Dysocjacja elektrolityczna: równanie, stopień, stała, reakcja

Podstawowym filarem chemii, wraz z układem okresowym D. I. Mendelejewa, struktura związków organicznych przez A. M. Butlerov, innych istotnych odkryć, jest teoria dysocjacji elektrolitycznej. W 1887 roku został opracowany przez Svante Arrhenius w celu wyjaśnienia specyficznego zachowania się elektrolitów w wodzie, innych cieczach polarnych i stopach. Znalazł kompromis między dwiema kategorycznie odmiennymi teoriami na temat rozwiązań istniejących w tym czasie - fizycznym i chemicznym. Pierwszy z nich stwierdził, że substancja rozpuszczona i rozpuszczalnik nie wchodzą ze sobą w interakcje, tworząc prostą mieszaninę mechaniczną. Drugim jest to, że istnieje między nimi więź chemiczna. Okazało się, że w rzeczywistości te i inne właściwości są nierozerwalnie związane z rozwiązaniami.

W kolejnych fazach rozwoju nauki wielu naukowców kontynuowało prace badawczo-rozwojowe w tej dziedzinie, opierając się na dostępnych informacjach o strukturze atomów i charakterze wiązań chemicznych między nimi. W szczególności I. A. Kablukov zajmował się kwestią procesów solwatacyjnych, V. A. Kistyakovsky określił zależność podniesienia ciekłej kolumny w kapilarze w warunkach wrzenia na masie cząsteczkowej.

Nowoczesna interpretacja teorii

Przed odkryciem tego odkrycia nie badano wielu właściwości i okoliczności procesu dzielenia, podobnie jak same rozwiązania. Dysocjacja elektrolityczna to proces rozkładu substancji w jej składowe jony w wodzie lub innych polarnych cieczach, interakcja cząstek związku z cząsteczkami rozpuszczalnika, pojawienie się ruchliwości kationów i anionów w miejscach sieci w wyniku topnienia. W rezultacie powstałe substancje otrzymują nową właściwość - przewodność elektryczną.

Jony, znajdujące się w stanie wolnym lub roztopionym, wchodzą ze sobą w interakcje. Podobno naładowane odpychają się nawzajem w przeciwieństwie do - są przyciągane. Naładowane cząstki są solwatowane przez cząsteczki rozpuszczalnika - każdy jest ściśle otoczony przez ściśle zorientowane dipole zgodnie z siłami przyciągania Coulomba, w szczególnym przypadku są one uwodnione, jeśli medium jest wodne. Kationy zawsze mają większe promienie niż aniony, ze względu na specyfikę położenia cząstek wokół nich z ładunkami zlokalizowanymi na krawędziach.

Skład, klasyfikacja i nazwy naładowanych cząstek w świetle dysocjacji elektrolitycznej

Jon to atom lub grupa atomów, które są nośnikami ładunku dodatniego lub ujemnego. Mają one konwencjonalny podział na prosty (K ⁽⁺⁾ , Ca ⁽²⁺⁾ , H ⁽⁺⁾ - składający się z jednego pierwiastka chemicznego), złożony i kompleksowy (OH ^(-) , SO ₄ ^(2-) , HCO ₃ ^{(- )} - z kilku). Jeśli kation lub anion jest związany z cząsteczką rozpuszczalnika, nazywa się go solwatatem, z dipolem uwodnionej cząsteczki H ₂ O.

Kiedy zachodzi dysocjacja elektrolityczna wody, ^powstają dwie naładowane cząsteczki H ⁽⁺⁾ i OH ^(-) . Proton wodoru akceptuje elektronową parę tlenu z innej cząsteczki wody do pustej orbity, w wyniku czego powstaje jon wodorotlenowy H3O ⁽⁺⁾ .

Główne postanowienia odkrycia Arrheniusa

Wszyscy przedstawiciele klasy związków nieorganicznych oprócz tlenków, w roztworach zorientowanych dipoli cieczy rozpadają się, w sensie chemicznym, dysocjują na swoje jony składowe w większym lub mniejszym stopniu. Obecność prądu elektrycznego nie wymaga tego procesu, równanie dysocjacji elektrolitycznej jest jego schematycznym zapisem.

Wchodząc w roztwór lub topiąc się, jony mogą być wystawione na działanie prądu elektrycznego i poruszać się kierunkowo do katody (elektrody ujemnej) i anody (dodatniej). Te ostatnie przyciągają przeciwnie naładowane agregaty atomowe. Stąd cząstki i ich nazwy - kationy i aniony.

W tym samym czasie i równocześnie z rozpadem substancji zachodzi proces odwrotny - połączenie jonów w pierwotne cząsteczki, a zatem stuprocentowe rozpuszczanie substancji nie występuje. Takie równanie dla reakcji dysocjacji elektrolitycznej zawiera znak równości między jego prawą i lewą stroną. Dysocjacja elektrolityczna, jak każda inna reakcja, przestrzega praw rządzących równowagą chemiczną, nie jest wyjątkiem i prawem masowego działania. Stwierdza, że ​​szybkość rozpadu na jony jest proporcjonalna do stężenia elektrolitu.

