняння кількості йонів у розчинах з однаковою початковою кількістю електроліту: а — хлоридна кислота (сильний електроліт); б — нітритна кислота (слабкий електроліт)

Схема 5. Класифікація електролітів за силою

За оборотної дисоціації відбуваються два протилежні процеси: одночасно з розпадом речовини на йони (дисоціацією) відбувається зворотний процес об’єднання йонів у молекули речовини (асоціація). Завдяки цьому частина речовини в розчині існує у вигляді йонів, а частина — у вигляді молекул (мал. 10.1, б).

Електроліти, які під час розчинення у воді розпадаються на йони лише частково, називають слабкими електролітами. До їх числа належать вода, багато кислот, а також нерозчинні основи і солі (схема 5).

У рівняннях дисоціації слабких електролітів замість звичайної стрілки записують двонаправлену стрілку (знак оборотності):

Силу електролітів можна пояснити полярністю хімічного зв’язку, що розривається під час дисоціації. Чим більш полярним є зв’язок, тим легше під дією молекул води він перетворюється на йонний, тож тим сильнішим є електроліт. У солях і основах полярність зв’язку найбільша, оскільки між йонами металічних елементів, кислотними залишками та гідроксид-іонами існує йонний зв’язок, тому всі розчинні солі й основи — сильні електроліти. В оксигеновмісних кислотах під час дисоціації розривається зв’язок O—Н, полярність якого залежить від якісного й кількісного складу кислотного залишку. Силу більшості оксигеновмісних кислот можна визначити, якщо звичайну формулу кислоти записати у вигляді E(OH)_mO_n. Якщо в цій формулі буде n < 2 — кислота слабка, якщо n ≥ 2 — сильна.

Залежність сили кислот від складу кислотного залишку

Кислота

Формула

n

Характер кислоти

Ступінь дисоціації

Силу електролітів кількісно характеризує ступінь електролітичної дисоціації α, який показує частку молекул речовини, що розпалися в розчині на йони.

Ступінь дисоціації α дорівнює відношенню числа молекул N або кількості речовини n, що розпалися на йони, до загального числа молекул N₀ або кількості розчиненої речовини n₀:

Ступінь дисоціації можна виражати не тільки в частках одиниці, але й у відсотках:

Значення α може змінюватися від 0 (дисоціація відсутня) до 1, або 100 % (повна дисоціація). Чим краще дисоціює електроліт, тим більший ступінь дисоціації.

За значенням ступеня електролітичної дисоціації електроліти поділяють не на дві, а на три групи: сильні, слабкі та електроліти середньої сили. Сильними електролітами вважають ті, ступінь дисоціації яких більший за 30 %, а слабкими — зі ступенем, меншим за 3 %. Електроліти з проміжними значеннями α — від 3 % до 30 % — називають електролітами середньої сили. За цієї класифікації такими вважають кислоти: HF, HNO₂, Н₃РО₄, H₂SO₃ та деякі інші. Дві останні кислоти є електролітами середньої сили тільки за першою стадією дисоціації, а за іншими — це слабкі електроліти.

Ступінь дисоціації — величина змінна. Він залежить не тільки від природи електроліту, але й від його концентрації в розчині: у разі розбавлення розчину водою ступінь дисоціації збільшується. Цю залежність уперше визначив і дослідив Вільгельм Оствальд.

Обчислення ступеня дисоціації

Приклад. В одному літрі води розчинили гідроген флуорид кількістю 5 моль. Отриманий розчин містить 0,06 моль йонів Гідрогену. Визначте ступінь дисоціації флуоридної кислоти (у відсотках).

Вільгельм-Фрідріх Оствальд

(1853-1932)

Видатний німецький фізико-хімік, лауреат Нобелівської премії з хімії 1909 року. Народився в Ризі, навчався в Дерптському університеті, де розпочав викладацьку й наукову діяльність. У 35 років переїхав до Лейпцига, де очолив Фізико-хімічний інститут. Вивчав закони хімічної рівноваги, електричні властивості розчинів, відкрив закон розбавлення, що названий його ім’ям, розробив основи теорії кислотно-основного каталізу, багато часу приділяв історії хімії. Заснував першу у світі кафедру фізичної хімії і перший фізико-хімічний журнал. В особистому житті мав чудернацькі звички, наприклад, зі своїм секретарем він спілкувався виключно за допомогою велосипедного дзвоника.

Ключова ідея

Дисоціація слабких електролітів — оборотний процес, а сильних — необоротний.

Контрольні запитання

• 116. Дайте визначення сильних і слабких електролітів.
• 117. Наведіть приклади сильних і слабких електролітів.
• 118. Яку фізичну величину використовують для кількісної характеристики сили електроліту? Чи є вона сталою в будь-яких розчинах? Як можна збільшити ступінь дисоціації електроліту?

Завдання для засвоєння матеріалу

119. Наведіть по одному прикладу солі, кислоти та основи, що є: а) сильним електролітом; б) слабким електролітом.

120. Наведіть приклад речовини: а) двохосновна кислота, що за першою стадією є електролітом середньої сили, а за другою — слабким електролітом; б) двохосновна кислота, що за обома стадіями є слабким електролітом.

