§ 11. Сильні та слабкі електроліти (Григорович)

Зміст

ПОМІРКУЙТЕ

Як ви вважаєте, у чому полягає «сила» електролітів? Як це пов’язано з електролітичною дисоціацією? Сформулюйте гіпотезу, чи існує причиновий зв’язок між силою електролітів і типом хімічного зв’язку в них.

«Сила» електролітів полягає в їхній здатності розпадатися на йони під час розчинення у воді. Це безпосередньо визначається повнотою електролітичної дисоціації. У розчинах сильних електролітів речовина повністю або майже повністю розпадається на йони. У розчинах слабких електролітів дисоціація є оборотною: одночасно відбуваються розпад молекул на йони та зворотне об’єднання йонів у молекули.

Гіпотеза: причиновий зв’язок між силою електролітів і типом хімічного зв’язку існує. Речовини з йонним зв’язком (більшість розчинних солей, луги) та ковалентним сильнополярним зв’язком (деякі кислоти, як-от $\mathrm{HCl}$, $\mathrm{HN}{\mathrm{O}}_3$, ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$) під дією диполів води повністю дисоціюють на йони і є сильними електролітами. Речовини з ковалентним полярним зв’язком меншої полярності дисоціюють лише частково, тому вони належать до слабких електролітів.

ДОСЛІДЖУЄМО, МОДЕЛЮЄМО, ПРОЄКТУЄМО

• За масовою часткою розчинених речовин обчисліть кількість речовини кислот або основ, що містяться у відповідних розчинах об’ємом 1 л;

Густину розбавлених водних розчинів приймаємо $\rho \approx 1\text{ г/мл}=1000\text{ г/л}$.

Дано:

• $V(\text{р-ну})=1\text{ л}$
• $\rho (\text{р-ну})=1000\text{ г/л}$
• $w(\mathrm{HCl})=0,4\%$ ($0,004$)
• $w({\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4)=1\%$ ($0,01$)
• $w(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COOH})=0,6\%$ ($0,006$)
• $w(\mathrm{NaOH})=0,4\%$ ($0,004$)
• $w(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3)=0,2\%$ ($0,002$)

Знайти:

• $n(\mathrm{HCl})-?$
• $n({\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4)-?$
• $n(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COOH})-?$
• $n(\mathrm{NaOH})-?$
• $n(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3)-?$

Розв’язання:

1) Знайдемо масу розчину об’ємом 1 л:
$m(\text{р-ну})=\rho \cdot V=1000\frac{\text{г}}{\text{л}}\cdot 1\text{ л}=1000\text{ г}$

2) Розрахуємо маси та кількості речовини розчинених сполук:

• Хлоридна кислота $\mathrm{HCl}$ ($M=1+35,5=36,5\text{ г/моль}$):
  $m(\mathrm{HCl})=m(\text{р-ну})\cdot w(\mathrm{HCl})=1000\text{ г}\cdot 0,004=4\text{ г}$
  $n(\mathrm{HCl})=\frac{m(\mathrm{HCl})}{M(\mathrm{HCl})}=\frac{4\text{ г}}{36,5\text{ г/моль}}\approx 0,11\text{ моль}$

• Сульфатна кислота ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$ ($M=2\cdot 1+32+4\cdot 16=98\text{ г/моль}$):
  $m({\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4)=m(\text{р-ну})\cdot w({\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4)=1000\text{ г}\cdot 0,01=10\text{ г}$
  $n({\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4)=\frac{m({\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4)}{M({\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4)}=\frac{10\text{ г}}{98\text{ г/моль}}\approx 0,10\text{ моль}$

• Оцтова кислота $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COOH}$ ($M=2\cdot 12+4\cdot 1+2\cdot 16=60\text{ г/моль}$):
  $m(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COOH})=m(\text{р-ну})\cdot w(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COOH})=1000\text{ г}\cdot 0,006=6\text{ г}$
  $n(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COOH})=\frac{m(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COOH})}{M(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COOH})}=\frac{6\text{ г}}{60\text{ г/моль}}=0,10\text{ моль}$

• Натрій гідроксид $\mathrm{NaOH}$ ($M=23+16+1=40\text{ г/моль}$):
  $m(\mathrm{NaOH})=m(\text{р-ну})\cdot w(\mathrm{NaOH})=1000\text{ г}\cdot 0,004=4\text{ г}$
  $n(\mathrm{NaOH})=\frac{m(\mathrm{NaOH})}{M(\mathrm{NaOH})}=\frac{4\text{ г}}{40\text{ г/моль}}=0,10\text{ моль}$

