Электролиттік диссоциация
Оқулық: Оспанова М.Қ., Аухадиева Қ.С., Белоусова Т.Г. Химия: 9-сынып, 1-бөлім. — Алматы: Мектеп, 2019. Мәтін — оқулық тақырыптары бойынша өз сөзімізбен жазылған конспект. Жақшадағы бет — параграфтың басталатын беті.
§1. Электролиттік диссоциация теориясының мәні (9-сынып 1-бөлім, 4-б.)
Заттардың ерітінділері электр тогын өткізу-өткізбеуіне қарай екі топқа бөлінеді. Мұны электр шамы бар өткізгіштік құралымен тексереді: электродтар ерітіндіге батырылғанда шам жанса — ерітінді ток өткізеді.
Электролиттер — ерітінділері немесе балқымалары электр тогын өткізетін заттар: қышқылдар, сілтілер, тұздар (иондық немесе күшті полюсті байланысы бар заттар).
Бейэлектролиттер — ерітінділері мен балқымалары ток өткізбейтін заттар: глюкоза, сахароза, спирт, оттек, азот, көптеген органикалық заттар (коваленттік полюссіз немесе әлсіз полюсті байланысы бар заттар). Дистилденген су да іс жүзінде ток өткізбейді.
Ерітіндінің ток өткізуі онда еркін қозғалатын зарядталған бөлшектердің — иондардың болуымен түсіндіріледі. Құрғақ ас тұзы ток өткізбейді (иондар торда бекітілген), ал оның ерітіндісі немесе балқымасы өткізеді.
Электролиттік диссоциация теориясын 1887 жылы швед ғалымы Сванте Аррениус ұсынды. Кейін орыс химиктері И.А. Каблуков пен В.А. Кистяковский иондардың су молекулаларымен әрекеттесіп, гидраттанатынын көрсетіп, теорияны толықтырды.
Электролиттік диссоциация — электролиттің суда ерігенде немесе балқығанда иондарға ыдырауы.
§2. Электролиттік диссоциация механизмі (9-сынып 1-бөлім, 8-б.)
Су молекуласы — диполь: оттек жағында ішінара теріс заряд (δ−), сутектер жағында ішінара оң заряд (δ+). Осы полюстілік судың иондарды бөліп шығара алуының себебі.
Иондық байланысы бар заттардың диссоциациясы (мысалы, NaCl): кристалды суға салғанда су диполдері теріс полюсімен Na⁺ иондарына, оң полюсімен Cl⁻ иондарына бағытталады. Иондар мен су диполдері арасындағы тартылыс кристалдағы иондар байланысын әлсіретіп, иондар ерітіндіге ауысады. Ерітіндіде иондар су молекулаларымен қоршалады — гидратталған иондар түзіледі.
Коваленттік полюсті байланысы бар заттардың диссоциациясы (мысалы, HCl): су диполдері HCl молекуласын қоршап, байланыстың полюстілігін күшейтеді; ортақ электрон жұбы толық хлорға ауысып, молекула иондарға ыдырайды: HCl → H⁺ + Cl⁻. Ерітіндіде H⁺ ионы су молекуласымен қосылып, гидроксоний ионын түзеді: H⁺ + H₂O → H₃O⁺.
Гидраттану кезінде энергия бөлінеді — сондықтан кей заттар еригенде ерітінді қызады. Кейбір иондардың гидраттары түсті: сусыз CuSO₄ ақ, ал гидратталған Cu²⁺ иондары ерітіндіні көк түске бояйды.
Еріткіштің полюстілігі маңызды: полюссіз еріткіштерде (бензол, бензин) электролиттер диссоциацияланбайды.
§3. Қышқылдардың, негіздердің және тұздардың электролиттік диссоциациясы (9-сынып 1-бөлім, 13-б.)
