В растворах электролитов реакции протекают между ионами и идут до конца в случае образования труднорастворимых, малодиссоциированных и легколетучих веществ.

Пример записи уравнения ионной реакции:

FeSO 4 + 2NaOH = Fe(OH) 2 ¯ + Na 2 SO 4 ; (87)

Fe 2+ + 2OH - = Fe(OH) 2 ¯.

Многие химические реакции протекают при определенной реакции сре-ды – определенном соотношении ионов H + и OH - .

Применение закона действия масс к процессу диссоциации воды приводит к понятию об ионном произведении воды:

H 2 О = H + + OH - ;K = . (88)

Поскольку в разбавленных растворах концентрация нейтральных молекул воды Н 2 О практически постоянна, то величина

K B = K× = × (89)

при данной температуре тоже является постоянной. Эта величина получила название ионного произведения воды. Из опытных данных известно, что K B = 1,8×10 -16 , а концентрация молекул воды в одном литре определяется по формуле:

H 2 О = H 2 О = = 55,56. (90)

Следовательно,

K B = 1,8×10 -16 ×55,56 = 1×10 -14 ; (91)

1×10 -14 = 1×10 -7 . (92)

Прологарифмировав уравнение (1.87) и обозначив отрицательные лога-рифмы концентраций ионов Н + и ОН - через рН и рОН, получим:

pH = -lg; pOH = -lg; (93)

Шкала рН имеет вид:

Кислая Нейтральная Щелочная

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

В нейтральной среде [Н + ] = [ОН - ], следовательно,

pH = pOH = 7. (94)

В кислой среде, где концентрация Н + больше, pH < 7, в щелочной, где концентрация Н + меньше, pH > 7.

Гидролиз - взаимодействие катионов и анионов солей с водой. Результатом гидролиза является образование слабых (малодиссоциирующих) электролитов - оснований или кислот.

Рассмотрим основные случаи гидролиза солей.

1) Соли, образованные сильным основанием и сильной кислотой (например, NaCl, KNO 3 , Na 2 SO 4). Реакция раствора соли практически нейтральная, гидролизу такие соли не подвергаются.

В водном растворе хорошо растворимый сильный электролит диссоциирован нацело: NaCl = Na + + Cl - , взаимодействие ионов Na + и Cl - с молекулами воды к образованию слабого электролита не приводит, реакция гидролиза отсутствует.

2) Соли, образованные сильным основанием и слабой кислотой (например, Na 2 CO 3 , K 2 S, CH 3 , COONa). Реакция раствора соли щелочная, в результате реакции гидролиза образуется слабый электролит - кислота:

Na 2 CO 3 = 2Na + + CO 3 2 - ; (95)

CO 3 2 - + H 2 O ⇄ HCO 3 - + OH - ; (96)

HCO 3 - + H 2 O ® H 2 CO 3 + OH - ; (97)

CH 3 COONa = CH 3 COO - + Na + ; (98)

CH 3 COO - + H 2 O ⇄ CH 3 COOH + OH - . (99)

3) Соли, образованные слабым основанием и сильной кислотой (например, FeSO 4, CuCl 2 , AlCl 3). Реакция раствора соли кислая, в результате реакции гидролиза образуется слабый электролит – основание:

CuCl 2 = Cu 2+ + 2Cl – ; (100)

Cu 2+ + H 2 O ⇄ CuOH + + H + ; (101)

CuOH + + H 2 O ⇄ Cu(OH) 2 + H + ; (102)

FeSO 4 = F 2+ + SO 4 2– ; (103)

Fe 2+ + H 2 O ⇄ FeOH + + H + ; (104)

FeOH + +H 2 O ⇄ Fe(OH) 2 + H + . (105)

Напомним, что реакции гидролиза обратимы , поскольку вода – один из самых слабых электролитов, и равновесие реакции гидролиза сильно смещено влево, до конца гидролиз практически никогда не идет.

4) Соли, образованные слабым основанием и слабой кислотой (например, CH 3 COONH 4 , Al 2 S 3 , Cr 2 S 3). Реакция гидролиза идет практически до конца, она является в данном случае необратимой. Образующиеся при гидролизе катиона ионы Н + связываются образующимися при гидролизе аниона ионами ОН – :

CH 3 COONH 4 = CH 3 COO – + NH 4 + ; (106)

CH 3 COO – + H 2 O ⇄ CH 3 COOH + OH – ; (107)

NH 4 + + H 2 O ⇄ NH 4 OH + H + ; (108)

H + + OH – ® H 2 O; (109)

2Al 3+ + 6H 2 O ⇄ Al(OH) 3 + 6H + ,

Al 2 S 3 + H 2 O ® (110)

3S 2– + 6H 2 O ⇄ 3H 2 S + 6OH – ;

H + + OH – ® H 2 O.

Соль Al 2 S 3 , таким образом, водой разлагается полностью:

Al 2 S 3 + 6H 2 O = 2 Al(OH) 3 ¯ + 3H 2 S­. (111)

1.4.6. Кристаллогидраты

В водных растворах ионы солей всегда гидратированы. Часто эти соединения – гидраты – столь прочны, что не разрушаются при выделении вещества из раствора. Кристаллические гидраты и называются кристаллогидратами . Их кристаллические решетки образованы гидратированными ионами, например:

CuSO 4 × 5H 2 O - 2+ и 2– ; (112)

CoCl 2 × 6H 2 O - 2+ и 2Cl – . (113)

Ионы солей можно рассматривать как комплексные соединения. Попадая в почву, соли загрязняют ее, повышая кислотность или щелочность почвы в результате гидролиза. Влажная соль вызывает коррозию металлических емкостей.

1.4.7. Особенности транспортировки солей

Перевозят соли в бумажных, полиэтиленовых мешках или специальных контейнерах в крытых вагонах.

