Что не проводит электрический ток раствор хлороводорода

§ 36. Электролитическая диссоциация

Как вы знаете из уроков физики, растворы одних веществ способны проводить электрический ток, а других — нет. Чтобы опытным путём проверить эту способность у растворов различных веществ, воспользуемся следующим прибором (рис. 129).

Он состоит из стакана, в который наливают раствор исследуемого вещества. На стакан ставят пластинку из эбонита с вмонтированными в неё двумя угольными электродами, к клеммам которых присоединены провода. Один из них соединён с лампочкой.

Выходной контакт от лампочки и провод от другой клеммы идут к источнику тока. Если раствор, налитый в стакан, проводит электрический ток, то лампочка загорается, и чем лучше эта способность, тем ярче горит лампочка. Проводят электрический ток растворы солей, щелочей, кислот.

Растворы сахара, спирта, глюкозы и некоторых других веществ не проводят электрический ток.

Почему же растворы электролитов проводят электрический ток?

Шведский учёный Сванте Аррениус, изучая электропроводность растворов различных веществ, пришёл в 1877 г. к выводу, что причиной электропроводности является наличие в растворе ионов, которые образуются при растворении электролита в воде.

С. Аррениус, который придерживался физической теории растворов, не учитывал взаимодействия электролита с водой и считал, что в растворах находятся свободные ионы. В отличие от него русские химики И. А. Каблуков и В. А. Кистяковский применили к объяснению электролитической диссоциации химическую теорию Д. И. Менделеева и доказали, что при растворении электролита происходит химическое взаимодействие растворённого вещества с водой, которое приводит к образованию гидратов, а затем они диссоциируют на ионы. Они считали, что в растворах находятся не свободные, не «голые» ионы, а гидратированные, т. е. «одетые в шубку» из молекул воды.

Молекулы воды представляют собой диполи (два полюса), так как атомы водорода расположены под углом 104,5°, благодаря чему молекула имеет угловую форму. Молекула воды схематически представлена ниже.

Как правило, легче всего диссоциируют вещества с ионной связью и соответственно с ионной кристаллической решёткой, так как они уже состоят из готовых ионов. При их растворении диполи воды ориентируются противоположно заряженными концами вокруг положительных и отрицательных ионов электролита (рис. 130).

Рис. 130.
Схема электролитической диссоциации хлорида натрия на гидратированные ионы

Между ионами электролита и диполями воды возникают силы взаимного притяжения. В результате химическая связь между ионами ослабевает, и происходит переход ионов из кристалла в раствор. Очевидно, что последовательность процессов, происходящих при диссоциации веществ с ионной связью (солей и щелочей), будет такой:

1. ориентация молекул — диполей воды около ионов кристалла;
2. гидратация (взаимодействие) молекул воды с противоположно заряженными ионами поверхностного слоя кристалла;
3. диссоциация (распад) кристалла электролита на гидратированные ионы.

Упрощённо происходящие процессы можно отразить с помощью следующего уравнения:

Аналогично диссоциируют и электролиты, в молекулах которых ковалентная полярная связь (например, молекулы хлороводорода НСl, рис. 131), только в этом случае под влиянием диполей воды происходит превращение ковалентной полярной связи в ионную, и последовательность процессов, происходящих при этом, будет такая:

1. ориентация молекул воды вокруг полюсов молекулы электролита;
2. гидратация (взаимодействие) молекул воды с молекулами электролита;
3. ионизация молекул электролита (превращение ковалентной полярной связи в ионную);
4. диссоциация (распад) молекул электролита на гидратированные ионы.

Рис. 131.
Схема электролитической диссоциации полярной молекулы хлороводорода на гидратированные ионы

Уравнение диссоциации соляной кислоты:

В растворах электролитов хаотически движущиеся гидратированные ионы могут столкнуться и объединиться. Этот обратный процесс называют ассоциацией.

Свойства гидратированных и негидратированных ионов различаются. Например, негидратированный ион меди Сu 2+ — бесцветный в безводных кристаллах сульфата меди (II) CuSO₄ и имеет голубой цвет, когда гидратирован, т. е. связан с молекулами воды Сu 2+ • nH₂O. Гидратированные ионы имеют как постоянное, так и переменное число молекул воды.

В растворах электролитов наряду с ионами присутствуют и молекулы. Поэтому растворы электролитов характеризуются степенью диссоциации, которую обозначают греческой буквой α («альфа»).