Қышқылдар — диссоциацияланғанда катион ретінде тек сутек катиондарын (H⁺) түзетін электролиттер: HCl → H⁺ + Cl⁻; HNO₃ → H⁺ + NO₃⁻. Қышқылдардың ортақ қасиеттерін (қышқыл дәм, индикатор түсінің өзгеруі) H⁺ иондары анықтайды.
Көп негізді қышқылдар сатылап диссоциацияланады, әр келесі саты әлсіз жүреді: H₂SO₄ → H⁺ + HSO₄⁻; HSO₄⁻ ⇄ H⁺ + SO₄²⁻. H₃PO₄ ⇄ H⁺ + H₂PO₄⁻; H₂PO₄⁻ ⇄ H⁺ + HPO₄²⁻; HPO₄²⁻ ⇄ H⁺ + PO₄³⁻.
Негіздер — диссоциацияланғанда анион ретінде тек гидроксид иондарын (OH⁻) түзетін электролиттер: NaOH → Na⁺ + OH⁻; Ba(OH)₂ → Ba²⁺ + 2OH⁻. Сілтілердің ортақ қасиеттері OH⁻ иондарына байланысты. Суда ерімейтін негіздер іс жүзінде диссоциацияланбайды.
Орта тұздар — металл катиондары (немесе NH₄⁺) мен қышқыл қалдығы аниондарына диссоциацияланатын электролиттер: Na₂SO₄ → 2Na⁺ + SO₄²⁻; Al(NO₃)₃ → Al³⁺ + 3NO₃⁻; (NH₄)₂SO₄ → 2NH₄⁺ + SO₄²⁻.
Қышқыл тұздар: NaHCO₃ → Na⁺ + HCO₃⁻ (HCO₃⁻ одан әрі өте аз диссоциацияланады). Негіздік тұздар: Mg(OH)Cl → MgOH⁺ + Cl⁻.
Ерітіндіде катиондардың жалпы оң заряды аниондардың жалпы теріс зарядына тең — ерітінді бейтарап.
§4. Диссоциация дәрежесі. Күшті және әлсіз электролиттер (9-сынып 1-бөлім, 16-б.)
Диссоциация дәрежесі (α) — иондарға ыдыраған молекулалар санының (n) ерітілген молекулалардың жалпы санына (N) қатынасы: α = n / N. Бөлшекпен (0-ден 1-ге дейін) немесе пайызбен өрнектеледі.
Мысал: ерітіндідегі 100 молекуланың 25-і иондарға ыдыраса, α = 25/100 = 0,25 (25%).
Диссоциация дәрежесі электролиттің табиғатына, концентрацияға (сұйылтқанда α артады) және температураға (көбіне қыздырғанда артады) тәуелді.
Күшті электролиттер (α → 1, ерітіндіде толық дерлік иондарға ыдырайды): барлық еритін тұздар; күшті қышқылдар — HCl, HBr, HI, HNO₃, H₂SO₄, HClO₄; сілтілер — LiOH, NaOH, KOH, Ca(OH)₂, Ba(OH)₂. Теңдеуде «→» белгісі қолданылады.
Әлсіз электролиттер (α өте аз, диссоциация қайтымды): әлсіз қышқылдар — H₂CO₃, H₂S, H₂SO₃, HNO₂, HF, H₂SiO₃, CH₃COOH; аммоний гидроксиді NH₃·H₂O; суда ерімейтін негіздер; су. Теңдеуде «⇄» белгісі қолданылады: CH₃COOH ⇄ CH₃COO⁻ + H⁺.
Орта күшті электролит — H₃PO₄ (бірінші сатысы бойынша).
Өткізгіштік құралында күшті электролит ерітіндісінде шам жарқын жанады, әлсіз электролитте күңгірт жанады.
§5. ЭДТ негізгі қағидалары. Иондардың қасиеттері (9-сынып 1-бөлім, 19-б.)