Неукоснительного соблюдения правил перевозок опасных химических грузов требует транспортировка солей, способных разлагаться с выделением кислорода или воспламеняться в смеси с другими веществами. К таким солям относятся хлораты, перхлораты, нитраты, перманганаты и др.:

4KClO 3 ® KCl + 3KClO 4 ; (114)

KClO 4 ® KCl + 2O 2 ­; (115)

2Pb(NO 3) 2 ® 2PbO + 4NO 2 ­ + O 2 ­; (116)

5KMnO 4 ® K 2 MnO 4 + K 3 MnO 4 + MnO 2 + 3O 2 ­. (117)

Так, хлорат калия KClO 3 (бертолетова соль) в смеси с легко окисляющимися веществами (фосфором, серой, углем и некоторыми органическими веществами) взрывается от удара. Взрывоопасные смеси образуют хлораты, перманганаты с концентрированной серной кислотой.

Комплектуя железнодорожные составы, нельзя рядом размещать цистерны и вагоны с веществами, которые энергично взаимодействуют друг с другом.

Свои особенности имеет перевозка нитрата аммония (аммиачная селитра). Эта соль широко используется в технике и прежде всего при производстве взрывчатых веществ, в сельском хозяйстве – в качестве удобрения.

При нагревании до 300°С или при детонации нитрат аммония подвержен взрывному распаду:

2NН 4 NO 3 ® 2N 2 + O 2 + 4H 2 O+ 238 (кДж). (118)

Хранить и перевозить навалом эту соль нельзя. Хранят ее в бумажных пятислойных мешках с тремя битумными слоями. В помещении не должно быть других удобрений, горючесмазочных материалов, органических веществ. Перевозят аммиачную, калиевую, натриевую селитры в специальных вагонах, оборудованных резинокордными контейнерами.

Хлорид и сульфат аммония хранят в бумажных мешках.

В битумированных или полиэтиленовых мешках хранят удобрения – фосфоритную муку Са 3 (РО 4) 2 , простой суперфосфат , двойной суперфосфат Са(Н 2 РО 4) 2 , сложные (смешанные) удобрения (аммофос, нитрофоску и др.).

При транспортировке фосфорных удобрений возможно образование пылегазовых смесей – фтористых соединений SiF 4 , H 2 SiF 6 (побочных продуктов, образующихся при получении удобрений). Поэтому вагоны после выгрузки двойного суперфосфата, фосфоритной муки моют горячей водой под давлением. Однако нельзя мыть вагоны, в которых перевозился простой суперфосфат. Содержащийся в нем сульфат кальция (гипс) при обработке водой затвердевает,

поэтому от простого суперфосфата вагоны отмывают 2–3%-ным раствором кальцинированной соды Na 2 CO 3 . Сливные воды сильно загрязняют почву, поэтому их следует сливать в очистительные емкости.

Специализированные вагоны для перевозки минеральных удобрений имеют кузова из низколегированной стали, которая под действием солей подвергается коррозии, в качестве защиты от коррозии можно использовать полимерные покрытия, стеклоткани. Коррозионную стойкость узлов и деталей вагонов можно повысить, используя пластмассы, легированные стали, коррозионно-стойкие легкие сплавы.

2. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1) Какие химические соединения называются оксидами? Назовите известный кислотный оксид из взаимодействующих с водой. Какие из нижеприведенных оксидов попарно могут между собой взаимодействовать: CaO, CO 2 , SiO 2 , Al 2 O 3 , BaO? .Напишите уравнения реакций и укажите условия их проведения.

2) Какие химические соединения называются: а) кислотами; б) основаниями (гидроксидами)? Какие основания называются щелочами? Приведите примеры кислот и оснований, назовите их.

3) Можно при добавлении кислоты к раствору соли получить гидроксид металла?

4) Чем определяется сила кислот и оснований?

5) Какова может быть основность кислоты?

6) К какому классу соединений относится вода?

7) Что является условием возможности получения кислот из солей действием других кислот?

8) Зачем вводится кислород в реакции получения азотной кислоты из диоксида азота?

9) Напишите уравнения электролитической диссоциации соляной, серной, азотной, ортофосфорной, угольной, уксусной кислот, а также гидроксидов натрия, калия, кальция, аммония. Укажите сильные и слабые электролиты.

10) Что такое амфолиты? Приведите примеры, напишите уравнение электролитической диссоциации амфолитов.

11) Как меняется степень диссоциации электролита при разбавлении?

12) Какие соединения называются солями? Назовите соли соляной, азотной, серной, ортофосфорной, угольной, уксусной кислот по международной номенклатуре.

13). Напишите уравнение электролитической диссоциации аммонийных солей азотной и серной кислот.

14) Что называется гидролизом солей? Как меняется реакция среды при растворении в воде различных солей? Какой величиной выражается кислотность среды?

15) Валентность и степень окисления. Приведите примеры типичных окислителей и восстановителей. Правила составления уравнений окислительно-восстановительных реакций.

16) Почему соляную кислоту нельзя перевозить в обычных стальных цистернах?

17) Почему концентрированную азотную кислоту можно хранить в железной таре, а разбавленную – нет?

18) Чем объяснить, что концентрированная азотная кислота имеет буроватый оттенок?

19) В чем заключается пассивация металлов концентрированными азотной и серной кислотами? Напишите уравнение реакции между концентрированной азотной кислотой и алюминием.

20) Можно ли ставить рядом цистерны с концентрированной азотной кислотой и органическими растворителями – скипидаром, ацетоном и др.? Что может произойти в случае столкновения цистерн при аварии и разлива этих веществ?

21) С чем связано обугливание органических веществ – углеводов концентрированной серной кислотой?

22) Можно ли разлившуюся концентрированную серную кислоту нейтрализовать водой?

23) Почему концентрированные и разбавленные азотная, серная кислоты перевозятся в разных цистернах?

24) В каких цистернах перевозят 100%-ную серную кислоту?