• Амоніак $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ ($M=14+3\cdot 1=17\text{ г/моль}$):
  $m(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3)=m(\text{р-ну})\cdot w(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3)=1000\text{ г}\cdot 0,002=2\text{ г}$
  $n(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3)=\frac{m(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3)}{M(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3)}=\frac{2\text{ г}}{17\text{ г/моль}}\approx 0,12\text{ моль}$

Відповідь: $n(\mathrm{HCl})\approx 0,11\text{ моль}$; $n({\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4)\approx 0,10\text{ моль}$; $n(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COOH})=0,10\text{ моль}$; $n(\mathrm{NaOH})=0,10\text{ моль}$; $n(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3)\approx 0,12\text{ моль}$.

• Чому, на вашу думку, запропоновано саме такі концентрації розчинів?

Такі масові частки підібрано для того, щоб у розчинах об’ємом 1 л містилася приблизно однакова кількість речовини кожної сполуки (близько 0,1 моль). Це дає змогу коректно порівняти електропровідність речовин за однакової кількості розчинених молекул.

• Сформулюйте гіпотезу для пояснення різної інтенсивності світіння лампочок у різних розчинах.

Інтенсивність світіння лампочки залежить від концентрації вільних йонів, які проводять електричний струм. У розчинах однакової концентрації сильні електроліти ($\mathrm{HCl}$, ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$, $\mathrm{NaOH}$) розпадаються на йони майже повністю, утворюють високу концентрацію заряджених частинок, тому лампочка світить яскраво. Слабкі електроліти ($\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COOH}$, водний розчин $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$) дисоціюють незначною мірою, утворюють малу кількість йонів, тому лампочка світить тьмяно.

ПОМІРКУЙТЕ

Чи існує фізична величина, якою можна характеризувати силу електролітів? Як ви вважаєте, у чому має полягати її зміст?

Такою величиною є ступінь електролітичної дисоціації $\alpha$. Її зміст полягає в тому, що вона показує частку розчинених молекул або формульних одиниць речовини, які розпалися на йони:

$\alpha =\frac{N_{\text{дис}}}{N_0}=\frac{n_{\text{дис}}}{n_0}$

РОБОТА З ІНФОРМАЦІЄЮ

121. Яка фізична величина кількісно характеризує силу електроліту? Чи є вона сталою в будь-яких розчинах? Як можна збільшити ступінь дисоціації електроліту?

Силу електроліту кількісно характеризує ступінь електролітичної дисоціації $\alpha$. Ця величина не є сталою, оскільки вона залежить від концентрації електроліту в розчині, температури та природи розчинника. Збільшити ступінь дисоціації слабкого електроліту можна через розбавлення розчину водою (закон розбавлення Оствальда) або за допомогою нагрівання розчину.

122. Знайдіть інформацію про залежність сили електролітів від природи речовини. Установіть залежність між будовою речовин і природою хімічних елементів, що їх утворюють, та силою електролітів.

Сила електроліту визначається міцністю та полярністю хімічного зв’язку в молекулі або кристалі. Речовини з йонною кристалічною ґраткою (луги, солі) та ковалентні сполуки з великою різницею електронегативностей елементів (сильні кислоти $\mathrm{HCl}$, $\mathrm{HBr}$, $\mathrm{HN}{\mathrm{O}}_3$, ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$) у воді розпадаються на йони повністю і є сильними електролітами.

Якщо ковалентний зв’язок є менш полярним або дуже міцним (як у $\mathrm{HF}$, ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}$, ${\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3$), молекула важче гідратується і розривається диполями води, тому дисоціація відбувається лише частково, а електроліт є слабким. В оксигеновмісних кислотах одного й того самого неметалу сила кислоти зростає зі збільшенням ступеня окиснення центрального атома, оскільки це збільшує зміщення електронної густини від атома Гідрогену і полегшує його відщеплення у вигляді йона ${\mathrm{H}}^{+}$.

РОЗУМІННЯ ЯВИЩ ПРИРОДИ (РОБОТА В ГРУПАХ)

123. Наведіть приклад: а) двохосновної кислоти, що за першою стадією є електролітом середньої сили, а за другою — слабким електролітом; б) двохосновної кислоти, що за обома стадіями є слабким електролітом.

а) Сульфітна кислота ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3$ (за І стадією $\alpha \approx 16\%$, за ІІ стадією $\alpha \ll 1\%$).