Электролиттік диссоциация теориясының негізгі қағидалары:
- электролиттер суда еригенде оң және теріс зарядты иондарға ыдырайды;
- иондар атомдар мен молекулалардан қасиеттері бойынша ерекшеленеді;
- электр тогы әсерінен катиондар катодқа (−), аниондар анодқа (+) қарай қозғалады;
- диссоциация — қайтымды процесс: иондарға ыдыраумен қатар иондардың қайта қосылуы (ассоциация) жүреді;
- диссоциация дәрежесі электролиттің табиғатына, концентрацияға және температураға байланысты.
Иондар құрамына қарай қарапайым (Na⁺, Cl⁻, S²⁻) және күрделі (NH₄⁺, SO₄²⁻, NO₃⁻, OH⁻) болып бөлінеді.
Иондардың қасиеттері атомдардікінен өзгеше: натрий атомдары сумен қатты әрекеттеседі, ал Na⁺ иондары сумен әрекеттеспейді; хлор молекулалары сарғыш-жасыл улы газ, ал Cl⁻ иондары түссіз және улы емес.
Кейбір иондар түсті: Cu²⁺ — көк, Fe³⁺ — сарғыш-қоңыр, Fe²⁺ — ақшыл-жасыл, MnO₄⁻ — күлгін (таңқурай), CrO₄²⁻ — сары, Cr₂O₇²⁻ — қызғылт сары. Na⁺, K⁺, Cl⁻, SO₄²⁻, NO₃⁻ иондары түссіз. Ерітіндінің түсі осы иондарға байланысты.
§6. Ион алмасу реакциялары (9-сынып 1-бөлім, 21-б.)
Электролит ерітінділері арасындағы реакциялар — иондар арасындағы реакциялар. Олар молекулалық, толық иондық және қысқартылған иондық теңдеулермен жазылады.
Иондық теңдеу құрастыру ережесі: күшті электролиттерді (еритін тұздар, күшті қышқылдар, сілтілер) иондар түрінде жазамыз; тұнбаларды (↓), газдарды (↑), әлсіз электролиттерді (су, әлсіз қышқылдар) және бейэлектролиттерді молекула түрінде жазамыз. Екі жақтағы бірдей иондарды қысқартамыз.
Ион алмасу реакциялары соңына дейін жүреді, егер:
- тұнба түзілсе: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl; толық иондық: Ba²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻; қысқартылған: Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓.
- газ бөлінсе: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑; қысқартылған: CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑.
- аз диссоциацияланатын зат (су) түзілсе: NaOH + HCl → NaCl + H₂O; қысқартылған: H⁺ + OH⁻ → H₂O (бейтараптанудың мәні).
Егер барлық өнімдер еритін күшті электролиттер болса, реакция жүрмейді: KCl + NaNO₃ → (барлық иондар ерітіндіде қалады).
Қысқартылған иондық теңдеу реакцияның мәнін көрсетеді: бір қысқартылған теңдеуге бірнеше молекулалық теңдеу сәйкес келуі мүмкін (Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ — кез келген еритін барий тұзы мен кез келген еритін сульфат үшін).
§7. Негіздердің қасиеттері ЭДТ тұрғысынан (9-сынып 1-бөлім, 26-б.)
Сілтілердің ортақ қасиеттері ерітіндідегі OH⁻ иондарына байланысты.
- Индикаторлармен: фенолфталеин — таңқурай түсті, лакмус — көк, метилоранж — сары; pH > 7.
- Қышқылдармен (бейтараптану): 2KOH + H₂SO₄ → K₂SO₄ + 2H₂O; OH⁻ + H⁺ → H₂O.
- Қышқылдық оксидтермен: 2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O; 2OH⁻ + CO₂ → CO₃²⁻ + H₂O.
- Тұз ерітінділерімен (тұнба түзілсе): 2NaOH + CuSO₄ → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄; Cu²⁺ + 2OH⁻ → Cu(OH)₂↓. Аммоний тұздарымен — газ: NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃↑ + H₂O.
- Амфотерлі гидроксидтермен: Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Zn(OH)₄].