25) В каких цистернах перевозят кислотный меланж, олеум?

26) Какие соли относятся к опасным химическим грузам? Почему эти соли считают опасным при транспортировке?

27) Как хранят и перевозят аммиачную селитру? Укажите окислитель и восстановитель в окислительно-восстановительной реакции разложения аммиачной селитры при нагревании или детонации?

28) Фосфорные удобрения. От каких фосфорных удобрений вагоны отмывают: а) горячей водой под давлением; б) раствором кальцинированной соды? Почему сливные воды рекомендуется пропускать через очистные емкости?

29) Почему газообразный аммиак перевозят в сжиженном состоянии?

30) Какие трафареты ставят на цистернах с соляной кислотой, сжиженным аммиаком?

3. ТЕСТ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

В предлагаемом тестовом задании предусмотрены готовые ответы, среди которых правильным является только один. Работая с тестом, надо отметить (например, обвести кружком) номера правильных ответов, после чего сверить ответы с эталоном, который приведен в конце методических указаний. Для ответа на каждый вопрос надо постараться затрачивать не более одной минуты.

1. Только кислотные оксиды содержатся в ряду:

1) K 2 O, Mn 2 O 7 , SO 2 ; 3) CuO, SO 3 , CrO 3 ;

2) P 2 O 5 , SO 3 , CO 2 ; 4) CO 2 , CaO, SiO 2 .

2. Только амфотерные гидроксиды находятся в ряду:

1) Zn(OH) 2 , Al(OH) 3 ; 3) RbOH, Ca(OH) 2 ;

2) Cu(OH) 2 , Fe(OH) 3 ; 4) Mn(OH) 2 , Cr(OH) 2 .

3. Гидроксид натрия будет взаимодействовать с веществом:

1) СаО; 3) СO 2 ;

2) СаCO 3 ; 4) Na 2 O.

4. В химическое взаимодействие могут вступать следующие пары веществ:

1) SO 3 и HCl; 3) P 2 O 5 и SO 2 ;

2) CO 2 и NO 2 ; 4) CaH 2 и H 2 O.

5. Нейтрализовать раствор серной кислоты можно с помощью:

1) СH 3 OH; 3) NaH 2 PO 4 ;

2) Mg(OH) 2 ; 4) FeCl 3 .

6. Во всех приведенных ниже схемах химических реакций:

HCl + . . . ® NaCl + H 2 O;

CO 2 ® Na 2 CO 3 + H 2 O;

Al(OH) 3 + . . . ® Na;

FeCl 3 ® Fe(OH) 3 + NaCl

пропущено одно и то же вещество:

1) Na 2 O; 3) NaOH;

2) Na 2 CO 3 ; 4) H 2 SO 4 .

7. Одновременно основной и кислотный оксиды образуются при термическом разложении соли:

1) СuCO 3 ; 3) NH 4 NO 3 ;

2) NaNO 3 ; 4) KClO 3 .

8. Среди приведенных ниже схем реакцией нейтрализации является:

1) NaCl + H 2 SO 4 ® . . . ; 3) FeS + H 2 SO 4 ® . . . ;

2) Cu + HNO 3 ® . . . ; 4) NaOH + H 2 SO 4 ® . . . .

9. В полученном из раствора карбоната натрия кристаллогидрате содержится 19,8 % натрия. Формула полученного кристаллогидрата:

1) Na 2 CO 3 ; 3) Na 2 CO 3 ×7H 2 O;

2) Na 2 CO 3 ×H 2 O; 4) Na 2 CO 3 ×10H 2 O.

10. Раствор какого вещества в воде имеет щелочную среду:

1) газа хлороводорода; 3) ацетата аммония;

2) сульфата аммония; 4) соды?

Ответы

Библиографический список

1. Глинка Н. Л. Общая химия. Л.: Химия, 1990.

2. Курс общей химии / Под ред. Н. В. Коровина/ Высшая школа. М., 1990.

3. Специальные цистерны и вагоны для перевозки химических и нефтяных продуктов / НИИТЭХим. М., 1968.

4. Прохоров А. А., Суворов С. В., Боярчук И. Ф. Профилактические меры при перевозке опасных грузов на железнодорожном транспорте: М.: Транспорт, 1985.

КРУГЛОВА Лидия Николаевна,

ЗЫРЯНОВА Ирина Михайловна

КЛАССИФИКАЦИЯ И СВОЙСТВА

НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ,

ОСОБЕННОСТИ ИХ ПЕРЕВОЗКИ

1 К сильным электролитам относятся электролиты, у которых α > 30 %:

а) все щелочи (основания, образованные металлами s-семейства, за исключением бериллия и магния): LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH, FrOH, Ca(OH) 2 , Ba(OH) 2 – практически диссоциируют нацело.

Основания диссоциируют в растворе с образованием катиона металла и гидроксид – ионов.

NaOH → Na + + OH – ;

Ba(OH) 2 → BaOH + + OH – .

Диссоциация многих сильных электролитов по второй стадии протекает не столь активно, как по первой. Поэтому этот процесс можно записать следующим образом:

BaOH + Ba 2 + + OH – .

Суммарное уравнение процесса:

Ba(OH) 2 → Ba 2 + + 2OH – .

б) некоторые кислоты, например: HCl, HClО 4 , HBr, HJ, HNO 3 , H 2 SO 4 .

Кислоты диссоциируют в растворе с образованием ионов водорода и ионов кислотных остатков (т. к. связь между катионом водорода и кислотным остатком более полярная, нежели между ионами в самом кислотном остатке).

HCl → H + + Cl – ;

H 2 SO 4 → H + + HSO 4 – ;

HSO 4 – H + + SO 4 2– (серная кислота по второй стадии диссоциирует хуже, чем по первой, поэтому ставится знак обратимости « »).

Условно суммарное уравнение процесса можно записать как:

H 2 SO 4 → 2H + + SO 4 2– .

