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 повній чи частковій здатності розпадатися на йони під час розчинення у воді або розплавлення. Цей процес розпаду, називається електролітичною дисоціацією.
Гіпотеза: причиновий зв’язок між силою електролітів і типом хімічного зв’язку в них існує. Речовини з йонним зв’язком (розчинні солі, луги) або дуже полярним ковалентним зв’язком (сильні кислоти) під дією диполів води повністю дисоціюють на йони і є сильними електролітами. Речовини з з менш полярним ковалентним зв’язком (нерозчинні солі і гідроксиди, слабкі кислоти) дисоціюють частково, певна частка існує у вигляді молекул, 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 ρ≈1 г/мл=1000 г/л.
Дано: V(р–ну)=1 л, ρ(р–ну)=1000 г/л, ω(HCl)=0,4%, ω(H2SO4)=1%,
ω(CH3COOH)=0,6%, ω(NaOH)=0,4%, ω(NH3)=0,2%.
Знайти: n(HCl)−?, n(H2SO4)−?, n(CH3COOH)−?, n(NaOH)−?, n(NH3)−?
Розв’язання
1) Обчислюємо масу відповідного розбавленого водного розчину об’ємом 1 л.
m(р–ну) = ρ(р–ну)•V(р–ну)=1000 г/л • 1 л=1000 г
2) Обчислюємо маси розчинених сполук:
m(HCl)=m(р–ну)•ω(HCl)=1000 г • 1% : 100% = 10 г
m(H2SO4)=m(р–ну)•ω(H2SO4)=1000 г • 0,4% : 100% = 4 г
m(CH3COOH)=m(р–ну)•ω(CH3COOH)=1000 г • 0,6% : 100% = 6 г
m(NaOH)=m(р–ну)•ω(NaOH)=1000 г • 0,4% : 100% = 4 г
m(NH3)=m(р–ну)•ω(NH3)=1000 г • 0,2% : 100% = 2 г
3) Обчислюємо кількість речовини розчинених сполук:
Mr(HCl)= Ar(H)+Ar(Cl)=1 + 35,5 = 36,5, тому M(HCl)=36,5 г/моль
n(HCl)=m(HCl):M(HCl)=4 г : 36,5 г/моль ≈ 0,11 моль
Mr(H2SO4)= 2Ar(H)+Ar(S)+4Ar(O)=2•1 + 32 + 4•16 = 98, тому M(H2SO4)=98 г/моль
n(H2SO4)=m(H2SO4):M(H2SO4)=10 г : 98 г/моль ≈ 0,10 моль
Mr(CH3COOH)= 2Ar(C)+3Ar(H)+2Ar(O)=2•12+3•1+2•16 =60, тому M(CH3COOH)=60 г/моль
n(CH3COOH)=m(CH3COOH):M(CH3COOH)=6 г : 60 г/моль = 0,10 моль
Mr(NaOH)= Ar(Na)+Ar(O)+Ar(H)=23 + 16+1 = 40, тому M(NaOH)=40 г/моль
n(NaOH)=m(NaOH):M(NaOH)=4 г : 40 г/моль = 0,10 моль
Mr(NH3)= Ar(N)+3Ar(H)=14 + 3•1 = 17, тому M(NH3)=17 г/моль
n(NH3)=m(NH3):M(NH3)=2 г : 17 г/моль ≈ 0,12 моль
Відповідь: n(HCl)≈0,11 моль; n(H2SO4)≈0,10 моль; n(CH3COOH)=0,10 моль; n(NaOH)=0,10 моль; n(NH3)≈0,12 моль.
Чому, на вашу думку, запропоновано саме такі концентрації розчинів?
Запропоновано саме такі масові частки, щоб у розчинах об’ємом 1 л містилася майже однакова кількість речовини (близько 0,1 моль). Оскільки в однаковій кількості речовини міститься однакове число молекул, то це дає змогу коректно порівняти електропровідність речовин за однакової кількості молекул.
