Меню

Вещества которые проводят электрический ток в водных растворах



Вещества которые проводят электрический ток в водных растворах

ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ДИССОЦИАЦИИ

Растворы всех веществ можно разделить на две группы: проводят электрический ток или проводниками не являются.

С особенностями растворения веществ можно познакомиться экспериментально, исследуя электропроводность растворов этих веществ с помощью прибора, изображённого на рисунке

Для объяснения особенностей водных растворов электролитов шведским ученым С. Аррениусом в 1887 г. была предложена теория электролитической диссоциации. В дальнейшем она была развита многими учеными на основе учения о строении атомов и химической связи. Современное содержание этой теории можно свести к следующим трем положениям:

1. Электролиты при растворении в воде или расплавлении распадаются (диссоциируют) на ионы – положительно (катионы) и отрицательно (анионы) заряженные частицы.

Ионы находятся в более устойчивых электронных состояниях, чем атомы. Они могут состоять из одного атома — это простые ионы ( Na + , Mg 2+ , А l 3+ и т.д.) — или из нескольких атомов — это сложные ионы ( N О3 — , SO 2- 4 , РО З- 4 и т.д.).

2. В растворах и расплавах электролиты проводят электрический ток.

Под действием электрического тока ионы приобретают направленное движение: положительно заряженные ионы движутся к катоду, отрицатель­но заряженные — к аноду. Поэтому первые называются катионами, вторые — анионами. Направленное движение ионов происходит в результате притяжения их противоположно заряженными электродами.

Электролиты – это вещества, водные растворы или расплавы которых проводят электрический ток

Неэлектролиты – это вещества, водные растворы или расплавы которых не проводят электрический ток

Вещества с ионной химической связью или ковалентной сильнополярной химической связью – кислоты, соли, основания

Вещества с ковалентной неполярной химической связью или ковалентной слабополярной химической связью

В растворах и расплавах образуются ионы

В растворах и расплавах не образуются ионы

3. Диссоциация — обратимый процесс: параллельно с распадом молекул на ионы (диссоциация) протекает процесс соединения ионов (ассоциация).

Поэтому в уравнениях электролитической диссоциации вместо знака равенства ставят знак обратимости. Например, уравнение диссоциации молекулы электролита К A на катион К + и анион А — в общем виде записывается так:

КА ↔ K + + A

Рассмотрим процесс растворения электролитов в воде

В целом молекула воды не заряжена. Но внутри молекулы Н2О атомы водорода и кислорода располагаются так, что положительные и отрицательные заряды находятся в противоположных концах молекулы (рис. 1). Поэтому молекула воды представляет собой диполь.

Рис. 1. Молекула воды полярна и представляет собой диполь

Растворение в воде веществ с ионной химической связью

(на примере хлорида натрия – поваренной соли)

Механизм электролитической диссоциации NaCl при растворении поваренной соли в воде (рис. 2) состоит в последовательном отщеплении ионов натрия и хлора полярными молекулами воды. Вслед за переходом ионов Na + и Сl – из кристалла в раствор происходит образование гидратов этих ионов.

Рис. 2. Механизм растворения хлорида натрия в воде:
а – ориентация молекул воды на поверхности кристалла NaCl и отрыв иона Na + ; б – гидратация (окружение молекулами воды) ионов Na + и Сl –

Растворение в воде веществ с ковалентной сильнополярной химической связью

(на примере соляной кислоты)

При растворении в воде соляной кислоты (в молекулах HCl cвязь между атомами ковалентная сильнополярная) происходит изменение характера химической связи. Под влиянием полярных молекул воды ковалентная полярная связь превращается в ионную. Образовавшиеся ионы остаются связанными с молекулами воды – гидратированными. Если растворитель неводный, то ионы называют сольватированными (рис.3).

Рис. 3. Диссоциация молекул HCl на ионы в водном растворе

Основные положения:

Электролитическая диссоциация – это процесс распада электролита на ионы при растворении его в воде или расплавлении.

Электролиты – это вещества, которые при растворении в воде или в расплавленном состоянии распадаются на ионы.

Ионы – это атомы или группы атомов, обладающие положительным (катионы) или отрицательным (анионы) зарядом.