Степень диссоциации электролита определяют опытным путём и выражают в долях или в процентах. Если α = 0, то диссоциация отсутствует, а если α = 1, или 100%, то электролит полностью распадается на ионы. Электролиты имеют различную степень диссоциации, т. е. степень диссоциации зависит от природы электролита. Она также зависит и от концентрации: с разбавлением раствора степень диссоциации увеличивается.

По степени электролитической диссоциации электролиты разделяют на сильные и слабые.

Сильные электролиты при растворении в воде практически полностью диссоциируют на ионы. У таких электролитов значение степени диссоциации стремится к единице в разбавленных растворах.

К сильным электролитам относят:

1. практически все соли;
2. сильные кислоты, например: H₂SO₄, НСl, HNO₃;
3. все щёлочи, например: NaOH, КOН.

Слабые электролиты при растворении в воде почти не диссоциируют на ионы. У таких электролитов значение степени диссоциации стремится к нулю.

К слабым электролитам относят:

1. слабые кислоты, например: H₂S, H₂CO₃, HNO₂;
2. водный раствор аммиака NH₃ • Н₂O.

Ключевые слова и словосочетания

1. Электролиты и неэлектролиты.
2. Электролитическая диссоциация и ассоциация.
3. Механизм диссоциации веществ с различным типом связи.
4. Степень электролитической диссоциации.
5. Сильные и слабые электролиты.

Работа с компьютером

1. Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал урока и выполните предложенные задания.
2. Найдите в Интернете электронные адреса, которые могут служить дополнительными источниками, раскрывающими содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа. Предложите учителю свою помощь в подготовке нового урока — сделайте сообщение по ключевым словам и словосочетаниям следующего параграфа.

Вопросы и задания

1. Объясните, почему раствор гидроксида калия проводит электрический ток, а раствор глюкозы С₆Н₁₂O₆ — нет.
2. Почему при разбавлении раствора электролита степень его диссоциации увеличивается?
3. Докажите, что деление химических связей на ковалентную полярную и ионную условно.
4. Как отличается по своей природе электропроводность металлов и электролитов?
5. Как объяснить электрическую проводимость водных растворов электролитов?

Источник



Теоретическая часть. Все вещества по способности проводить электрический ток можно подразделить на две группы: проводники и диэлектрики

2015-05-10
7416

Все вещества по способности проводить электрический ток можно подразделить на две группы: проводники и диэлектрики. Среди проводников есть вещества, которые проводят электрический ток за счет направленного движения электронов проводники I рода. К таким веществам относятся металлы, характеризующиеся электронной проводимостью. Существуют вещества способные проводить электрический ток в растворенном или расплавленном состояниях. Эту способность обуславливают ионы, образующиеся при диссоциации данных веществ, при растворении в полярных растворителях или при плавлении при повышенных температурах. Такие вещества, растворы или расплавы которых содержат подвижные ионы, называютэлектролитами. В отличие от металлов электролиты относятся к проводникам II рода и характеризуются ионной проводимостью. К электролитам относятся кислоты, основания и соли. Это вещества с ионным или ковалентным полярным типом связи.

Неэлектролитаминазываются вещества, растворы или расплавы которых не содержат ионов, а, следовательно, не могут проводить электрический ток. Это вещества с ковалентными неполярными или малополярными химическими связями.

· некоторые газы (азот, кислород)

· некоторые твердые вещества (сера, кремний, медь)

· некоторые органические соединения (сахароза, бензин, спирт).

Сухая кристаллическая соль хлорид натрия электрический ток не проводит. Имеющиеся в кристаллической решетке хлорида натрия ионы натрия (Nа + ) и (Сl — ) сильно притягиваются друг к другу и не могут свободно перемещаться. При растворении соли в воде ионы, образующие данный электролит, под действием полярных молекул воды отрываются друг от друга и распределяются между молекулами растворителя. Происходит процесс электролитической диссоциации.

Электролитическая диссоциация – процесс распада электролита в растворе с образованием положительно заряженных ионов (катионов) и отрицательно заряженных ионов (анионов).

При растворении в воде или при плавлении неэлектролитов, например, сахара происходит распад его кристаллов только на отдельные электронейтральные молекулы. При этом ионов не образуется и растворы или расплавы неэлектролитов электрический ток не проводят.

Для объяснения особенностей поведения электролитов шведским ученым С. Аррениусом в 1887 году была предложена теория, получившая название теории электролитической диссоциации. Сущность данной теории состоит в следующем:

1. Электролиты при растворении или в расплаве распадаются, диссоциируют на ионы – заряженные положительно (катионы) и заряженные отрицательно (анионы). Свойства ионов совершенно иные, чем у образовавших их атомов.