в) растворимые соли (α ~ 100 %)

В солях составными частями являются атомы металлов и кислотные остатки. Именно на эти ионы и происходит распад солей при расплавлении или растворении в воде.

Na 3 PO 3 → 3Na + + PO 3 3 – .

г) кислые, основные и комплексные соли при диссоциации по первой ступени.

Кислые соли распадаются на катионы металла и анионы кислотного остатка:

К 2 HРО 3 → 2К + + HРО 3 2 – .

При чем по принципу электростатического притяжения ион(ы) водорода (Н +) остается рядом именно с анионом кислотного остатка (КО n –), а не с катионом металла (Ме n +).

Основные соли распадаются на катионы металла, связанные с гидроскогруппой, и анионы кислотного остатка:

Al(OH) 2 Cl → Al(OH) 2 + + Cl – .

При чем по принципу электростатического притяжения гидроксогруппа(ы) (ОН –) остается рядом именно с катионом металла (Ме n +) , а не с анионом кислотного остатка (КО n –).

Комплексные соли распадаются на ионы внешней сферы и комплексный ион (поскольку связь между ионом внешней сферы и комплексным ионом, как правило, ковалентная полярная или ионная, а между ионами или молекулами в самом комплексном ионе чаще донорно – акцепторная).

K 3 → 3K + + 3– .

2 Слабые электролиты диссоциируют плохо, их α < 3%.

Диссоциация слабых электролитов протекает обратимо, а если при распаде молекулы образуется три и более иона – то еще и ступенчато.

К слабым электролитам можно отнести:

а) все остальные основания:

NН 4 OH NН 4 + + OH – ;

Bе(OH) 2 BеOH + + OH – ;

BеOH + Bе 2 + + OH – ;

б) большинство остальных кислот:

HCN Н + + CN – ;

H 2 СO 3 H + + HСO 3 – ;

HСO 3 – H + + СO 3 2– ;

в) все нерастворимые растворимые соли:

AgCl Ag + + Cl – ;

BaSO 4 Ba 2 + + SO 4 2– ;

г) кислые, основные и комплексные соли при диссоциации по второй и последующим стадиям (первая стадия, как мы помним, протекает необратимо).

Кислая соль:

К 2 HРО 3 → 2К + + HРО 3 2 – ;

HРО 3 2 – H + + РО 3 3 – .

Количество стадий, следующих за первой, определяется количеством ионов водорода, оставшихся рядом с кислотным остатком.

Основная соль:

Al(OH) 2 Cl → Al(OH) 2 + + Cl – ;

Al(OH) 2 + AlOH 2 + + ОН – ;

AlOH + Al 3 + + ОН – .

Количество стадий, следующих за первой, определяется количеством гидроксогрупп, оставшихся рядом с катионом металла.

Комплексные соли:

3– Fe 3+ + 6CN – .

3 Электролиты средней силы имеют α от 3 % до 30 %

1.1.5 Константа диссоциации. Процесс диссоциации слабых электролитов является обратимым и в системе существует динамическое равновесие, которое может быть описано константой равновесия, выраженной через концентрации образующихся ионов и непродиссоциировавших молекул, называемой константой диссоциации. Т.е. константа электролитической диссоциации – это не что иное, как константа химического равновесия, применимая к распаду слабого электролита. Для некоторого электролита, распадающегося в растворе на ионы в соответствии с уравнением:

А a В b aА x + + bВ y –

константа диссоциации выразится следующим соотношением:

Константа диссоциации (K D или просто К) – отношение произведения равновесных концентраций ионов в степени соответствующих стехиометрических коэффициентов к концентрации недиссоциированных молекул.

Она является константой равновесия процесса электролитической диссоциации; характеризует способность вещества распадаться на ионы: чем выше K D , тем больше концентрация ионов в растворе.

В многоосновных кислотах и многоокислотных основаниях диссоциация происходит ступенчато, причем каждая ступень характеризуется своей величиной степени диссоциации. Так, ортофосфорная кислота диссоциирует по трем ступеням (таблица 1).

Таблица 1 – Диссоциация ортофосфорной кислоты

	Константа диссоциации K д		Степень диссоциации α
		К 1 = 7,1∙10 –3
		К 2 = 6,2∙10 –8
		К 3 = 5,0∙10 –13

Как видно, K D 1 > K D 2 > K D 3 . Следовательно, наиболее полно диссоциация протекает по первой стадии, поскольку: 1) ион проще оторвать от нейтральной молекулы, чем от заряженного иона: ионы водорода H + значительно сильнее притягиваются к трехзарядному иону РО 3– и двухзарядному иону НРО 2– , чем к однозарядному НРО – ; 2) происходит подавление диссоциации, протекающей по второй и последующим стадиям, ионами, образующимися при распаде молекулы по первой ступени (происходит смещение равновесия диссоциации влево за счет одноименных ионов, в случае с фосфорной кислотой – ионами водорода).

Отсюда следует, что распад электролита на ионы протекает, в основном, по первой ступени и в растворе ортофосфорной кислоты будут находиться преимущественно ионы Н + и НРО 2– .

1.1.6 Взаимосвязь константы диссоциации и степени диссоциации. Закон разбавления Оствальда. Запишем еще раз уравнение диссоциации бинарного соединения, относящегося к слабым электролитам:

АВ А + + В – .

Запишем выражение его константы диссоциации:

К =
.

Если общую концентрацию слабого электролита обозначить С , то равновесные концентрации А + и В – равны α ·С , а концентрация недиссоциированных молекул АВ – (С – α ·С ) = (1 – α )∙С . Тогда выражение (2) в этом случае можно переписать следующим образом:

.

Таким образом, степень диссоциации слабого электролита обратно пропорциональна концентрации и прямо пропорциональна разбавлению раствора; выражение (5) называют законом разбавления Оствальда: степень диссоциации слабого электролита в растворе тем выше, чем более разбавлен раствор.