Читайте также:  Литл биг тока с

Ионы отличаются от атомов как по строению, так и по свойствам

Пример 1. Сравним свойства молекулярного водорода (состоит из двух нейтральных атомов водорода) со свойствами иона.

Источник

1.4.5. Электролитическая диссоциация электролитов в водных растворах. Сильные и слабые электролиты.

Как известно из курса физики, электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц. В случае металлов, электропроводность обеспечивается подвижными электронами в кристалле, слабо связанными c ядрами атомов, что позволяет им направленно двигаться под действием разности потенциалов.

Кроме металлов, существуют также вещества растворы или расплавы которых проводят электрический ток. Такие вещества называют электролитами.

Электролиты — вещества, расплавы или водные растворы которых проводят электрический ток.

Но за счет чего обеспечивается электрическая проводимость расплавов и растворов электролитов?

Рассмотрим такое соединение как хлорида натрия. Это вещество характеризуется ионным строением. В узлах его структурной решетки находятся попеременно в шахматном порядке катионы натрия и анионы хлора:

crystal of NaCl

Как можно видеть, заряженные частицы, которые могли бы быть обеспечивать электрическую проводимость присутствуют, но статичны, т.е. неподвижны в узлах решетки. Поэтому, чтобы электрический ток смог протекать через хлорид натрия, нужно еще и обеспечить «подвижность» ионов, из которых он состоит.

Как известно, для одного и того же вещества наиболее подвижны составляющие его частицы в том случае, когда он находится в жидком, а не в твердом агрегатном состоянии. Поэтому для того, чтобы хлорид натрия смог проводить электрический ток, его необходимо расплавить, т.е. превратить в жидкость. В результате сообщения энергии кристаллу хлорида натрия в виде большого количества теплоты частично разрушаются ионные связи Na + Cl − , т.е. происходит диссоциация на свободные подвижные ионы:

Na + Cl − ↔ Na + + Cl −

Однако, добиться диссоциации хлорида натрия можно не только его плавлением, но также и его растворением в воде. Но каким образом, это становится возможным? Ведь для того чтобы произошло разрушение кристаллической решетки требуется сообщить ей энергию, что и происходило при расплавлении. Откуда же берется энергия на разрушение решетки в случае растворения?

При помещении кристалла NaCl в воду его поверхность подвергается «облепливанию» молекулами воды или гидратации, в результате которой, ионам в структурной решетке сообщается энергия, достаточная для выделения из структурной решетки и «отправления в свободное плавание» в «оболочке» из молекул воды:

dissociation of NaCl

или более упрощенно:

NaCl ↔ Na + + Cl − (участвующие в гидратации кристалла NaCl и ионов молекулы воды не записываются)

Если энергия, выделяющаяся при гидратации кристалла, меньше энергии кристаллической решетки, то его растворение и диссоциация становятся невозможными. Например, поверхность кристалла сульфата бария, помещенного в водную среду, также покрывается молекулами воды, но выделяющаяся в результате этого энергия недостаточна отрыва ионов Ba 2+ и SO4 2- из кристаллической решетки и, как следствие, становится невозможно его растворение (на самом деле возможно, но в крайне малой степени, т.к. абсолютно нерастворимых веществ не бывает).

Аналогичным образом диссоциация осуществляется также гидроксидами металлов. Например:

Помимо веществ ионного строения, электролитически диссоциировать способны также и некоторые вещества молекулярного строения с ковалентным полярным типом связи, а именно кислоты. Как и в случае ионных соединений, причина образования ионов из электронейтральных молекул кроется в их гидратации. Существование гидратированных ионов энергетически более выгодно, чем существование гидратированных молекул. Например, диссоциация молекулы соляной кислоты выглядит примерно следующим образом:

dissociation of hydrochloric acid 2

Гидратация катионов водорода настолько сильна, что можно говорить не просто о катионе водорода, окружённом молекулами воды (как это было с катионами натрия), а о полноценной частице – ионе гидроксония H3O + , содержащей три полноценные ковалентные связи H-О, одна из которых образована по донорно-акцепторному механизму. Таким образом, уравнение диссоциации соляной кислоты правильнее записывать так:

Тем не менее, даже в этом случае, чаще всего, уравнение диссоциации соляной кислоты, впрочем, как и любой другой, записывают, игнорируя явное участие в диссоциации кислот молекул воды.