121. У певної кислоти за першою стадією ступінь дисоціації становить 100 %, а за другою — 15 %. Яка кислота це може бути?

122. Яких частинок більше в розчині гідроген сульфіду: молекул H₂S, йонів Н + , йонів S 2- або йонів HS – ?

123. Із наведеного переліку речовин випишіть окремо формули: а) сильних електролітів; б) слабких електролітів.

124. Складіть рівняння дисоціації стронцій нітрату, меркурій(IІ) хлориду, кальцій карбонату, кальцій гідроксиду, сульфідної кислоти. У яких випадках дисоціація відбувається оборотно?

125. У водному розчині натрій сульфату міститься 0,3 моль йонів. Яку масу цієї солі використали для приготування такого розчину?

126. У розчині гідроген флуориду об’ємом 1 л міститься 2 г цієї кислоти. У цьому розчині кількість речовини йонів Гідрогену становить 0,008 моль. Яка кількість речовини флуорид-іонів у цьому розчині? До яких кислот відносять флуоридну кислоту?

127. У трьох пробірках містяться однакові об’єми розчинів хлоридної, флуоридної та сульфідної кислот. В усіх пробірках кількість речовини кислот однакові. Але в першій пробірці кількість речовини йонів Гідрогену становить 3 • 10 -7 моль, у другій — 8 • 10 -5 моль, а в третій — 0,001 моль. В якій пробірці міститься яка кислота?

128. У першій пробірці міститься розчин електроліту, ступінь дисоціації якого становить 89 %, у другій — електроліт зі ступенем дисоціації 8 %, а у третій — 0,2 %. Наведіть по два приклади електролітів з різних класів сполук, що можуть міститися в цих пробірках.

129*. У додаткових джерелах знайдіть інформацію про залежність сили електролітів від природи речовини. Установіть залежність між будовою речовин і природою хімічних елементів, що їх утворюють, та силою електролітів.

Сильні електроліти

Речовини, швидко розпадаються на іони в розплавах або розчинах, називаються сильними електролітами. До них відносяться розчинні солі, сильні кислоти і луги.

Електролітична дисоціація

Щоб розчин або розплав проводив електричних струм, необхідна наявність заряджених частинок – іонів. Розпадаються на іони, тобто піддаються електролітичної дисоціації речовини, що містять полярні молекули. Під дією молекул води або високої температури руйнуються ковалентні полярні або іонні зв’язку. В результаті утворюються катіони – позитивно заряджені іони і аніони – негативно заряджені іони.

Реакція електролітичної дисоціації записується за допомогою іонного рівняння:

• HCl → H + + Cl-;
• КОН → К + + ОН;
• Na3PO4 → 3Na + + PO43 – .

Швидкість реакції і повнота розкладання речовин залежить від ступеня дисоціації. Ця величина показує, яка частина молекул від загальної кількості молекул речовини розпалася на катіони і аніони. Від ступеня дисоціації залежить, як поведе себе речовина в розчині – розчиниться повністю або частково.

Ступінь дисоціації залежить він деяких зовнішніх факторів. Показник ступеня можна збільшити за допомогою підвищення температури. У киплячій воді електроліт дисоціює швидше, молекули активніше розпадаються на іони. А ось підвищення концентрації речовини зменшує ступінь дисоціації. Чим більше концентрація електроліту, тим менше дію розчинника і, отже, слабкіше дисоціація.

Ступінь дисоціації найчастіше виражають у відсотках. Для обчислення ступеня дисоціації використовується формула:

• n – кількість молекул, що розпалися на катіони і аніони;
• N – загальне число молекул електроліту.

Електроліти, молекули яких швидко і необоротно розпадаються на іони, називаються сильними електролітами.

Сильні електроліти

Ступінь дисоціації сильних електролітів більше 0,3 або 30%. Вони дисоціюють практично повністю. Дисоціація в цьому випадку необоротна.

Список сильних електролітів:

Са (NO3) 2, Na2SO4, NaCl, K2S, AlBr3, Cr2 (SO4) 3;

сильні неорганічні кислоти –

HCl, HBr, HI, H2SO4, HNO3, HClO4, HMnO4;

гідроксиди лужних і лужноземельних металів (лугу) –

KOH, RbOH, Ca (OH) 2, Sr (OH) 2.

Визначити, яка сіль відноситься до сильних електролітів, можна за допомогою таблиці розчинності солей. Всі розчинні у воді солі – сильні електроліти, малорозчинні і нерозчинні солі – слабкі електроліти.

Що ми дізналися?

З уроку хімії дізналися, що таке електролітична дисоціація і які електроліти відносяться до сильних. Електролітична дисоціація характеризується ступенем дисоціації. Чим вище ступінь дисоціації, тим більше розпадається електроліт. У сильних електролітів ступінь дисоціації більше 30%. До них відносяться сильні неорганічні кислоти, розчинні солі і луги. На ступінь дисоціації можуть впливати зовнішні чинники – температура, концентрація, тиск.