1.1.7 Смещение равновесия диссоциации слабого электролита. Равновесие в растворах электролитов, как и всякое химическое равновесие, сохраняется неизменным, пока определяющие его условия не меняются, а изменение условий влечет за собой нарушение равновесия.

Так, равновесие нарушается при изменении концентрации одного из участвующих в этом равновесии ионов: при ее увеличении происходит процесс, в ходе которого эти ионы связываются. Например, если в раствор хлорноватистой кислоты, являющейся слабым электролитом и диссоциирующей обратимо по схеме

HClO H + + Cl –

ввести какую-либо соль этой кислоты, являющуюся сильным электролитом и диссоциирующую необратимо (например, NaCl → Na + + Cl –) и тем самым увеличить концентрацию ионов Cl – , то, в соответствии с принципом Ле Шателье, равновесие смещается влево, т. е. степень диссоциации хлорноватистой кислоты уменьшается. Отсюда следует, что введение в раствор слабого электролита одноименных ионов (т. е. ионов, одинаковых с одним из ионов электролита) уменьшает степень диссоциации этого электролита. В данном случае уменьшение степени диссоциации хлорноватистой кислоты будет происходить и в случае добавления к ней любой сильной кислоты, содержащей ионы водорода Н + .

Наоборот, уменьшение концентрации одного из ионов вызывает диссоциацию нового количества молекул. Например, при введении в раствор указанной кислоты гидроксид-ионов (образующихся при диссоциации, например, NаOH → Na + + ОН –) , связывающих ионы водорода, диссоциация кислоты возрастает за счет смещения равновесия диссоциации вправо.

На основании рассмотренных примеров можно сделать общий вывод. Обязательным условием протекания реакций между электролитами является удаление из раствора тех или иных ионов, например, вследствие образования слабо диссоциирующих веществ или веществ, выделяющихся из раствора в виде осадка или газа. Иначе говоря, реакции в растворах электролитов всегда идут в сторону образования наименее диссоциированных или наименее растворимых веществ.

Вещества, которые в растворах или расплавах полностью или частично распадаются на ионы, называются электролитами .

Степень диссоциации a

- это отношение числа молекул, распавшихся на ионы N¢ к общему числу растворенных молекул N:

Степень диссоциации выражают в процентах или в долях единицы. Если a =0, то диссоциация отсутствует и вещество не является электролитом. В случае если a =1, то электролит полностью распадается на ионы.

Классификация электролитов

Согласно современным представлениям теории растворов все электролиты делятся на два класса: ассоциированные (слабые) и неассоциированные (сильные). Неассоциированные электролиты в разбавленных растворах практически полностью диссоциированы на ионы. Для этого класса электролитов a близко к единице (к 100 %). Неассоциированными электролитами являются, например, HCl, NaOH, K 2 SO 4 в разбавленных водных растворах.

Ассоциированные электролиты подразделяются на три типа:

1. Слабые электролиты существуют в растворах как в виде ионов, так и в виде недиссоциированных молекул. Примерами ассоциированных электролитов этой группы являются, в частности, Н 2 S, Н 2 SO 3 , СН 3 СOОН в водных растворах.
2. Ионные ассоциаты образуются в растворах путем ассоциации простых ионов за счет электростатического взаимодействия. Ионные ассоциаты возникают в концентрированных растворах хорошо растворимых электролитов. В результате в растворе находятся как простые ионы, так и ионные ассоциаты. Например, в концентрированном водном растворе КCl образуются простые ионы К + , Cl - , а также возможно образование ионных пар (К + Cl - ), ионных тройников (K 2 Cl + , KCl 2 - ) и ионных квадруполей (K 2 Cl 2 , KCl 3 2- , K 3 Cl 2+).
3. Комплексные соединения
(как ионные, так и молекулярные), внутренняя сфера которых ступенчато диссоциирует на ионные и (или) молекулярные частицы.
Примеры комплексных ионов: 2+ , 3+ , + .

При таком подходе один и тот же электролит может относиться к различным типам в зависимости от концентрации раствора, вида растворителя и температуры. Подтверждением этому являются данные, приведенные в таблице.

Характеристика растворов KI в различных растворителях

Приближенно, для качественных рассуждений можно пользоваться устаревшим делением электролитов на сильные и слабые. Выделение группы электролитов “средней силы” не имеет смысла. Эти электролиты являются ассоциированными. К слабым электролитам обычно относят электролиты, степень диссоцииации которых мала a <<1.

Таким образом, к сильным электролитам относятся разбавленные водные растворы почти всех хорошо растворимых в воде солей, многие разбавленные водные растворы минеральных кислот (НС1, HBr, НNО 3 , НС1O 4 и др.), разбавленные водные растворы гидроксидов щелочных металлов. К слабым электролитам принадлежат все органические кислоты в водных растворах, некоторые водные растворы неорганических кислот, например, H 2 S, HCN, H 2 CO 3 , HNO 2 , HСlO и др. К слабым электролитам относится и вода.

Диссоциация электролитов

Уравнение реакции диссоциации сильного электролита можно представить следующим образом. Между правой и левой частями уравнения реакции диссоциации сильного электролита ставится стрелка или знак равенства:

HCl H + + Cl - .

Na 2 SO 3 = 2Na + + SO 3 2- .

Допускается также ставить знак обратимости, однако в этом случае указывается направление, в котором смещается равновесие диссоциации, или указывается, что a 1. Например:

		Na + + OH - .

Диссоциация кислых и основных солей в разбавленных водных растворах протекает следующим образом:

NaHSO 3 Na + + HSO 3 - .

Анион кислой соли будет диссоциировать в незначительной степени, поскольку является ассоциированным электролитом:

HSO 3 - H + + SO 3 2- .

Аналогичным образом происходит диссоциация основных солей:

Mg(OH)Cl MgOH + + Cl- .