Читайте также:  Магнитный двигатель без тока

Диссоциация многоосновных кислот протекает ступенчато, например:

Таким образом, как мы уже выяснили, к электролитам относят: соли, кислоты и основания.

Для описания способности электролитов к электролитической диссоциации используют величину, которая называется степенью диссоциации (α).

Степень диссоциации – отношение числа продиссоциировавших частиц, к общему числу растворенных частиц.

Источник

Общие сведения. Вещества, водные растворы которых проводят электрический ток, называются электролитами

Вещества, водные растворы которых проводят электрический ток, называются электролитами. В отличие от металлов, имеющих электронную проводимость и полупроводников, имеющих электронно-дырочную проводимость, электролиты обладают ионной проводимостью.

Иногда электролитами называют и сами проводящие растворы, хотя более правильное выражение – раствор электролита.

Молекулы воды в незначительной степени распадаются на ионы:

Концентрация ионов водорода определяет кислотность раствора, а концентрация ионов гидроксила характеризует щелочность раствора. В чистой воде концентрации ионов Н + и ОН — равны. Чистая вода диссоциирует очень слабо. В 1 моль воды при 22º С распадается на ионы всего моль.

Однако получить такую воду очень трудно, т.к. в воздухе всегда присутствует углекислый газ, который, растворяясь воде, увеличивает концентрацию водородных ионов. Так как вода имеет большую диэлектрическую проницаемость ( ) и молекулы воды обладают значительным дипольным моментом ( Кл∙м), то вокруг молекул воды на межатомных расстояниях ( нм) существует довольно сильное электрическое поле. Последнее является непосредственной причиной, ослабляющей силу электростатического притяжения ионов в молекулах растворенного вещества. Поэтому в процессе растворения соли или щелочи за счет тепловых соударений происходит распад молекул на анионы и катионы. Если молекулы растворенного вещества в воде не диссоциируют на ионы, то раствор не является проводником. Например, водные растворы сахаров, глицерина – изоляторы.

Результатом диссоциации является образование сольватов (гидратов), когда молекулы воды «обволакивают» ионы, образуя вокруг них сольватную оболочку (рисунок 1).

Рисунок 1 Сольватные оболочки: а – катиона; б – аниона

Для возникновения электрического тока в электролите, необходимо в ванну с раствором электролита опустить электроды из проводящего материала (металл, уголь и т.п.), к которым подключить источник тока (рисунок 2). Такое устройство называется гальванической или электролитической ванной.

Рисунок 2 Электролитическая ванна: 1 — ванна с раствором

медного купороса; 2 — катод; 3 – источник тока; 4 анод;

и — скорости положительных и отрицательных ионов

На ион в электролите действуют две силы: сила со стороны электрического поля и сила сопротивления движению со стороны среды . Сила, действующая со стороны электрического поля, вычисляется по формуле:

где — заряд иона, Кл; — напряженность электрического поля, .

Сила , обусловленная взаимодействием молекул, окружающих ион, пропорциональна скорости :

где — коэффициент сопротивления движению ионов в среде.

При движении иона в электролите между силами быстро устанавливается равновесие и движение иона между электродами можно рассматривать как равномерное и прямолинейное, поэтому:

Если обозначить , то . Коэффициент b называется подвижностью ионов. Физический смысл подвижности в том, что она характеризует скорость ионов в электролите при напряженности электрического поля Е = 1 .

Так как ток в электролитах представляет собой упорядоченное движение ионов обоих знаков, обусловленное действием внешнего электрического поля, то плотность тока в электролите определяется выражением:

где n + и — — концентрации катионов и анионов; + и — — — скорости их дрейфа, + и — — их заряды.

Происходящие на катоде и на аноде окислительно-восстанови-тельные реакции подчиняются законам Фарадея.

Первый закон: масса выделившегося на электроде вещества пропорциональна протекшему через электролит заряду:

где — электрохимический эквивалент; I – сила тока, А; t — время, с.

Электрохимические эквиваленты ряда элементов приведены в таблице 1.