Klasyfikacja substancji podczas dysocjacji

Terminologia chemiczna dzieli substancje na nierozpuszczalne, słabo rozpuszczalne i rozpuszczalne. Dwa ostatnie to słabe i mocne elektrolity. Informacje na temat rozpuszczalności niektórych związków zestawiono w tabeli rozpuszczalności. Dysocjacja silnych elektrolitów jest procesem nieodwracalnym, są one całkowicie rozłożone na jony. Słabsi są tylko częściowo, są nieodłączni w zjawisku asocjacji, a zatem w równowadze zachodzących procesów.

Ważne jest, aby pamiętać, że nie ma bezpośredniego związku pomiędzy rozpuszczalnością a siłą elektrolitu. W silnym może być łagodny. Jak również słabe elektrolity mogą być dobrze rozpuszczalne w wodzie.

Przykłady związków, których roztwory przewodzą prąd

Klasa "silne elektrolity" obejmuje wszystkie dobrze dysocjujące kwasy, takie jak kwas azotowy, chlorowodorowy, bromowy, siarkowy, nadchlorowy i inne. Wodorotlenki alkaliczne i indywidualni przedstawiciele grupy "metali ziem alkalicznych" są jednakowo podobne. Intensywna dysocjacja elektrolityczna soli, z wyjątkiem niektórych cyjanianów i tiocyjanianów, a także chlorku rtęci (II).

Klasa "słabe elektrolity" jest reprezentowana przez pozostałe minerały i prawie wszystkie organiczne kwasy: węglowy, siarczek, bor, azot, siarka, krzem, kwas octowy i inne. Jak również słabo rozpuszczalne i węglowodorowe zasady i amfoteryczne wodorotlenki (wodorotlenek magnezu, beryl, żelazo, cynk w stany utleniania (2+)). Z kolei cząsteczki wody są bardzo słabymi elektrolitami, ale nadal rozpadają się w jony.

Ilościowy opis procesów dysocjacji

Stopień dysocjacji elektrolitycznej rzeczywiście charakteryzuje skalę procesu rozszczepiania. Można to obliczyć - liczbę cząstek podzielonych na jony należy podzielić przez całkowitą liczbę cząsteczek rozpuszczonej substancji w układzie. Oznacz tę wartość literą "alpha".

Logiczne jest, że dla silnych elektrolitów "a" jest równe jeden, lub sto procent, ponieważ liczba zepsutych cząstek jest równa ich całkowitej liczbie. Dla słabych - zawsze mniej niż jeden. Całkowity rozkład początkowych cząsteczek w jony w środowisku wodnym nie występuje, a proces odwrotny ma miejsce.

Główne czynniki wpływające na kompletność zaniku

Liczba niezaprzeczalnych czynników wpływa na stopień dysocjacji elektrolitycznej. Przede wszystkim ważny jest charakter rozpuszczalnika i rozkładanie się w nim substancji. Na przykład, wszystkie silne elektrolity mają wiązanie kowalencyjne silnie polarne lub jonowe pomiędzy cząstkami składowymi. Ciecze są reprezentowane przez dipole, w szczególności wodę, w molekułach występuje rozdział ładunku, a w wyniku ich określonej orientacji następuje dysocjacja elektrolityczna rozpuszczonej substancji.

Wartość stężenia alfa jest odwrotnie proporcjonalna. Wraz ze wzrostem zmniejsza się stopień dysocjacji i na odwrót. Sam proces jest całkowicie endotermiczny, tzn. Do zainicjowania potrzebna jest pewna ilość ciepła. Wpływ czynnika temperaturowego jest uzasadniony następująco: im wyższy, tym większy stopień dysocjacji.

Czynniki wtórne

Kwasy wielozasadowe, takie jak kwas fosforowy i zasady w kompozycji z kilkoma grupami hydroksylowymi, na przykład Fe (OH) ₃ , rozkładają się stopniowo w jony. Uzależnienie jest zdefiniowane - każdy kolejny etap dysocjacji charakteryzuje się stopniem, który jest tysiące lub dziesiątki tysięcy razy mniejszy niż poprzedni.

Dodatek innych elektrolitów do układu, zmieniając stężenie jednego z jonów głównej substancji rozpuszczonej, może również zmienić stopień rozkładu. Pociąga to za sobą przesunięcie równowagi w kierunku określonym przez zasadę Le Chateliera-Browna - reakcja przebiega w kierunku, w którym obserwuje się neutralizację wpływu wywieranego na system z zewnątrz.