Катион основной соли подвергается дальнейшей диссоциации как слабый электролит:

MgOH + Mg 2+ + OH - .

Двойные соли в разбавленных водных растворах рассматриваются как неассоциированные электролиты:

KAl(SO 4) 2 K + + Al 3+ + 2SO 4 2- .

Комплексные соединения в разбавленных водных растворах практически полностиью диссоциируют на внешнюю и внутреннюю сферы:

K 3 3K + + 3- .

В свою очередь, комплексный ион в незначительной степени подвергается дальнейшей диссоциации:

3- Fe 3+ + 6CN - .

Константа диссоциации

При растворении слабого электролита АК в растворе установится равновесие:

КА К + + А - ,

которое количественно описывается величиной константы равновесия К д, называемой константой диссоциации:

Константа диссоциации характеризует способность электролита диссоциировать на ионы. Чем больше константа диссоциации, тем больше ионов в растворе слабого электролита. Например, в растворе азотистой кислоты HNO 2 ионов Н + больше, чем в растворе синильной кислоты HCN, поскольку К(HNO 2) = 4,6·10 - 4 , а К(HCN) = 4,9·10 - 10 .

Для слабых I-I электролитов (HCN, HNO 2 , CH 3 COOH) величина константы диссоциации К д связана со степенью диссоциации и концентрацией электролита c уравнением Оствальда:

Для практических расчетов при условии, что <<1 используется приближенное уравнение

Поскольку процесс диссоциации слабого электролита обратим, то к нему применим принцип Ле Шателье. В частности, добавление CH 3 COONa к водному раствору CH 3 COOH вызовет подавление собственной диссоциации уксусной кислоты и уменьшение концентрации протонов. Таким образом, добавление в раствор ассоциированного электролита веществ, содержащих одноименные ионы, уменьшает его степень диссоциации.

Следует отметить, что константа диссоциации слабого электролита связана с изменением энергии Гиббса в процессе диссоциации этого электролита соотношением:

D G T 0 = - RTlnK д. (13.5)

Уравнение (13.5) используется для расчета констант диссоциации слабых электролитов по термодинамическим данным.

Примеры решения задач

Определить концентрацию ионов калия и фосфат-ионов в 0,025 М растворе K 3 PO 4 .

Решение. K 3 PO 4 – сильный электролит и в водном растворе диссоциирован нацело:

K 3 PO 4 3 К + + РО 4 3- .

Следовательно, концентрации ионов К + и РО 4 3- равны соответственно 0,075М и 0,025М.

Определить степень диссоциации a д и концентрацию ионов ОН - (моль/л) в 0,03 М растворе NH 4 OH при 298 К, если при указанной температуре К д (NH 4 OH) = 1,76× 10 - 5 .

Решение. Уравнение диссоциации электролита: NH 4 OH NH 4 + + OH - .

Концентрации ионов: = ca ; = ca , где c – исходная концентрация NH 4 OH моль/л. Следовательно:

Поскольку a << 1, то К д » сa 2 . Константа диссоциации

зависит от температуры и от природы растворителя, но не зависит от концентрации растворов NH 4 OH. Закон разбавления Оствальда выражает зависимость a слабого электролита от концентрации.

или 2,4 %

Откуда = 2,4·10 - 2 ·0,03 = 7,2·10 -4 моль/л.

Определить константу диссоциации уксусной кислоты, если степень диссоциации CH 3 CОOH в 0,002 М растворе равна 9,4 %.

Решение. Уравнение диссоциации кислоты:

CH 3 CОOH СН 3 СОО - + Н + .

,

Откуда [Н + ] = 9,4·10 - 2 ·0,002 = 1,88·10 - 4 М.

.

Так как = [Н + ] и » c исх (CH 3 CОOH), то

Константу диссоциации можно также найти по формуле: К д » ca 2 .

Константа диссоциации HNO 2 при 298К равна 4,6× 10 - 4 . Найти концентрацию азотистой кислоты, при которой степень диссоциации HNO 2 равна 5 %.

К д ca 2 , откуда получаем c исх (HNO 2) = 4,6·10 - 4 /(5·10 - 2) 2 = 0,184 М.

. На основе справочных данных рассчитать константу диссоциации муравьиной кислоты при 298 К.

Решение. Уравнение диссоциации муравьиной кислоты

НСООН Н + + СООН- .

В “Кратком справочнике физико–химических величин” под редакцией А.А. Равделя и А.М. Пономаревой приведены значения энергий Гиббса образований ионов в растворе, а также гипотетически недиссоциированных молекул. Значения энергий Гиббса для муравьиной кислоты и ионов Н + и СООН - в водном растворе приведены ниже:

Изменение энергии Гиббса процесса диссоциации равно

G T 0 = - 351,5- (- 373,0) = 21,5 кДж/моль.

Для расчета константы диссоциации используем уравнение (13.5). Из этого уравнения получаем:
lnK д = - D G T 0 /RT= - 21500/(8,31 298) = - 8,68.

Откуда находим: K д = 1,7× 10 - 4 .

Задачи для самостоятельного решения

Сильные и слабые электролиты

Кислоты, основания и соли в водных растворах диссоциируют — распадаются на ионы. Этот процесс может быть обратимым или необратимым.

При необратимой диссоциации в растворах все вещество или почти все распадается на ионы. Это характерно для сильных электролитов (рис. 10.1, а, с. 56). К сильным электролитам относятся некоторые кислоты и все растворимые в воде соли и основания (гидроксиды щелочных и щелочноземельных элементов) (схема 5, с. 56).