Суда ерімейтін негіздер индикатор түсін өзгертпейді, қышқылдармен әрекеттеседі: Fe(OH)₃ + 3H⁺ → Fe³⁺ + 3H₂O; қыздырғанда айырылады: Cu(OH)₂ → CuO + H₂O.
§8. Қышқылдардың қасиеттері ЭДТ тұрғысынан (9-сынып 1-бөлім, 29-б.)
Қышқылдардың ортақ қасиеттері ерітіндідегі H⁺ иондарына байланысты.
- Индикаторлармен: лакмус — қызыл, метилоранж — қызғылт, фенолфталеин түссіз; pH < 7.
- Металдармен (сутекке дейінгі): Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑; иондық түрде Zn + 2H⁺ → Zn²⁺ + H₂↑ (бұл тотығу-тотықсыздану реакциясы).
- Негіздік оксидтермен: CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O; CuO + 2H⁺ → Cu²⁺ + H₂O.
- Негіздермен (бейтараптану): H⁺ + OH⁻ → H₂O; ерімейтін негізбен: Cu(OH)₂ + 2H⁺ → Cu²⁺ + 2H₂O.
- Тұздармен (тұнба, газ немесе әлсіз қышқыл түзілсе): AgNO₃ + HCl → AgCl↓ + HNO₃ (Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓); CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑ (CaCO₃ + 2H⁺ → Ca²⁺ + H₂O + CO₂↑); Na₂SiO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂SiO₃↓.
Күшті қышқыл әлсіз қышқылды оның тұзынан ығыстырады. Азот қышқылы мен концентрлі күкірт қышқылының металдармен әрекеттесуі ерекше — сутек бөлінбейді (VIII тарауды қараңыз).
§9. Тұздардың қасиеттері ЭДТ тұрғысынан (9-сынып 1-бөлім, 33-б.)
- Металдармен: белсенді металл белсенділігі төмен металды тұзының ерітіндісінен ығыстырады: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu; Fe + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cu. Шарттар: тұз еритін болуы керек, сілтілік және сілтілік-жер металдар қолданылмайды (олар сумен әрекеттеседі).
- Сілтілермен (ерімейтін негіз немесе газ түзілсе): FeCl₃ + 3NaOH → Fe(OH)₃↓ + 3NaCl; Fe³⁺ + 3OH⁻ → Fe(OH)₃↓.
- Қышқылдармен (тұнба немесе газ түзілсе): Na₂S + 2HCl → 2NaCl + H₂S↑; S²⁻ + 2H⁺ → H₂S↑.
- Басқа тұздармен (ерімейтін тұз түзілсе): AgNO₃ + KI → AgI↓ + KNO₃; Ag⁺ + I⁻ → AgI↓ (сары тұнба).
- Кейбір тұздар қыздырғанда айырылады: CaCO₃ → CaO + CO₂; NH₄Cl → NH₃ + HCl.
Алмасу реакцияларының жүру-жүрмеуін ерігіштік кестесі бойынша алдын ала болжайды.
§10. Тұздар гидролизі (9-сынып 1-бөлім, 37-б.)
Гидролиз — тұз иондарының сумен әрекеттесуі, нәтижесінде әлсіз электролит түзіліп, ортаның (pH) өзгеруі. Гидролизге әлсіз негіз катиондары немесе әлсіз қышқыл аниондары ұшырайды.
Тұздар төрт түрге бөлінеді:
- Күшті негіз + күшті қышқыл (NaCl, KNO₃, Na₂SO₄) — гидролизге ұшырамайды, орта бейтарап, pH = 7.
- Күшті негіз + әлсіз қышқыл (Na₂CO₃, Na₂S, CH₃COONa, K₂SiO₃) — анион бойынша гидролиз, орта сілтілік, pH > 7: CO₃²⁻ + H₂O ⇄ HCO₃⁻ + OH⁻. Сондықтан сода ерітіндісі фенолфталеинді таңқурай түске бояйды.
