Вода - самый известный растворитель во всем мире, который широко распространён в природе. В воде протекают многие каталитические реакции нашего организма, поэтому она необходима для всего живого мира.
При растворении многих веществ в воде, как в сильно полярном растворителе, претерпевают значительные изменения. В ряде случаев это проявляется в электрической проводимости водных растворов, а иногда и в полном химическом преображении. Наша задача - рассмотреть механизм растворение веществ в различных типах растворителей, и в воде в том числе.
Что такое электролитическая диссоциация?
Химически чистая вода практически не проводит электрический ток. Водные растворы многих органических веществ: кетонов, альдегидов, спиртов, карбоновых кислот, - также неэлектропроводные. Однако, как только Вы растворите неорганическое вещество: соль, основание, кислоту, - как раствор приобретает электропроводимость. Почему одни вещества могут растворятся в воде с приобретением электропроводимости раствора, а другие таких свойств при растворении не проявляют.
Свойства электропроводимости появляются только в случае, если вещества при попадании в растворитель, состоят из ионов, т.е. являются ионными кристаллами, или из молекул, способных распадаться на ионы или вызывать ионизацию растворителя, как в случае NH₃ + H₂O. Частицы в жидкой фазе могут совершать поступательные движения, именно поэтому электропроводимость возможна; расплавы электролитов тоже обладают подобным свойством.
Электролиты - вещества, способные проводить электрический ток в растворенном или расплавленном состоянии. При этом электропроводимость в растворах сильно отличается от проводимости в металлах, поэтому электролиты называют проводниками второго рода.
В свою очередь, электролитическая диссоциация - это способность вещества распадаться на ионы под действием растворителя. Данный процесс состоит из трех этапов.
- Первый этап - сольватация.
Молекулы воды представляют собой диполь - то есть один край заряжен положительно, а другой - отрицательно. В связи с этим диполь пространственно ориентируется вокруг молекулы электролита, притягиваясь противоположными зарядами к ионам.
Далее происходит ионизация растворителя - ориентирование молекул воды вокруг иона соответствующим зарядом диполи.
При этом процессе выделяется колоссальное количество энергии, поскольку разрушение кристаллической решетки, которая емкая и насыщенная энергетически, и образование водородный и донорно-акцепторных связей, т.е. менее затратных по энергии, создает ее избыток и переходит в тепловую энергию. Такая энергия называется энергией сольватации.
Энергия сольватации сопоставима с энергией кристаллической решетки, идет разрушение кристаллической решетки.
Аналогично диссоциируют и молекулы, которые образованы полярной ковалентной связи. Вокруг каждой полярной молекулы вещества ориентируются молекулы растворителя по принципам электростатического взаимодействия, т.е. диссоциация засчет ориентирования диполей - молекул растворителя.
Растворы электролитов
Все вещества делятся на две категории: электролиты и неэлектролиты.
К электролитам относятся кислоты, щёлочи и соли. Неэлектролиты – это вещества, которые не распадаются на ионы и не проводят электрический ток. К ним относятся большинство органических соединений, такие как сахар и спирт.
Процесс электролитической диссоциации происходит благодаря взаимодействию молекул вещества с молекулами растворителя. В случае водных растворов, молекулы воды взаимодействуют с молекулами вещества, что приводит к их распаду на ионы.
Степень диссоциации вещества зависит от его природы и условий проведения процесса. Некоторые вещества полностью диссоциируют в растворе, в то время как другие диссоциируют лишь частично. Степень диссоциации можно выразить через коэффициент α, который показывает, какая часть молекул вещества распалась на ионы.
Значение степени диссоциации имеет свойство увеличиваться при разбавлении раствора. Сильные электролиты
Электролитическая диссоциация имеет важное значение в различных областях химии и технологии. Она используется для получения чистых веществ, в производстве химических реактивов, а также в электрохимии для создания источников тока.
В растворах и расплавах электролиты диссоциируют на ионы - заряженные частицы, образование которых объясняет электропроводимость растворов.
Примеры уравнений диссоциации веществ:
Сильные электролиты - вещества, которые практически полностью распадаются на ионы при попадании в растворитель, и данное вещество находится в основном в виде ионов. Малорастворимые соединения обычно относим к сильным электролитам.
Слабые электролиты - вещества, которые в растворах только частично диссоциируют на ионы. Поэтому такие растворы наряду с ионами содержат недиссоциированные молекулы, и концентрации вещества в виде ионов небольшие.
К слабым электролитам относятся следующие группы веществ:
- нерастворимые основания и амфотерные гидроксиды: Mg(OH)₂, Al(OH)₃ и т.д.
- органические вещества неионного строения: CH₃COOH, CH₄, C₂H₅OH.
- все оксиды и простые вещества
- нестабильный неорганические кислоты: H₂CO₃ ➝ CO₂ + H₂O, H₂SO₃ ➝ SO₂ + H₂O,
Диссоциация бывает одноступенчатой и многоступенчатой. Приведем примеры многоступенчатой диссоциации кислот и оснований.
В случае сильных электролитов (растворимые кислоты, соли, основания) - диссоциация происходит необратимо, образуя гидраты ионов. В общем случае для любого растворителя можно такие молекулы назвать сольватами ионов.
Диссоциация - обратимый процесс, поэтому для диссоциации веществ в растворе справедливы общие законы равновесия. Так, процесс диссоциации электролитов в целом можно описать общим уравнением:
KatₓAnₑ ➜ xKat⁺ⁿ + eAn⁻ⁱ.