Электропроводность растворов электролитов
Растворы и расплавы электролитов проводят электрический ток, потому что в них есть подвижные заряженные частицы — катионы и анионы. Сила проводимости зависит от природы вещества, числа и подвижности ионов, а также от температуры и концентрации раствора.
Причина электропроводности
Электролиты — вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток. К ним относятся кислоты, основания и соли. В твёрдом состоянии многие соли ток практически не проводят: ионы закреплены в кристаллической решётке и не могут перемещаться по всему веществу.
При растворении в воде или плавлении кристаллическая решётка разрушается, а частицы получают возможность двигаться. В растворе электролита положительно заряженные катионы направляются к катоду, отрицательно заряженные анионы — к аноду. Их направленное движение и создаёт электрический ток.
Электропроводность — способность раствора или расплава проводить электрический ток благодаря направленному движению подвижных ионов.
Для электропроводности необходимы две причины: наличие свободных заряженных частиц и возможность их направленного движения. Поэтому раствор сахара не проводит ток: молекулы сахара не распадаются на ионы.
В растворе ионы окружены молекулами воды и образуют гидратированные частицы. Подробнее их образование и движение рассматриваются на странице Ионы в растворе. Электрическое поле не создаёт новые ионы, а упорядочивает движение уже имеющихся.
Электролитическая диссоциация и движение ионов
Электролитическая диссоциация — распад электролита на ионы при растворении в воде или плавлении. Например, хлорид натрия в воде диссоциирует на катионы натрия и анионы хлорида. Ионы существуют в растворе не изолированно: они взаимодействуют с молекулами растворителя и друг с другом.
Внешняя цепь передаёт заряд к электродам, а внутри раствора заряд переносят ионы. Катионы движутся к отрицательному электроду — катоду, а анионы к положительному — аноду. Поэтому раствор в целом остаётся электронейтральным: количество положительных и отрицательных зарядов в нём в среднем компенсируется.
| Частица | Знак заряда | Направление в электрическом поле |
|---|---|---|
| Катион | положительный | к катоду |
| Анион | отрицательный | к аноду |
| Электрон во внешней цепи | отрицательный | движется в металлическом проводнике |
Не следует говорить, что ток в растворе создают электроны, свободно движущиеся между молекулами воды. В растворе перенос заряда осуществляют именно ионы. Электроны движутся в металлических проводах и электродах.
От чего зависит электропроводность
Электропроводность определяется несколькими факторами. Чем больше в растворе подвижных ионов, тем больше заряд может переноситься. Однако простое увеличение концентрации не всегда приводит к неограниченному росту проводимости: при высокой концентрации ионы сильнее взаимодействуют, а их подвижность уменьшается.
- Природа электролита. Сильные электролиты почти полностью диссоциируют, слабые — только частично.
- Концентрация. При разбавлении слабого электролита степень диссоциации возрастает, поэтому число ионов увеличивается.
- Подвижность ионов. Она зависит от размера и заряда иона, взаимодействия с растворителем и вязкости среды.
- Температура. При нагревании вязкость раствора обычно уменьшается, а движение ионов ускоряется, поэтому проводимость чаще всего возрастает.
- Растворитель. Вода способствует диссоциации многих веществ благодаря полярности своих молекул.
Различают сильные и слабые электролиты. Сильные кислоты, щёлочи и растворимые соли диссоциируют практически полностью. Слабые кислоты и основания образуют в растворе равновесие между молекулами и ионами. Это важно при уравнении реакции ионного обмена: в ионных уравнениях сильные растворимые электролиты записывают в виде ионов, а слабые электролиты — обычно в молекулярной форме.
Удельная электропроводность раствора \(\kappa\) обычно растёт при добавлении электролита до определённой области, потому что увеличивается число носителей заряда. Молярная электропроводность при разбавлении, напротив, возрастает, так как уменьшается взаимное торможение ионов и увеличивается степень диссоциации слабых электролитов.
Какое утверждение верно для раствора хлорида натрия?
Связь тока с движением ионов
Сила тока показывает, какой электрический заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени. В растворе этот заряд переносится всеми ионами. Если через сечение за время \(t\) проходит заряд \(q\), то сила тока определяется формулой:
Заряд, переносимый ионами, можно оценивать через число частиц, заряд одной частицы и элементарный заряд. Для иона с зарядом \(z\) по модулю заряд одной частицы равен \(|z|e\), где \(e\) — элементарный заряд. В реальном растворе одновременно движутся катионы и анионы, поэтому их вклады в общий ток складываются.
Для расчётов по химии важно сначала определить количество вещества ионов. Если электролит диссоциирует полностью по схеме \(A_mB_n \rightarrow mA^{n+}+nB^{m-}\), то из одного моля вещества образуется \(m\) молей катионов и \(n\) молей анионов.
Разобранный пример: число ионов в растворе
В растворе содержится \(0{,}20\) моль сульфата алюминия \(Al_2(SO_4)_3\). Считать диссоциацию полной. Определите количество вещества всех образовавшихся ионов.
Ответ: образуется \(0{,}40\) моль ионов \(Al^{3+}\) и \(0{,}60\) моль ионов \(SO_4^{2-}\), всего — \(1{,}00\) моль ионов. Обратите внимание: заряд раствора не становится положительным. Суммарный положительный заряд катионов равен \(0{,}40\cdot3=1{,}20\) моль элементарных зарядов, а отрицательный заряд анионов — \(0{,}60\cdot2=1{,}20\) моль.
Нельзя забывать коэффициенты перед ионами. Индекс в формуле соли показывает, сколько ионов входит в состав одной формульной единицы. Также нельзя считать, что заряд иона равен числу молей вещества: заряд \(Al^{3+}\) втрое больше по модулю заряда однозарядного иона.
Электропроводность и качественный анализ
Электропроводность помогает отличать растворы электролитов от растворов неэлектролитов, но сама по себе обычно не позволяет однозначно установить состав вещества. Для идентификации ионов используют качественные реакции: образование осадка, газа или слабого электролита. При постановке опыта необходимо соблюдать правила безопасной работы со щелочами и лабораторной посудой.
Например, при смешивании растворов электролитов ионы могут обмениваться партнёрами. Реакция считается протекающей до конца, если образуется осадок, газ или вода. Электропроводность при этом может измениться: часть ионов исчезает из раствора, превращаясь в осадок или молекулы слабого электролита.
Если нужно сравнить проводимость растворов, сначала перечислите присутствующие ионы. Затем оцените их концентрацию и подвижность. Не делайте вывод только по формуле вещества: одинаковое число формульных единиц может давать разное число ионов.
Quick-test
Проверьте себя
Главное
- Растворы и расплавы электролитов проводят ток благодаря направленному движению катионов и анионов.
- В металлическом проводнике заряд переносят электроны, а в растворе — ионы.
- Электропроводность зависит от природы электролита, концентрации, температуры, растворителя и подвижности ионов.
- Сильные электролиты диссоциируют почти полностью, слабые — частично; при записи расчётов учитывают коэффициенты диссоциации.
- Качественный анализ использует реакции, удаляющие ионы из раствора в виде осадка, газа или слабого электролита.