11.2 Электролиты (Electrolytes)

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• давать определение электролитам и приводить их примеры;
• различать физические и химические превращения, сопровождающие растворение ионных и ковалентных электролитов;
• связывать силу электролита с силами притяжения между растворённым веществом и растворителем.

Когда некоторые вещества растворяются в воде, они претерпевают физическое или химическое превращение, в результате которого в растворе образуются ионы. Такие вещества образуют важный класс соединений, называемых электролитами (electrolytes). Вещества, которые при растворении не образуют ионов, называются неэлектролитами (nonelectrolytes). Если физический или химический процесс, дающий ионы, протекает практически на 100 % (всё растворённое соединение даёт ионы), вещество называют сильным электролитом (strong electrolyte). Если же ионообразующий процесс затрагивает лишь относительно малую долю растворённого вещества, такой электролит называют слабым (weak electrolyte).

Сильные, слабые и неэлектролиты можно различить, измерив электропроводность водного раствора, содержащего исследуемое вещество. Чтобы проводить электрический ток, вещество должно содержать свободно подвижные заряженные частицы. Наиболее привычный пример — проведение тока по металлическим проводникам, где подвижными заряженными частицами служат электроны. Растворы также способны проводить электричество, если в них находятся растворённые ионы; при этом электропроводность растёт с ростом концентрации ионов. Подавая напряжение на электроды, погружённые в раствор, можно оценить относительную концентрацию растворённых ионов — количественно, по величине электрического тока, или качественно, по яркости включённой в цепь лампочки (Рис. 11.6).

Рис. 11.6. Растворы неэлектролитов, таких как этанол, не содержат растворённых ионов и не проводят электрический ток. Растворы электролитов содержат ионы, позволяющие электричеству проходить через раствор. Электропроводность раствора электролита связана с силой электролита.

Ионные электролиты

Молекулы воды и других полярных растворителей притягиваются к ионам, как показано на рис. 11.7. Электростатическое притяжение между ионом и молекулой с дипольным моментом называется ион-дипольным взаимодействием (ion-dipole attraction). Эти взаимодействия играют важную роль при растворении ионных соединений в воде.

Рис. 11.7. При растворении хлорида калия (\(\ce{KCl}\)) в воде ионы гидратируются. Полярные молекулы воды притягиваются зарядами ионов \(\ce{K+}\) и \(\ce{Cl-}\). Молекулы воды перед и позади ионов не показаны.

Когда ионные соединения растворяются в воде, ионы исходного твёрдого тела отделяются друг от друга и равномерно распределяются по объёму раствора, поскольку молекулы воды окружают и сольватируют их, ослабляя сильное электростатическое притяжение между ионами. Этот процесс представляет собой физическое превращение, известное как диссоциация (dissociation). При большинстве условий ионные соединения при растворении диссоциируют практически полностью, и поэтому их относят к сильным электролитам. Даже малорастворимые ионные соединения являются сильными электролитами, поскольку тот небольшой их количество, которое всё же переходит в раствор, диссоциирует нацело.

Рассмотрим, что происходит на микроскопическом уровне, когда твёрдый \(\ce{KCl}\) помещают в воду. Ион-дипольные силы притягивают положительный (водородный) конец полярных молекул воды к отрицательным хлорид-ионам на поверхности кристалла, а отрицательный (кислородный) конец — к положительным ионам калия. Молекулы воды окружают отдельные ионы \(\ce{K+}\) и \(\ce{Cl-}\), ослабляя сильное межионное взаимодействие, удерживающее ионы вместе, и позволяя им переходить в раствор в виде сольватированных ионов, как показано на рис. 11.7. Преодоление электростатического притяжения позволяет каждому гидратированному иону самостоятельно перемещаться в разбавленном растворе, переходя из фиксированных положений в нерастворённом соединении в состояние широко рассеянных сольватированных ионов в растворе.

Ковалентные электролиты

Чистая вода — крайне плохой проводник электричества, поскольку она ионизована очень слабо: при \(25\ \text{°C}\) ионизируется лишь около двух молекул из каждого миллиарда. Вода ионизуется, когда одна её молекула отдаёт протон (ион \(\ce{H+}\)) другой молекуле воды с образованием ионов гидроксония и гидроксид-ионов:

\[ \ce{H2O(l) + H2O(l) -> H3O+(aq) + OH-(aq)} \]

В некоторых случаях растворы, приготовленные из ковалентных соединений, проводят электрический ток, поскольку молекулы растворённого вещества химически реагируют с растворителем, давая ионы. Например, чистый хлороводород — это газ, состоящий из ковалентных молекул \(\ce{HCl}\). Этот газ ионов не содержит. Однако водный раствор \(\ce{HCl}\) — очень хороший проводник, что говорит о наличии в растворе заметной концентрации ионов.

Поскольку \(\ce{HCl}\) является кислотой, её молекулы реагируют с водой, передавая ионы \(\ce{H+}\) с образованием ионов гидроксония (\(\ce{H3O+}\)) и хлорид-ионов (\(\ce{Cl-}\)):

\[ \ce{HCl(g) + H2O(l) -> H3O+(aq) + Cl-(aq)} \]

Эта реакция протекает для \(\ce{HCl}\) практически на 100 % (то есть \(\ce{HCl}\) — сильная кислота и, следовательно, сильный электролит). Слабые же кислоты и основания, реагирующие с водой лишь частично, при растворении дают сравнительно низкие концентрации ионов и относятся к слабым электролитам. Читателю может оказаться полезным повторить обсуждение сильных и слабых кислот в более ранней главе настоящего учебника, посвящённой классам реакций и стехиометрии.