2. Под действием разности потенциалов, между электродами, погруженными в раствор электролита, ионы приобретают направленное движение, положительно заряженные ионы (катионы) движутся к отрицательно заряженному электроду (катоду), отрицательно заряженные (анионы) — к положительно заряженному электроду (аноду). Раствор электролита проводит электрический ток.

3. Диссоциация в общем случае является процессом обратимым. Это означает, что параллельно с распадом молекул на ионы (диссоциация), идет обратный процесс соединения ионов в молекулы (ассоциация).

Чтобы отметить эту особенность процессов электролитической диссоциации в уравнениях знак равенства заменяют знаком обратимости (D). Например, уравнение диссоциации молекул некоторого электролита (КtАn) на катион Кt + и анион Аn — записывается в виде:

Если электролит является сильным (см. далее), то преимущественно протекает процесс распада на ионы, а обратный процесс ассоциации выражен незначительно. Изображая диссоциацию таких электролитов, вместо знака обратимости ставят одну стрелку, указывающую на направление преимущественного протекание процесса.

С точки зрения теории электролитической диссоциации кислоты (по Аррениусу) – сложные вещества, диссоциирующие на катионы водорода и анионы кислотного остатка:

Кислотные остатки (С1 — , NO₃ — и др.) для различных кислот различны, но общим для всех кислот является образование в растворах иона водорода (H + ). Наличие в растворах кислот иона водорода, точнее, гидратированного иона водорода — гидроксония (H + ∙H₂O или Н₃O + ), обусловливает общие свойства кислот: кислый вкус, действие на индикаторы, взаимодействие с металлами с выделением водорода и др.

Основания (по Аррениусу)– сложные вещества, диссоциирующие анионы гидроксила и катионы металла (или заменяющих его групп).

Общие свойства оснований (мыльность на ощупь, соответствующее действие на индикатор, взаимодействие с кислотами и др.) определяются наличием в растворах оснований ионов гидроксила (ОН — ).

Солями называются сложные вещества, диссоциирующие на катионы металла и анионы кислотного остатка.

Для количественной оценки процесса электролитической диссоциации используется понятие степени электролитической диссоциации.

Степень электролитической диссоциации a — это отношение числа молекул, распавшихся на ионы (n), к общему числу молекул растворенного вещества(N_o) в растворе:

Степень диссоциации выражается в долях единицы или в процентах.

Например, если a = 30%, то это означает, что из каждых 100 молекул электролита на ионы распадается 30 молекул (a = 0, 3).

Степень электролитической диссоциации зависит от:

· природы растворяемого вещества,

Зависимость диссоциации от природы электролита определяется полярностью связей между атомами в частице электролита. Вещества с ковалентными неполярными или малополярными связями либо не диссоциируют, либо диссоциируют незначительно. Хорошо распадаются на ионы вещества с ковалентными сильно полярными или ионными связями. Следовательно, в растворах хлорида натрия (ионная связь), хлороводорода (ковалентная полярная связь) и хлора (ковалентная неполярная связь) распадаться на ионы будут NаС1 и НС1, а Сl₂ будет находиться в растворе в виде молекул.

Если же в растворе оказываются молекулы сложных веществ с различным видом связи, то распад молекулы на ионы произойдет в том месте молекулы, где атомы связаны ионной или ковалентной сильно полярной связью.

Например, молекула гидрокарбоната калия КНСО₃характеризуется наличием ионных (К–О) и ковалентных полярных (Н–О и С–О) связей.

К – О ОЭО (К) = 0,91

0,91 3,5 С = О ОЭО (Н) = 2,1

Н – О 2,5ОЭО (С) = 2,5

2,1 3,5ОЭО (О) = 3,5

ΔОЭО (К–О) = 3,5–0,91=2,59 связь ионная;

ΔОЭО (Н–О) = 3,5–2,1=1,4 связь ковалентная сильнополярная;

ΔОЭО (С–О) = 3,5–2,5=1,0 связь ковалентная слабополярная.

Наибольшую величину разности относительных электроотрицательностей (ΔО.Э.О.) имеет связь К-О и, поэтому, диссоциация обусловлена разрывом этой, наиболее полярной (фактически ионной) связи:

Диссоциация этого вещества возможна и по второй ступени. Она связана с разрывом достаточно сильно полярной связи Н – О и протекает незначительно:

II cтупень: НСО₃ — D Н + + СО₃ 2-

Разрыв малополярной связи С — О не происходит.