- Әлсіз негіз + күшті қышқыл (AlCl₃, ZnCl₂, CuSO₄, NH₄Cl, FeCl₃) — катион бойынша гидролиз, орта қышқылдық, pH < 7: NH₄⁺ + H₂O ⇄ NH₃·H₂O + H⁺; Cu²⁺ + H₂O ⇄ CuOH⁺ + H⁺.
- Әлсіз негіз + әлсіз қышқыл (CH₃COONH₄, (NH₄)₂CO₃) — катион бойынша да, анион бойынша да гидролизденеді; орта бейтараптыққа жақын болуы мүмкін. Кейбір тұздар (Al₂S₃, Al₂(CO₃)₃) толық гидролизденеді, сондықтан суда алынбайды: Al₂S₃ + 6H₂O → 2Al(OH)₃↓ + 3H₂S↑.
pH ұғымы: pH = 7 — бейтарап орта, pH < 7 — қышқылдық, pH > 7 — сілтілік. pH әмбебап индикатор қағазымен немесе pH-метрмен өлшенеді.
Гидролиздің маңызы: сабын ерітіндісінің сілтілік ортасы (кір жуу); топырақ қышқылдығын реттеу; ағзадағы буферлік жүйелер; суды тазартуда алюминий тұздарының гидролизі нәтижесінде түзілген Al(OH)₃ лайды өзіне жинап тұндырады.
№1 зертханалық жұмыс. Қышқыл, сілті ерітінділерінің pH-ын анықтау (9-сынып 1-бөлім, 41-б.)
1-тәжірибе: әмбебап индикатор қағазымен NaOH, Ca(OH)₂, HCl, H₂SO₄ ерітінділерінің pH мәні анықталып, кестеге жазылады. Қорытынды: pH = 7 — бейтарап, pH < 7 — қышқылдық, pH > 7 — сілтілік орта.
2-тәжірибе: тұрмыстағы ерітінділер мен шырындардың ортасын анықтау — мандарин, шие, сірке қышқылы (қышқылдық), сусабын, ыдыс жуғыш сұйықтық, ас содасы ерітіндісі (сілтілік), сүт, шай, кофе, картоп, қырыққабат, қызылша шырындары. Өсімдік өнімдері келіде құммен үгітіліп, қайнаған сумен экстракцияланады, сүзіліп, сүзіндінің pH-ы өлшенеді.
№2 зертханалық жұмыс. Тұздар гидролизі (9-сынып 1-бөлім, 42-б.)
KCl, Na₂CO₃, AlCl₃, Na₂S, NaNO₃ тұздарының ерітінділеріне әмбебап индикатор тамызылып, ортасы анықталады.
Күтілетін нәтиже: KCl және NaNO₃ — бейтарап (гидролиз жүрмейді); Na₂CO₃ және Na₂S — сілтілік (анион бойынша гидролиз); AlCl₃ — қышқылдық (катион бойынша гидролиз: Al³⁺ + H₂O ⇄ AlOH²⁺ + H⁺). Әр тұз үшін гидролиздің қысқартылған иондық теңдеуі жазылады.
№1 практикалық жұмыс. Ион алмасу реакциялары (9-сынып 1-бөлім, 42-б.)
Реактивтер: темір(III) хлориді, натрий гидроксиді, натрий карбонаты, тұз қышқылы, фенолфталеин.
Үш жағдай зерттеледі: тұнба түзілуі — FeCl₃ + 3NaOH → Fe(OH)₃↓ + 3NaCl (қоңыр тұнба; Fe³⁺ + 3OH⁻ → Fe(OH)₃↓); газ бөлінуі — Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑ (CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑); су түзілуі — фенолфталеин тамызылған сілтіге қышқыл қосқанда таңқурай түс жоғалады (H⁺ + OH⁻ → H₂O).
Әр реакция үшін молекулалық, толық және қысқартылған иондық теңдеулер жазылып, реакцияның соңына дейін жүру себебі көрсетіледі.