Рис. 10.1. Сравнение числа ионов в растворах с одинаковым исходным количеством электролита: а — хлоридная кислота (сильный электролит); б — нитритная кислота

(слабый электролит)

Схема 5. Классификация электролитов по силе

При обратимой диссоциации протекает два противоположных процесса: одновременно с распадом вещества на ионы (диссоциацией) происходит обратный процесс объединения ионов в молекулы вещества (ассоциация). Благодаря этому часть вещества в растворе существует в виде ионов, а часть — в виде молекул (рис. 10.1, б). Электролиты,

которые при растворении в воде распадаются на ионы только частично, называют слабыми электролитами. К их числу относится вода, многие кислоты, а также нерастворимые гидроксиды и соли (схема 5).

В уравнениях диссоциации слабых электролитов вместо обычной стрелки записывают двунаправленную стрелку (знак обратимости):

Силу электролитов можно объяснить полярностью химической связи, которая разрывается при диссоциации. Чем более полярна связь, тем легче под действием молекул воды она превращается в ионную, следовательно, тем сильнее электролит. В солях и гидроксидах полярность связи наибольшая, поскольку между ионами металлических элементов, кислотными остатками и гидроксид-ионами существует ионная связь, поэтому все растворимые соли и основания — сильные электролиты. В оксигенсодержащих кислотах при диссоциации разрывается связь O-H, полярность которой зависит от качественного и количественного состава кислотного остатка. Силу большинства оксигенсодержащих кислот можно определить, если обычную формулу кислоты записать в виде E(OH) m O n . Если в этой формуле будет n < 2 — кислота слабая, если n >2 — сильная.

Зависимость силы кислот от состава кислотного остатка

Степень диссоциации

Силу электролитов количественно характеризует степень электролитической диссоциации а, показывающая долю молекул вещества, которые распались в растворе на ионы.

Степень диссоциации а равна отношению числа молекул N или количества вещества n, распавшегося на ионы, к общему числу молекул N 0 или количеству растворенного вещества n 0:

Степень диссоциации можно выражать не только в долях единицы, но и в процентах:

Значение а может изменяться от 0 (диссоциация отсутствует) до 1, или 100 % (полная диссоциация). Чем лучше распадается электролит, тем больше значение степени диссоциации.

По значению степени электролитической диссоциации электролиты часто разделяют не на две, а на три группы: сильные, слабые и электролиты средней силы. Сильными электролитами считают те, степень диссоциации которых более 30 %, а слабыми — со степенью менее 3 %. Электролиты с промежуточными значениями а — от 3 % до 30 % — называют электролитами средней силы. По этой классификации таковыми считаются кислоты: HF, HNO 2 , H 3 PO 4 , H 2 SO 3 и некоторые другие. Две последние кислоты являются электролитами средней силы только по первой стадии диссоциации, а по другим — это слабые электролиты.

Степень диссоциации — величина переменная. Она зависит не только от природы электролита, но и от его концентрации в растворе. Эту зависимость впервые определил и исследовал Вильгельм Оствальд. Сегодня ее называют законом разведения Оствальда: при разбавлении раствора водой, а также при повышении температуры степень диссоциации увеличивается.

Вычисление степени диссоциации

Пример. В одном литре воды растворили гидроген флуорид количеством вещества 5 моль. Полученный раствор содержит 0,06 моль ионов Гидрогена. Определите степень диссоциации флуоридной кислоты (в процентах).

Запишем уравнение диссоциации флуоридной кислоты:

При диссоциации из одной молекулы кислоты образуется один ион Гидрогена. Если в растворе содержится 0,06 моль ионов H+, это означает, что продиссоцииро-вало 0,06 моль молекул гидроген флуорида. Следовательно, степень диссоциации равна:

Выдающийся немецкий физико-химик, лауреат Нобелевской премии по химии 1909 года. Родился в Риге, учился в Дерптском университете, где начал преподавательскую и научную деятельность. В 35 лет переехал в Лейпциг, где возглавил Физико-химический институт. Изучал законы химического равновесия, свойства растворов, открыл закон разведения, названный его именем, разработал основы теории кислотно-основного катализа, много времени уделял истории химии. Основал первую в мире кафедру физической химии и первый физико-химический журнал. В личной жизни обладал странными привычками: чувствовал отвращение к стрижке, а со своим секретарем общался исключительно при помощи велосипедного звонка.

Ключевая идея

Диссоциация слабых электролитов — обратимый процесс, а сильных —

необратимый.

Контрольные вопросы

116. Дайте определение сильных и слабых электролитов.

117. Приведите примеры сильных и слабых электролитов.

118. Какую величину используют для количественной характеристики силы электролита? Является ли она постоянной в любых растворах? Как можно увеличить степень диссоциации электролита?

Задания для усвоения материала

119. Приведите по одному примеру соли, кислоты и основания, которые являются: а) сильным электролитом; б) слабым электролитом.

120. Приведите пример вещества: а) двухосновная кислота, которая по первой стадии является электролитом средней силы, а по второй — слабым электролитом; б) двухосновная кислота, которая по обеим стадиями является слабым электролитом.

121. В некоторой кислоте по первой стадии степень диссоциации составляет 100 %, а по второй — 15 %. Какая кислота это может быть?

122. Каких частиц больше в растворе гидроген сульфида: молекул H 2 S, ионов H+, ионов S 2- или ионов HS - ?

123. Из приведенного перечня веществ отдельно выпишите формулы: а) сильных электролитов; б) слабых электролитов.

NaCl, HCl, NaOH, NaNO 3 , HNO 3 , HNO 2 , H 2 SO 4 , Ba(OH) 2 , H 2 S, K 2 S, Pb(NO 3) 2 .

124. Составьте уравнения диссоциации стронций нитрата, меркурий(11) хлорида, кальций карбоната, кальций гидроксида, сульфидной кислоты. В каких случаях диссоциация происходит обратимо?

125. В водном растворе натрий сульфата содержится 0,3 моль ионов. Какую массу этой соли использовали для приготовления такого раствора?

126. В растворе гидроген флуорида объемом 1 л содержится 2 г этой кислоты, а количество вещества ионов Гидрогена составляет 0,008 моль. Какое количество вещества флуорид-ионов в этом растворе?