Важную роль в процессе диссоциации играет растворитель. Чем большей полярностью обладают молекулы растворителя, тем лучше диссоциирует в нем данный электролит, и тем больше степень диссоциации последнего. Если представить диссоциирующее вещество как систему из двух точечных зарядов, то сила взаимодействия ионов (F), на которые диссоциирует данное вещество, определяется в соответствии с законом Кулона:

Эта сила зависит не только от величины зарядов частиц (е₁ и е₂) и расстояния между ними ( r ), но и от природы среды, в которой взаимодействуют частицы. Природа среды характеризуется значением диэлектрической проницаемости ( e ), которая показывает, во сколько раз сила взаимодействия между зарядами в данной среде меньше, чем в вакууме.

Ниже приведены значения величин диэлектрической проницаемости некоторых растворителей при 25°С.

Аммиак жидкий e = 25,4

Этиловый спирт e = 25,2

Бензол e = 2,3

Раствор хлороводорода в бензоле (e = 2,3) практически не диссоциирует и не проводит электрический ток, в то время как в воде (e = 80) хлороводород диссоциирует хорошо и раствор проводит электрический ток.

Повышение температуры, как правило, увеличивает диссоциацию и при нагревании степень диссоциации возрастает.

При уменьшении концентрации электролита, т.е. при разбавлении раствора, степень диссоциации увеличивается. Поэтому, говоря о степени диссоциации, следует указывать концентрацию раствора.

В зависимости от величины степени электролитической диссоциации различают сильные и слабые электролиты.

По величине степени диссоциации в 0,1 н. растворах все электролиты можно подразделить:

a = 0 неэлектролиты,

a>30% электролиты сильные.

К сильным электролитам относятся:

· почти все растворимые соли (СuSО₄, BaС1₂, KВr),

· такие неорганические кислоты, как: HCl, HBr, HI, HClO₄, H₂SO₄, HNO₃, HMnO₄, HCrO₄ и некоторые другие;

· растворимые в воде основания: LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH, Ba(OH)₂, Sr(OH)₂ (кроме гидроксида аммония NH₄OH, который является слабым электролитом!)

К слабым электролитам относятся:

· почти все органические кислоты, например, стеариновая С₁₇Н₃₅ООН, уксусная СН₃СООН;

· нерастворимые в воде соли и гидроксиды металлов, например, BaSO₄, Ca₃(PO₄)₂, Al(ОН)₃, Сu(ОН)₂, Fе(ОН)₃.

· комплексные катионы или анионы, которые представляют из себя сложные ионы образующиеся при диссоциации в растворе, так называемых, комплексных соединений (солей, кислот и оснований), например: [Al(OH)₄] — , [Cu(NH₃)₄] 2- и др.

· К слабым электролитам относится также вода.

Второй количественной характеристикой процесса диссоциации является константа диссоциации (Кд).

Константа диссоциации представляет собой константу равновесия процесса диссоциации слабого электролита и, в отличии от степени диссоциации, не зависит от концентрации растворенного вещества в растворе.

Значения величин констант диссоциации для ряда электролитов приведены в приложении (таблица 8).

Например, циановодородная (синильная) кислота, является слабым электролитом. Как любая кислота она диссоциирует с образованием катионов водорода и анионов кислотного остатка:

Равновесие этого процесса характеризуется соответствующей константой диссоциации.

Малая величина константы диссоциации позволяет судить о незначительном распаде кислоты на ионы и смещении равновесия процесса диссоциации влево.

Равновесие процесса диссоциации в водном растворе такого вещества, как гидроксид аммония, можно представить следующим образом:

Чем меньше величина константы диссоциации электролита, тем он слабее.

Величины констант диссоциации для ряда слабых электролитов приведены в табл.8 приложения.

Ориентируясь на значение величины константы диссоциации можно делать заключение о силе электролита.

Источник

Почему кристаллический хлорид натрия не проводит электрический ток, а его раствор электропроводен?

Обсуждение вопроса:

В кристаллическом хлориде натрия ионы расположены в узлах кристаллической решетки, поэтому перемещаться они не могут, соответственно под действием электрического поля не может возникнуть направленного движения заряженных частиц, раствор не пропускает электрический ток.

При растворении в воде хлорида натрия, он распадается на ионы (Na⁺ и Cl⁻), которые могут свободно передвигаться в растворе, соответственно под действием электрического поля возникает направленное движение заряженных частиц, поэтому раствор электропроводен.