Таблица 1 Значения электрохимических эквивалентов

для некоторых веществ

Второй закон: электрохимические эквиваленты элементов прямо пропорциональны их химическим эквивалентам:

где F — число Фарадея (F=96500 ); M – молярная масса выделившегося на электроде вещества; n – его валентность, — химический эквивалент.

Продукты электровосстановления или электроокисления ионов электролита могут вступить в химические реакции с раствором вблизи электрода. Такие процессы называются вторичными реакциями.

Все эти процессы находят применение в различных отраслях техники, многие из них используются также в медицине.

Источник

Электролитическая диссоциация

Электролитическая диссоциация электролитов в водных растворах. Сильные и слабые электролиты.

электролиты

В начале XIX века была замечена способность растворов многих веществ проводить электрический ток (была обнаружена Майклом Фарадеем). Исследование электропроводности растворов показало, что растворы и расплавы многих веществ (например, поваренной соли) проводят электрический ток. Зато дистиллированная вода, кристаллические вещества и растворы некоторых других веществ (например, сахарозы) не проводит электрический ток – лампочка не горит, если замкнуть цепь.
Вещества, которые проводят электрический ток назвали электролитами, вещества, непроводящие ток – неэлектролиты. Электролиты делятся на сильные и слабые. Сильные хорошо проводят ток, лампочка горит ярко, слабые – плохо проводят ток, лампочка горит тускло, например, в растворе уксусной кислоты (см. рисунок).

В чем же причина электропроводности? Почему одни вещества проводят электрический ток, а другие нет?

Электрический ток – это направленно движение заряженных частиц под действием разности потенциалов. Электрический ток в металлах осуществляется за счет электронов, именно электроны являются носителями заряда. А в растворах и расплавах заряд переносят ионы. Вещества, которые распадаются на ионы в растворе или расплаве и проводят электрический ток называются электролитами.

Запомнить! Электролиты – вещества, которые проводят электрический ток в растворах. Электролиты в растворах распадаются на заряженные частицы – ионы, которые могут передвигаться к электродам. Это и есть причина электрического тока в растворах.

Химическая связь в электролитах — ионная или ковалентная сильнополярная (соли, кислоты, основания).

Неэлектролиты – вещества, которые не проводят электрический ток в растворах. Связь в таких веществах — ковалентная неполярная и слабополярная. При растворении они образуют не ионы, а молекулы, которые не способны переносить электрический ток, например, органические вещества (сахароза, бензин, спирт).

Теория электролитической диссоциации была сформулирована Сванте Аррениусом в 1887 году, но актуальна и по сей день. Основные положения этой теории:

  1. При растворении в воде (или расплавлении) электролиты распадаются на положительно и отрицательно заряженные ионы (подвергаются электролитической диссоциации).
  2. Под действием электрического тока катионы двигаются к катоду (-), а анионы – к аноду (+).
  3. Электролитическая диссоциация — процесс обратимый.
  4. Сила электролита ( на сколько полно происходит распад на ионы) определяется степенью диссоциации, обозначается α (альфа) . Она показывает отношение числа молекул, распавшихся на ионы (n) к общему числу молекул, введенных в раствор (N). Изменяется от 0 до 1, или в прощентах от 0 до 100% 0 означает – совсем не распадается на ионы, 1 или 100% — все молекулы распались на ионы.

Степень электролитической диссоциации (α) зависит от природы электролита и растворителя, температуры и концентрации.

В зависимости от значения степени диссоциации, электролиты можно разделить на сильные, средние и слабые.

elektrolity-klassifikaciya

Сильные электролиты имеют степень диссоциации α > 30%, средние от 3 – 30%, а слабые – меньше 3%.

К сильным относят все раств. соли, все щелочи и некоторые кислоты. В растворе эти соединения практически полностью распадаются на ионы.

При написании уравнений диссоциации помните, что суммарный заряд катионов и анионов должен быть равен нулю.

Эти реакции распада на ионы протекают необратимо (только в одну сторону), ионы обратно не соединяются в кристаллическую решетку, препятствуют молекулы воды, окружающие эти ионы (гидратные оболочки).

К электролиам средней силы относят гидроксид магния, сернистую и фосфорную кислоты.
К слабым электролитам, которые лишь частично распадаются на ионы, α Опубликовано admin в 15:59

Источник