Сначала изучите: Растворы и концентрация
Почему раствор поваренной соли проводит электрический ток, а раствор сахара — нет? Ответ — в электролитической диссоциации: при растворении в воде некоторые вещества распадаются на свободно движущиеся ионы, и именно ионы переносят ток. Эта теория объясняет реакции в растворах: свойства кислот и оснований, выпадение осадков, выделение газов, среду раствора (pH) и гидролиз солей — всё это процессы между ионами. Составление ионных уравнений, различение сильных и слабых электролитов, определение среды — одна из самых частых и требующих точных знаний тем экзамена.
Теорию предложил шведский учёный С. Аррениус (1887). Основные положения:
Причина диссоциации — полярные молекулы воды окружают ионы кристаллической решётки (гидратируют их) и разделяют их. Поэтому ионы в растворе на самом деле гидратированы. Например, голубой цвет раствора сульфата меди характерен для гидратированных ионов Cu²⁺, а безводный CuSO₄ — белый.
NaCl → Na⁺ + Cl⁻; H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄²⁻; Ba(OH)₂ → Ba²⁺ + 2OH⁻; Al₂(SO₄)₃ → 2Al³⁺ + 3SO₄²⁻
С точки зрения теории: кислота — электролит, который при диссоциации даёт в качестве катионов только H⁺; основание — электролит, дающий в качестве анионов только OH⁻; соль — электролит, распадающийся на катионы металла (или NH₄⁺) и анионы кислотного остатка.
Многоосновные кислоты и многокислотные основания диссоциируют ступенчато, первая ступень самая сильная: H₃PO₄ ⇌ H⁺ + H₂PO₄⁻, H₂PO₄⁻ ⇌ H⁺ + HPO₄²⁻, HPO₄²⁻ ⇌ H⁺ + PO₄³⁻.
α = n(продиссоциировавших молекул)/n(растворённых молекул); выражается в долях или процентах
Степень диссоциации зависит от природы электролита, концентрации (при разбавлении α растёт) и температуры.
Сколько ионов образуется при полной диссоциации 0,2 моль Al₂(SO₄)₃?
Реакции между растворами электролитов на самом деле идут между ионами. Чтобы реакция ионного обмена шла до конца (необратимо), среди продуктов должен быть осадок, газ или слабый электролит (например, вода). Иначе ионы просто остаются смешанными в растворе.
Правило составления ионных уравнений: сильные растворимые электролиты записывают в виде ионов, а осадки, газы, воду и другие слабые электролиты — в виде молекул. Одинаковые ионы в обеих частях сокращают.
Молекулярное: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl
Полное ионное: Ba²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻
Сокращённое ионное: Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓
Сокращённое ионное уравнение показывает суть реакции: любая растворимая соль бария реагирует с любым растворимым сульфатом точно так же. Другие примеры:
Вода — очень слабый электролит: H₂O ⇌ H⁺ + OH⁻. При 25 °C в чистой воде [H⁺] = [OH⁻] = 10⁻⁷ моль/л.
[H⁺]·[OH⁻] = 10⁻¹⁴ (ионное произведение воды); pH = −lg[H⁺]; pH + pOH = 14
pH < 7 — кислая среда, pH = 7 — нейтральная, pH > 7 — щелочная
Индикаторы: лакмус (в кислоте красный, в щёлочи синий), фенолфталеин (в нейтральной и кислой среде бесцветный, в щелочной малиновый), метиловый оранжевый (в кислоте красный, в нейтральной оранжевый, в щелочной жёлтый).
Найдите pH растворов 0,001 М HCl и 0,01 М NaOH.
Смешали 100 мл 0,2 М HCl и 100 мл 0,1 М NaOH. Найдите pH раствора.
Гидролиз — взаимодействие ионов соли с водой с образованием слабого электролита и изменением среды. Правило: «побеждает сильный» — среда соответствует более сильному компоненту, образовавшему соль.
Поэтому при смешивании растворов AlCl₃ и Na₂CO₃ образуется не карбонат алюминия, а осадок гидроксида и CO₂: 2AlCl₃ + 3Na₂CO₃ + 3H₂O → 2Al(OH)₃↓ + 6NaCl + 3CO₂↑. Гидролиз усиливается при нагревании и разбавлении. Практическое значение: раствор соды (Na₂CO₃) щелочной и поэтому отмывает жирную посуду; Al(OH)₃, образующийся при гидролизе сульфата алюминия, при очистке воды захватывает и осаждает частицы мути; среда почвы тоже зависит от гидролиза содержащихся в ней солей.