.
Розпад електролітів на іони під час розчинення у воді або розплавлення називається електлолітичною дисоціацією.
Розглянемо розчинення у воді такої, наприклад, іонної сполуки, як хлорид натрію. Іони постійно здійснюють невеликі теплові коливання, але удержуються у вузлах кристалічної решітки, оскільки притягуються протилежно зарядженими іонами.
Як відомо, в молекулі води, зв’язки між атомами водню і атомом кисню валентні, полярні. Електронні пари, що зв’язують атоми зміщені від атому водню до атома кисню. Тому на атомах водню зосереджений частковий позитивний заряд, а на атомі кисню - негативний. Зв’язки кожного атома водню з киснем у молекулі води утворюють між собою, тому центри позитивний і негативних зарядів у молекулі не збігаються. Якщо врахувати лише взаємну перпендикулярність осей електронних хмар, утворених р-електр. атомів, то кут між зв’язками, що розглядаються становить 900. Насправді такий кут 1050. Одна з причин збільшення кута взаємне відштовхування однойменно заряджених атомів водню один від одного. Полярну молекулу води зображають у вигляді диполя, позначаючи заряди на полюсах знаками "+" і "-".
Коли кристал сам занурюють у воду, молекули води притягуються до іонів на поверхні кристала до позитивно заряджених іонів - своїми негативними полюсами, а до негативно заряджених іонів - позитивними полюсами.
Якщо іон відривається від поверхні кристала, він являється оточеним молекулами води, які притягуються до нього. Ці молекули води утворюють гідратну оболонку іона, що складається з 5 - 7, а то й більшої кількості молекул.
Іон оточений гідратною оболонкою називається гідратованим.
Отже, розчинення у воді твердої речовини з іонною кристалічною решіткою супроводжується виділенням теплоти в тому випадку, коли сума енергії гідратації всіх іонів у кристалі більша від енергії, необхідної для розривання зв’язків між іонами. Властивості їхні помітно відрізняються від властивостей гідратованих іонів. У безводному сульфаті міді CuCO4 негідровані іони Cu2+iSO42- безбарвні, але від розчинення солі у воді іони Cu2+ гідратуються і забарвлюють в голубий колір. Воду, яка виходить з кристалів, називають кристалізаційною водою, а речовини, що містять кристалізаційну воду, називають кристалогідратами.
Поведінку електролітів у водному розчині вперше пояснив у 1887 році шведський вчений С.Арреніус. Розроблена ним теорія дістала назву "теорія
електролітичної дисоціації".
Електролітична дисоціація кислот.
Між атомами в молекулах кислот, наприклад, соляної HCl, сірчаної H2SO4, азотної HNO3, фосфорної H3PO4 існують полярні ковалентні зв’язки.
Розглянемо поведінку у водному розчині молекули хлороводню HCl. Зв’язок між атомами в цій молекулі полярний ковалентний. Оскільки хлор більш електронегативний елемент, ніж водень, то електр. пара, що з’єднює атоми в молекулі, зміщена до атома хлору. Внаслідок цього в атомі хлору виникає частковий негативний заряд, а на атомі водню - позитивний заряд. Тому до молекули хлороводню у водному середовищі приєднуються диполі, тобто молекули води.
До атома водню HCl в молекулі, молекули води притягуються своїм негативним полюсом з боку атома кисню. У зовн. елект. шарі цього атома є дві неподілені електронні пари. Атом кисню, що підійшов, віддає цьому атому одну з двох своїх вільних електр. пар. В результаті взаємодії молекул хлороводню з молекулами води, електр. пара, якою атоми водню й хлору зв’язані між собою, майже повністю переходять до хлору. Зв’язок між ними стає іонним, і молекула HCl дисоціює на іони H+; Cl-.
Іон H+ відрізняється від всіх інших іонів тим, що в них немає електронної оболонки, вони є протонами. Тому іони приєднуються до молекул води за рахунок електронної пари зовнішнього шару атома кисню.
H H
. . . .
H : O : +H+ ® [H : O : H ]+
. . . .
УтворюєтьсяіонгідрокосніюH3O+вякомує 3 ковалентнізв’язкиводнюзкиснем. Цізв’язкиутворилисяпо-різному: двавнаслідокспарюванняелектроніватомакиснюзелект. атомівводню, атретій - приєднанняпротонадовільноїелектронноїхмариатомакисню.
В останньому випадку атом кисню молекули води дає для утворення ковалентного зв’язку з протоном не один, а пару електронів: його називають донором, а протон - акцептором.
Механізм такого утворення ковалентного зв’язку називається донорно-акцепторним.
Отже, у водному розчині молекули хлороводню дисоціюють на два гідратованих іони - іон гідроксонію H3O+ і хлорид-іон Cl-.