б) Сульфідна кислота ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}$ або карбонатна кислота ${\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3$.

124. У певної кислоти за першою стадією ступінь дисоціації становить 100 %, а за другою — 15 %. Яка кислота це може бути?

Цією речовиною є сульфатна кислота ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$. За першою стадією вона дисоціює повністю як сильний електроліт:
${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4\to {\mathrm{H}}^{+}+\mathrm{HS}{\mathrm{O}}_4^{-}$

За другою стадією дисоціація гідрогенсульфат-йона відбувається частково й оборотно як для електроліту середньої сили:
$\mathrm{HS}{\mathrm{O}}_4^{-}\rightleftarrows {\mathrm{H}}^{+}+\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4^{2-}$

125. Яких частинок більше в розчині гідроген сульфіду: молекул H2S, йонів H+, йонів S2– чи йонів HS–?

У розчині найбільше міститься недисоційованих молекул ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}$. Гідроген сульфід є дуже слабким електролітом ($\alpha <3\%$), тому переважна більшість його молекул не розпадається. Дисоціація за першою стадією відбувається вкрай незначно:
${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}\rightleftarrows {\mathrm{H}}^{+}+\mathrm{H}{\mathrm{S}}^{-}$

За другою стадією процес пригнічений ще сильніше:
$\mathrm{H}{\mathrm{S}}^{-}\rightleftarrows {\mathrm{H}}^{+}+{\mathrm{S}}^{2-}$

Кількість частинок у розчині спадає в такому порядку: $N({\mathrm{H}}_2\mathrm{S})>N({\mathrm{H}}^{+})>N(\mathrm{H}{\mathrm{S}}^{-})>N({\mathrm{S}}^{2-})$.

126. Із наведеного переліку речовин випишіть окремо формули: а) сильних електролітів; б) слабких електролітів. NaCl, HCl, NaOH, NaNO3, HNO3, HNO2, H2SO4, Ba(OH)2, H2S, K2S, Pb(NO3)2.

а) Сильні електроліти: $\mathrm{NaCl}$, $\mathrm{HCl}$, $\mathrm{NaOH}$, $\mathrm{NaN}{\mathrm{O}}_3$, $\mathrm{HN}{\mathrm{O}}_3$, ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$, $\mathrm{Ba}(\mathrm{OH}{)}_2$, ${\mathrm{K}}_2\mathrm{S}$, $\mathrm{Pb}(\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3{)}_2$.

б) Слабкі електроліти: $\mathrm{HN}{\mathrm{O}}_2$, ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}$.

127. Запишіть рівняння дисоціації: а) стронцій нітрату; б) меркурій(2+) хлориду; в) кальцій карбонату; г) кальцій гідроксиду; д) сульфідної кислоти. У яких речовин дисоціація відбувається оборотно?

Рівняння електролітичної дисоціації:

а) $\mathrm{Sr}(\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3{)}_2\to \mathrm{S}{\mathrm{r}}^{2+}+2N{\mathrm{O}}_3^{-}$

б) $\mathrm{HgC}{\mathrm{l}}_2\rightleftarrows \mathrm{H}{\mathrm{g}}^{2+}+2C{\mathrm{l}}^{-}$

в) $\mathrm{CaC}{\mathrm{O}}_3\rightleftarrows \mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3^{2-}$

г) $\mathrm{Ca}(\mathrm{OH}{)}_2\to \mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}+2O{\mathrm{H}}^{-}$

д) ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}\rightleftarrows {\mathrm{H}}^{+}+\mathrm{H}{\mathrm{S}}^{-}$ (І стадія)
$\mathrm{H}{\mathrm{S}}^{-}\rightleftarrows {\mathrm{H}}^{+}+{\mathrm{S}}^{2-}$ (ІІ стадія)

Дисоціація відбувається оборотно у слабких електролітів: меркурій(2+) хлориду $\mathrm{HgC}{\mathrm{l}}_2$, кальцій карбонату $\mathrm{CaC}{\mathrm{O}}_3$ та сульфідної кислоти ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}$.

128. У розчині гідроген фториду об’ємом 1 л міститься 2 г кислоти. У цьому розчині кількість речовини йонів Гідрогену становить 0,008 моль. Обчисліть кількість речовини фторид-іонів у цьому розчині. До яких кислот належить фторидна кислота?