Сформулюйте гіпотезу для пояснення різної інтенсивності світіння лампочок у різних розчинах.
Інтенсивність світіння лампочок залежить від концентрації йонів в різних розчинах, які можуть вільно рухатися, завдяки чому розчини проводять електричний струм. У розчинах сильні електроліти (HCl, H2SO4, NaOH) дисоціюють на йони майже повністю (необоротно), утворюючи велику концентрацію вільних йонів, тому лампочка світить яскраво. Слабкі електроліти (CH3COOH, водний розчин NH3) дисоціюють не повністю (оборотно), утворюючи 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?
Для кількісної характеристики сили електролітів використовують фізичну величину — ступінь електролітичної дисоціації α. Зміст цієї фізичної величини полягає в тому, що вона показує частку молекул або формульних одиниць речовини, які розпалися в розчині на йони. Чим повніше дисоціює електроліт, тим більший його ступінь дисоціації.
Ступінь дисоціації α дорівнює відношенню числа молекул N або кількості речовини n, що розпалися на йони, до загального числа молекул N0 або кількості розчиненої речовини n0: α=Nдис/N0=nдис/n0.
Робота з інформацією
Вправа 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 α. Ця величина не є сталою в будь–яких розчинах, бо залежить від концентрації електроліту, температури та природи розчинника. Збільшити ступінь дисоціації електроліту можна: розбавити розчин водою або підігріти.
Вправа 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.
Силу електролітів можна пояснити полярністю хімічного зв’язку, що розривається під час дисоціації. Чим більш полярним є зв’язок, тим легше під дією молекул води він перетворюється на йонний, тому тим сильнішим є електроліт. У солях і гідроксидах полярність зв’язку найбільша, оскільки між йонами металічних елементів, кислотними залишками та гідроксид–іонами існує йонний зв’язок, тому всі розчинні солі й основи — сильні електроліти. В оксигеновмісних кислотах під час дисоціації розривається зв’язок O—H, полярність якого залежить від якісного й кількісного складу кислотного залишку, тобто сили оксигеновмісної кислоти — сильна, середньої сили чи слабка.
Вправа 123
Наведіть приклад:
а) двохосновної кислоти, що за першою стадією є електролітом середньої сили, а за другою — слабким електролітом;
Cульфітна кислота H2SО3 або ортофосфатна кислота H3PO4, що є кислотами середньої сили.
б) двохосновної кислоти, що за обома стадіями є слабким електролітом.
Сульфідна кислота H2S або карбонатна кислота H2CO3, що є слабкими кислотами.
Вправа 124
У певної кислоти за першою стадією ступінь дисоціації становить 100 %, а за другою — 15 %. Яка кислота це може бути? Сильна кислота H2SO4.
За першою стадією кислота дисоціює необоротно (H2SO4 → H+ + HSO4−), як сильний
електроліт, а на другій стадії оборотно (HSO4− ⇄ H+ + SO42−), як слабкий електроліт.
Вправа 125
Яких частинок більше в розчині гідроген сульфіду: молекул H2S, йонів H+, йонів S2– чи йонів HS–?
Розчин гідроген сульфіду — слабка сульфідна кислота, тому розпадається на йони лише частково, є слабким електролітом (α<3%) з оборотною дисоціацією:
Перша стадія: H2S ⇄ H+ + HS−
Друга стадія: HS− ⇄ H+ +S2−
Тому кількість частинок у розчині спадає в такому порядку:
N(H2S)>N(H+)>N(HS−)>N(S2−), отже, найбільше в розчині молекул H2S.
Відповідь: молекул H2О.
Вправа 126
Із наведеного переліку речовин NaCl, HCl, NaOH, NaNO3, HNO3, HNO2, H2SO4, Ba(OH)2, H2S, K2S, Pb(NO3)2 випишіть окремо формули:
а) сильних електролітів;
NaCl, HCl, NaOH, NaNO3, HNO3, H2SO4, Ba(OH)2, K2S, Pb(NO3)2.