Механизм диссоциации соли состоит в том, что если кристалл соли поместить в воду, то вокруг положительных и отрицательных ионов кристаллической решётки электролита диполи воды сориентируются противоположно заряженными концами. Между ионами кристалла соли и молекулами воды возникнет притяжение, связь между ионами ослабевает, и происходит переход ионов из кристалла в раствор. Вокруг, перешедших в раствор ионов соли, образуются оболочки из диполей воды, то есть в растворе содержатся гидратированные ионы соли.

Ионы, содержащиеся в кристаллическом (твердом) веществе, расположенные в узлах кристаллической решетки, соединенные друг с другом и перемещаться не могут, поэтому твердые электролиты электрический ток не проводят. Натрий хлорид при растворении в воде распадается на ионы (положительно и отрицательно заряжены), что способны свободно передвигаться, и являются носителями зарядов. Под воздействием электрического поля движение ионов становится направленным (возникает электрический ток).

Если кристалл соли поместить в воду, то вокруг положительных и отрицательных ионов кристаллической решётки электролита диполи воды сориентируются противоположно заряженными концами. Между ионами кристалла соли и молекулами воды возникнет притяжение, связь между ионами ослабевает, и происходит переход ионов из кристалла в раствор. Перешедшие в раствор ионы остаются связанными с присоединившимися к ним молекулами воды, которые образуют гидратную оболочку иона, то есть в растворе содержатся гидратированные ионы соли.

Источник

Электропроводность растворов

Рис. 71. Установка для сравнения электропроводности растворов

Хорошими проводниками электрического тока, помимо металлов, являются расплавленные соли и основания. Способностью проводить ток обладают также водные растворы оснований и солей. Безводные кислоты — очень плохие проводники, но водные растворы кислот хорошо проводят ток. Растворы кислот, оснований и солей в других жидкостях в большинстве случаев тока не проводят, но и осмотическое давление таких растворов оказывается нормальным. Точно так же не проводят тока водные растворы сахара, спирта, глицерина и другие растворы с нормальным осмотическим давлением.

Различное отношение веществ к электрическому току легко иллюстрировать следующим опытом.

Соединим провода, идущие от осветительной сети, с двумя угольными или металлическими пластинками— электродами (рис. 71). В один из проводов включим электрическую лампу, позволяющую грубо судить о наличии тока в цепи. Погрузим теперь свободные концы электродов в сухую поваренную соль или безводную серную кислоту. Лампа не загорается, так как эти вещества не проводят тока и цепь остается незамкнутой.

Тоже самое происходит, если погрузить электроды в стакан с чистой дестиллированной водой. Но стоит только растворить в воде немного соли или прибавить к ней какой-нибудь кислоты или основания, как лампа тотчас же начинает ярко светиться. Свечение прекращается, если опустить электроды в раствор сахара, глицерина и т. п.

Сванте Аррениус (1859—1927)

Таким образом, среди растворов способностью проводить ток обладают преимущественно водные растворы кислот, оснований и солей. Сухие соли, безводные кислоты и основания (в твердом виде) тока не проводят почти не проводит тока и чистая вода. Очевидно, что при растворении в воде кислоты, основания и соли подвергаются каким-то глубоким изменениям, которые и обусловливают электропроводность получаемых растворов.

Электрический ток, проходя через растворы, вызывает в них, так же как и в расплавах, химические изменения, выражающиеся в том, что из раствора выделяются продукты разложения растворенного вещества или растворителя. Вещества, растворы которых проводят электрический ток, получили название электролитов. Электролитами являются кислоты, основания и соли.

Химический процесс, происходящий при пропускании тока через раствор электролита, называется электролизом. Исследуя продукты, выделяющиеся у электродов при электролизе кислот, оснований и солей, установили, что у катода всегда выделяются металлы или водород, а у анода — кислотные остатки или гидроксильные группы, которые затем подвергаются дальнейшим изменениям. Таким образом, первичными продуктами электролиза оказываются те же составные части кислот, оснований и солей, которые при реакциях обмена, не изменяясь, переходят из одного вещества в другое.

Сванте Аррениус (Svante Arrhenius) — шведский ученый, физико-химик, родился 19 февраля 1859 г. Был профессором университета в Стокгольме и директором Нобелевского института. В результате изучения электропроводности растворов предложил в 1887 г. теорию, объясняющую проводимость электрического тока растворами кислот, щелочей и солей, получившую название теории электролитической диссоциации.

Аррениусу принадлежит также ряд исследовании по астрономии, космической физике и в области приложения физико-химических законов к биологическим процессам.

Вы читаете, статья на тему Электропроводность растворов

Источник