Stała procesowa równowagi klasycznej

Aby scharakteryzować proces rozkładu słabego elektrolitu, oprócz jego stopnia stosuje się elektrolityczną stałą dysocjacji (Kd), wyrażoną stosunkiem stężeń kationów i anionów do ilościowej zawartości początkowych cząsteczek w układzie. W rzeczywistości jest to zwykle stała równowaga chemiczna dla odwracalnej reakcji rozpuszczonej substancji na jony.

Na przykład, dla procesu rozkładu związku w jego cząstki składowe, stała dysocjacji (Kd) będzie określona przez prywatne stałe stężenia kationów i anionów w roztworze, podniesione do pewnego stopnia, odpowiadające liczbom stojącym przed nimi w równaniu chemicznym, oraz całkowita liczba pozostałych niezdysocjowanych jednostek formuły rozpuszczony. Zależność jest prześledzona - im wyższa (Kd), tym większa liczba kationów i anionów w systemie.

Związek między stężeniem słabego związku rozkładającego, stopniem dysocjacji i stałą ustala się za pomocą zasady Ostwalda rozcieńczania równaniem: Kd = α2 s.

Woda jako słabo dysocjująca substancja

Cząsteczki dipolowe w bardzo małym stopniu rozpadają się na naładowane cząstki, ponieważ są energetycznie niekorzystne. Istnieje jednak rozszczepienie na kationy wodorowe i aniony hydroksylowe. Biorąc pod uwagę procesy hydratacji, można mówić o tworzeniu jonu wodorotlenowego i OH ^(-) z dwóch cząsteczek wody.

Stała dysocjacja jest determinowana przez stosunek produktu protonów wodorowych i wodorotlenowych, nazywanego jonowym produktem wody, do stężenia równowagowego nierozciętych cząsteczek w roztworze.

Dysocjacja elektrolityczna wody powoduje obecność w układzie H ⁽⁺⁾ , który charakteryzuje jego kwasowość i obecność zasadowości OH ^(-) . Jeśli stężenia grup protonowych i hydroksylowych są równe, to medium nazywa się neutralne. Istnieje tak zwany wskaźnik wodoru - jest to logarytm ujemny całkowitej ilości H ⁽⁺⁾ w roztworze. Wartość pH mniejsza niż 7 wskazuje, że podłoże jest kwaśne, a więcej dotyczy jego zasadowości. Jest to bardzo ważna ilość, zgodnie z jej wartością eksperymentalną, biologiczną, biochemiczną i reakcje chemiczne różne systemy wodne - jeziora, stawy, rzeki i morza. Znaczenie wartości pH dla procesów przemysłowych jest również niezaprzeczalne.

Rejestruj reakcje i oznaczenia

Równanie dysocjacji elektrolitycznej za pomocą znaków chemicznych opisuje procesy rozpadu cząsteczek w odpowiednie cząsteczki i jest nazywane jonowym. Jest wielokrotnie prostszy niż standardowy molekularny i ma bardziej ogólny wygląd.

Przy opracowywaniu takiego równania należy wziąć pod uwagę, że substancje wytrącone lub usunięte z mieszaniny reakcyjnej w składzie oparów gazu podczas reakcji powinny zawsze być rejestrowane tylko w postaci cząsteczkowej, w przeciwieństwie do związków elektrolitowych, których silni przedstawiciele dzielą się na jony rozwiązania. Dysocjacja elektrolityczna jest dla nich procesem nieodwracalnym, ponieważ asocjacja jest niemożliwa z powodu tworzenia nierozszczepialnych substancji lub gazów. W przypadku tego typu równań obowiązują te same zasady, co w przypadku innych reakcji chemicznych - suma współczynników lewej i prawej strony musi być równa dla siebie w celu utrzymania równowagi materiałowej.

Dysocjacja elektrolityczna kwasów i zasad może przebiegać w kilku etapach, jeśli substancje są wielozasadowe lub polikwasowe. Dla każdego podrejonu napisz własne równanie.

Rola w naukach chemicznych i ich rozwoju

Stworzenie teorii Svante Arrheniusa miało ogromne znaczenie dla ogólnego procesu formowania się fizyki, aw szczególności nauki elektrochemicznej. Na podstawie odkrycia takiego zjawiska, jak dysocjacja elektrolityczna, procesy elektrodowe, specyfika przepływu prądów przez różne media, teoria prowadzenia potencjałów katodowo-anodowych, uległy intensywnemu rozwojowi. Ponadto teoria rozwiązań znacznie się rozwinęła. Bezprecedensowe odkrycia czekały również na kinetykę chemiczną, obszar korozji metali i stopów, a także prace nad znalezieniem nowych środków ochrony przed nimi.

We współczesnym świecie wciąż jest tak wiele nowych i nieznanych. Każdego dnia naukowcy poruszają się coraz dalej i dalej w znajomości tak wielkiej dyscypliny, jak chemia. Dysocjacja elektrolityczna, a także jej twórcy i zwolennicy na zawsze zajęli honorowe miejsce w kontekście rozwoju światowej nauki.