б) слабких електролітів.
HNO2, H2S.
Вправа 127
Запишіть рівняння дисоціації:
а) стронцій нітрату; Sr(NO3)2 → Sr2+ + 2NO3−
б) меркурій (2+) хлориду; HgCl2 ⇄ Hg2+ +2Cl−
в) кальцій карбонату; CaCO3 ⇄ Ca2+ + CO32−
г) кальцій гідроксиду; Ca(OH)2 → Ca2+ + 2OH−
д) сульфідної кислоти.
Перша стадія: H2S ⇄ H+ + HS−
Друга стадія: HS− ⇄ H+ + S2−
У яких речовин дисоціація відбувається оборотно?
Оборотно відбувається дисоціація слабких електролітів: меркурій (2+) хлорид HgCl2, кальцій карбонат CaCO3 та сульфідна кислота H2S.
Вправа 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(р–ну)=1 л, m(HF)=2 г, n(H+)=0,008 моль.
Знайти: n(F−)−?, α(HF)–?
1. Запишемо рівняння дисоціації флуоридної кислоти: HF ⇄ H+ + F−
Під час дисоціації з однієї молекули кислоти утворюється один йон Гідрогену і один флуорид–іон. Якщо в розчині наявні 0,008 моль йонів H+, то наявна така ж кількість йонів F–, тому n(F–)=0,008 моль.
2. Обчислимо кількість речовини фторидної кислоти.
Mr(HF)=Ar(H)+Ar(F)=19+1=20, тому M(HF)=20 г/моль
n(HF)=m(HF)/M(HF)=2 г : 20 г/моль = 0,1 моль
3. Обчислюємо ступінь дисоціації.
α(HF)=nдис(F–)/n(HF)=0,008 моль:0,1 моль=0,08, або 8%
Оскільки 3% < 8% < 30%, тому фторидна кислота належить до кислот середньої сили.
Відповідь: n(F−)=0,008 моль; фторидна кислота є кислотою середньої сили.
Вправа 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?
За умовою при однаковій кількості речовини усіх кислот вміст йонів Гідрогену в розчинах
зростає в ряду: 3•10–7 моль < 8•10–5 моль < 0,001 моль.
Чим більшою є кількість речовини йонів Гідрогену у розчині, тим сильнішою є кислота.
Здатність кислот дисоціювати з утворенням йонів H+ збільшується в ряду:
сульфідна кислота H2S (слабкий електроліт) → фторидна кислота HF (електроліт середньої сили) → хлоридна кислота HCl (сильний електроліт).
Таким чином, в першій пробірці з найменшою кількістю речовини йонів Гідрогену (3•10–7 моль) міститься сульфідна кислота, в другій пробірці з більшою кількістю речовини йонів Гідрогену (8•10–5 моль) міститься фторидна кислота, а в третій пробірці з найбільшою кількістю речовини йонів Гідрогену (0,001 моль) міститься хлоридна кислота.
Відповідь: сульфідна кислота, фторидна кислота, хлоридна кислота.
Вправа 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.
У першій пробірці міститься сильний електроліт (ступінь дисоціації більший 30%).
Прикладом сполуки класу кислот є сульфатна кислота H2SO4, а прикладом сполуки класу основ — розчинний гідроксид (луг) натрій гідроксид NaOH.
У другій пробірці міститься електроліт середньої сили (ступінь дисоціації перебуває у межах від 3% до 30%).
Прикладом сполуки класу кислот є фторидна кислота HF, а прикладом сполуки класу солі — меркурій (2+) хлорид HgCl2.
У третій пробірці міститься слабкий електроліт (ступінь дисоціації менший 3%).
Прикладом сполуки класу кислот є сульфідна кислота H2S, а прикладом сполуки класу основи — нерозчинний гідроксид Pb(OH)2.