127. В трех пробирках содержатся одинаковые объемы растворов хлорид-ной, флуоридной и сульфидной кислот. Во всех пробирках количества вещества кислот равны. Но в первой пробирке количество вещества ионов Гидрогена составляет 3 . 10 -7 моль, во второй — 8 . 10 -5 моль, а в третьей — 0,001 моль. В какой пробирке содержится каждая кислота?

128. В первой пробирке содержится раствор электролита, степень диссоциации которого составляет 89 %, во второй — электролит со степенью диссоциации 8 %о, а в третьей — 0,2 %о. Приведите по два примера электролитов разных классов соединений, которые могут содержаться в этих пробирках.

129*. В дополнительных источниках найдите информацию о зависимости силы электролитов от природы веществ. Установите зависимость между строением веществ, природой химических элементов, которые их образуют, и силой электролитов.

Это материал учебника

1. ЭЛЕКТРОЛИТЫ

1.1. Электролитическая диссоциация. Степень диссоциации. Сила электролитов

Согласно теории электролитической диссоциации, соли, кислоты, гидроксиды, растворяясь в воде, полностью или частично распадаются на самостоятельные частицы – ионы.

Процесс распада молекул веществ на ионы под действием полярных молекул растворителя называют электролитической диссоциацией . Вещества, диссоциирующие на ионы в растворах, называют электролитами. В результате раствор приобретает способность проводить электрический ток, т.к. в нем появляются подвижные носители электрического заряда. Согласно этой теории, при растворении в воде электролиты распадаются (диссоциируют) на положительно и отрицательно заряженные ионы. Положительно заряженные ионы называют катионами ; к ним относятся, например, ионы водорода и металлов. Отрицательно заряженные ионы называются анионами ; к ним принадлежат ионы кислотных остатков и гидроксид-ионы.

Для количественной характеристики процесса диссоциации введено понятие степени диссоциации. Степенью диссоциации электролита (α) называется отношение числа его молекул, распавшихся в данном растворе на ионы ( n ), к общему числу его молекул в растворе ( N ), или

α = .

Степень электролитической диссоциации принято выражать либо в долях единицы, либо в процентах.

Электролиты со степенью диссоциации больше 0,3 (30%) обычно называют сильными, со степенью диссоциации от 0,03 (3%) до 0,3 (30%)-средними, менее 0,03 (3%)-слабыми электролитами. Так, для 0,1 M раствора CH 3 COOH α = 0,013 (или 1,3 %). Следовательно, уксусная кислота является слабым электролитом. Степень диссоциации показывает, какая часть растворенных молекул вещества распалась на ионы. Степень электролитической диссоциации электролита в водных растворах зависит от природы электролита, его концентрации и температуры.

По своей природе электролиты можно условно разделить на две большие группы: сильные и слабые . Сильные электролиты диссоциируют практически полностью (α = 1).

К сильным электролитам относятся:

1) кислоты (H 2 SO 4 , HCl , HNO 3 , HBr , HI , HClO 4 , H М nO 4 );

2) основания – гидроксиды металлов первой группы главной подгруппы (щелочи) – LiOH , NaOH , KOH , RbOH , CsOH , а также гидроксиды щелочноземельных металлов – Ba (OH ) 2 , Ca (OH ) 2 , Sr (OH ) 2 ;.

3) соли, растворимые в воде (см. таблицу растворимости).

Слабые электролиты диссоциируют на ионы в очень малой степени, в растворах они находятся, в основном в недиссоциированном состоянии (в молекулярной форме). Для слабых электролитов устанавливается равновесие между недиссоциированными молекулами и ионами.

К слабым электролитам относятся:

1) неорганические кислоты ( H 2 CO 3 , H 2 S , HNO 2 , H 2 SO 3 , HCN , H 3 PO 4 , H 2 SiO 3 , HCNS , HСlO и др.);

2) вода (H 2 O );

3) гидроксид аммония ( NH 4 OH );

4) большинство органических кислот

(например, уксусная CH 3 COOH, муравьиная HCOOH);

5) нерастворимые и малорастворимые соли и гидроксиды некоторых металлов (см. таблицу растворимости).

Процесс электролитической диссоциации изображают, пользуясь химическими уравнениями. Например, диссоциация соляной кислоты (НС l ) записывается следующим образом:

HCl → H + + Cl – .

Основания диссоциируют с образованием катионов металла и гидроксид-ионов. Например, диссоциация КОН

КОН → К + + ОН – .

Многоосновные кислоты, а также основания многовалентных металлов диссоциируют ступенчато. Например,

H 2 CO 3 H + + HCO 3 – ,

HCO 3 – H + + CO 3 2– .

Первое равновесие – диссоциация по первой ступени – характеризуется константой

.

Для диссоциации по второй ступени:

.

В случае угольной кислоты константы диссоциации имеют следующие значения: K I = 4,3 × 10 –7 , K II = 5,6 × 10 –11 . Для ступенчатой диссоциации всегда K I >K II >K III > ... , т.к. энергия, которую необходимо затратить для отрыва иона, минимальна при отрыве его от нейтральной молекулы.

Средние (нормальные) соли, растворимые в воде, диссоциируют с образованием положительно заряженных ионов металла и отрицательно заряженных ионов кислотного остатка

Ca(NO 3) 2 → Ca 2+ + 2NO 3 –

Al 2 (SO 4) 3 → 2Al 3+ +3SO 4 2– .

Кислые соли (гидросоли) – электролиты, содержащие в анионе водород, способный отщепляться в виде иона водорода Н + . Кислые соли рассматривают как продукт, получающийся из многоосновных кислот, в которых не все атомы водорода замещены на металл. Диссоциация кислых солей происходит по ступеням, например:

KHCO 3 → K + + HCO 3 – (первая ступень)