Дано:

• $V(\text{р-ну})=1\text{ л}$
• $m(\mathrm{HF})=2\text{ г}$
• $n({\mathrm{H}}^{+})=0,008\text{ моль}$

Знайти:

• $n({\mathrm{F}}^{-})-?$
• належність $\mathrm{HF}$ за силою до групи кислот

Розв’язання:

1) Запишемо рівняння дисоціації фторидної кислоти:
$\mathrm{HF}\rightleftarrows {\mathrm{H}}^{+}+{\mathrm{F}}^{-}$

2) За рівнянням під час дисоціації однієї молекули $\mathrm{HF}$ утворюються один йон ${\mathrm{H}}^{+}$ та один йон ${\mathrm{F}}^{-}$. Отже:
$n({\mathrm{F}}^{-})=n({\mathrm{H}}^{+})=0,008\text{ моль}$

3) Обчислимо молярну масу та початкову кількість речовини розчиненої кислоти:
$M(\mathrm{HF})=1+19=20\text{ г/моль}$
$n_0(\mathrm{HF})=\frac{m(\mathrm{HF})}{M(\mathrm{HF})}=\frac{2\text{ г}}{20\text{ г/моль}}=0,1\text{ моль}$

4) Знайдемо ступінь дисоціації:
$\alpha (\mathrm{HF})=\frac{n({\mathrm{H}}^{+})}{n_0(\mathrm{HF})}\cdot 100\%=\frac{0,008\text{ моль}}{0,1\text{ моль}}\cdot 100\%=8\%$

Оскільки ступінь дисоціації перебуває в діапазоні від 3% до 30%, фторидна кислота належить до кислот (електролітів) середньої сили.

Відповідь: $n({\mathrm{F}}^{-})=0,008\text{ моль}$; фторидна кислота є електролітом середньої сили.

129. У трьох пробірках містяться однакові об’єми розчинів хлоридної, фторидної та сульфідної кислот. В усіх пробірках кількості речовини кислот однакові. Але в першій пробірці кількість речовини йонів Гідрогену становить 3 · 10–7 моль, у другій — 8 · 10–5 моль, а в третій — 0,001 моль. У якій пробірці міститься яка кислота?

Здатність кислот дисоціювати з утворенням йонів ${\mathrm{H}}^{+}$ зменшується в ряду: хлоридна кислота $\mathrm{HCl}$ (сильний електроліт) $\to$ фторидна кислота $\mathrm{HF}$ (електроліт середньої сили) $\to$ сульфідна кислота ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}$ (слабкий електроліт).

За однакової вихідної кількості речовини кислот у розчинах вміст йонів Гідрогену розподіляється так:
$3\cdot 10^{-7}\text{ моль}<8\cdot 10^{-5}\text{ моль}<0,001\text{ моль}$

Отже:

• У першій пробірці міститься сульфідна кислота ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}$, оскільки вміст йонів ${\mathrm{H}}^{+}$ тут найменший ($3\cdot 10^{-7}\text{ моль}$).
• У другій пробірці міститься фторидна кислота $\mathrm{HF}$, яка має проміжну кількість йонів ${\mathrm{H}}^{+}$ ($8\cdot 10^{-5}\text{ моль}$).
• У третій пробірці міститься хлоридна кислота $\mathrm{HCl}$, яка як сильний електроліт утворює найбільше йонів ${\mathrm{H}}^{+}$ ($0,001\text{ моль}$).

130. У першій пробірці міститься розчин електроліту, ступінь дисоціації якого становить 89 %, у другій — електроліт зі ступенем дисоціації 8 %, а в третій — 0,2 %. Наведіть по два приклади електролітів різних класів сполук, що можуть міститися в цих пробірках.

За значенням ступеня дисоціації електроліти розподіляються за групами:

• Перша пробірка ($\alpha =89\%>30\%$) містить сильний електроліт. Приклади сполук різних класів: кислота — хлоридна кислота $\mathrm{HCl}$; основа (луг) — натрій гідроксид $\mathrm{NaOH}$ (або сіль — натрій хлорид $\mathrm{NaCl}$).
• Друга пробірка ($3\%<\alpha =8\%<30\%$) містить електроліт середньої сили. Приклади сполук різних класів: кислота — ортофосфатна кислота ${\mathrm{H}}_3\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4$ або фторидна кислота $\mathrm{HF}$; сіль — меркурій(2+) хлорид $\mathrm{HgC}{\mathrm{l}}_2$.
• Третя пробірка ($\alpha =0,2\%<3\%$) містить слабкий електроліт. Приклади сполук різних класів: кислота — сульфідна кислота ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}$; основа — водний розчин амоніаку $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3\cdot {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.