Рівняння дисоціації кислот, лугів і солей
Електролітичну дисоціацію виражають рівняннями, як і будь-які інші хімічні реакції. Записуючи ці рівняння, звичайно не зазначають формул молекул води, які приєднуються до іонів, бо в хімічних реакціях електролітів вони не беруть участь. Рівняння дисоціації кислот записуються так:
HCl = H+ + Cl-, або HCl + H2O = H3O+ + Cl-
H2SO4 = 2H+ + SO42-
Розглянемодисоціаціюкислот (сірчаної) якбагатоосновноїдетальніше. По суті процес відбувається ступінчасто. Іони водню відщеплюються від молекул не одночасно, а послідовно:
HCl = H+ + HSO4-, або HCl + H2O = H3O+ + Cl-
Аналогічно відбувається і дисоціація трьохосновної фосфорної кислоти.
H3PO4 = H+ + H2PO4-, H2PO4- =H+ + HPO42-, HPO42- = H+ + H2PO4-3
Отже, кислоти дисоціюють на іони водню і іони кислотного залишку. Дисоціація кислот за першим ступенем відбувається значно сильніше, ніж за другим. Це пов’язано тим, що позитивно заряджений іон H+ відщеплюється від нейтральної молекули кислоти легше, ніж від негативно заряджених іонів.
Дисоціація лугів і солей відбувається в одну стадію. Внаслідок їх дисоціації утворюються іони металу та гідроксид іон.
NaOH = Na+ + OH-
Ba(OH)2 = Ba2+ + 2OH-
Солі дисоціюють на іони металу і іони кислотного залишку?
NaNO3 = Na+ NO3-; Al2 (SO4)3 = 2Al3+ + 3SO42-
Оскількимолекуланекристалбудь-якоїречовинивціломуелектронейтральні, тазагальнасумазарядівпозитивнозарядженихіонів, щоутворюютьсяврезультатідисоціації, завждидорівнюютьзагальнійсумізарядівнегативнозарядженихіонів.
Властивості розчинників електролітів - властивості іонів.
Хлор отруйний, а в міру посолена їжа, крім користі, нашому організму не приносить. Але проста речовина Na складається з атомів натрію, а проста речовина хлор - з молекул Cl2. Розчин кухонної солі містить не атоми натрію N2+, а молекули хлору, а хлорид - іони Cl-.
Хімічна активність вільного натрію визначається наявністю в його атомах валентного електрона, що його віддає натрій, реагуючи з водою, з виділенням водню і перетворенням в іон Na+.
Хімічна активність Cl2 зокрема отруйність пов’язана з тим, що його молекули порівняно легко розпадаються на атоми, а в атомі хлору не вистачає одного електрону у зовнішньому електронному шарі до його завершення.
У хлорид іонах, що містяться в кристалах кухонної солі, і її розчині, зовнішній електричний шар заповнений. Тому хімічні властивості хлорид-іонів, зовсім інший, ніж властивості вільного хлору: хлорид іони Cl- на відміну від молекул хлору, безбарвні, не мають ніякого запаху і неотруйні.
Кислоти дисоціюють на іони водню і іони кислотного залишку. Отже розчини всіх кислот містять один і той самий вид іонів - іон H+.
Луги дисоціюють на іони металу і гідроксид -іони. Тому розчини всіх лугів містять один і той самий вид іонів гідроксид-іони OH-. Леткість розчинів лугів на дотик, дія на лакмус, роз’їдання рослинний і тваринних тканин - все це властивості не молекул лугів, а гідроксид-іонів, які є у їхніх розчинах.
Гідратовані іони Na+, K+, Cl-, NO3-, SO42- безбарвні, а тому і розчини солей безбарвні NaCl, KCl, NaNO3, KNO3, Na2SO4.
Є й забарвлені іони. Будь-яка розчинна сіль міді, розчиняючись у достатній кількості води, утворює розчини однаково голубого кольору. ?? цього гідратованого забарвлення - гідратовані іони Cu2+.
Позитивно заряджені іони називаються катіонами, а негативно заряджені іони - аніонами.
Сильні електроліти у водних розчинах практично цілком розпадаються на іони. Тому всі властивості водних розчинів сильних електролітів -це властивості іонів, що в них містяться.
У розчинах слабких електролітів, крім іонів, є недисоційовані молекули. Вони зумовлюють індивідуальні властивості таких розчинів, тобто властивості тільки одного електроліту.
Реакції іонного обміну.
Кожна хімічна властивість, що проявляється сильними електролітами в розчинах - це властивість іонів, на які він розпався. А тим часом реакції обміну між електролітами у водному розчині ми раніше зображали молекуларними рівняннями, не враховуючи того, що в цих реакціях беруть участь не молекули електроліту, і іони, на які він дисоційований.
Змішуючи розчини хлориду кальцію і нітрату срібла, ми спостерігаємо утворення осаду хлориду срібла AgCl, а в розчині залишається нітрат кальцію.
CaCl2 + 2AgNO3 = 2 AgCl¯ + Ca (NO3)2