تئوری تفکیک الکترولیتی. راه حل ها

الکترولیت ها به عنوان مواد شیمیایی از زمان های قدیم شناخته شده اند. با این حال، آنها اکثر حوزه های کاربرد خود را نسبتاً اخیراً فتح کرده اند. ما در مورد بالاترین اولویت های صنعت برای استفاده از این مواد بحث خواهیم کرد و متوجه خواهیم شد که این مواد چیست و چگونه با یکدیگر تفاوت دارند. اما اجازه دهید با گشت و گذار در تاریخ شروع کنیم.

داستان

قدیمی ترین الکترولیت های شناخته شده نمک ها و اسیدها هستند که در دنیای باستان کشف شده اند. با این حال، ایده ها در مورد ساختار و خواص الکترولیت ها در طول زمان تکامل یافته است. نظریه های این فرآیندها از دهه 1880، زمانی که تعدادی اکتشاف در رابطه با نظریه های خواص الکترولیت ها انجام شد، تکامل یافته است. چندین جهش کیفی در نظریه هایی که مکانیسم های برهمکنش الکترولیت ها با آب را توصیف می کنند مشاهده شد (از این گذشته ، آنها فقط در محلول خواصی را به دست می آورند که به دلیل استفاده از آنها در صنعت است).

اکنون چندین نظریه را به تفصیل بررسی خواهیم کرد که بیشترین تأثیر را در توسعه ایده ها در مورد الکترولیت ها و خواص آنها داشتند. و بیایید با رایج ترین و ساده ترین تئوری شروع کنیم که هر یک از ما در مدرسه از آن عبور کردیم.

تئوری آرنیوس تفکیک الکترولیتی

در سال 1887 شیمیدان سوئدی و ویلهلم استوالد نظریه تفکیک الکترولیتی را ایجاد کردند. با این حال، اینجا هم به این سادگی نیست. آرنیوس خود از طرفداران به اصطلاح نظریه فیزیکی محلول ها بود که برهمکنش اجزای تشکیل دهنده یک ماده با آب را در نظر نمی گرفت و استدلال می کرد که ذرات باردار آزاد (یون ها) در محلول وجود دارند. به هر حال، از این موقعیت است که امروزه تفکیک الکترولیتی در مدرسه مورد توجه قرار می گیرد.

بیایید در مورد آنچه که این نظریه ارائه می دهد صحبت کنیم و چگونه مکانیسم تعامل مواد با آب را برای ما توضیح می دهد. مانند هر مورد دیگر، او چندین فرض دارد که از آنها استفاده می کند:

1. در هنگام تعامل با آب، این ماده به یون (مثبت - کاتیون و منفی - آنیون) تجزیه می شود. این ذرات تحت هیدراتاسیون قرار می گیرند: آنها مولکول های آب را جذب می کنند که اتفاقاً از یک طرف بار مثبت و از طرف دیگر بار منفی دارند (دوقطبی تشکیل می دهند) و در نتیجه به کمپلکس های آبی (محلول ها) تبدیل می شوند.

2. فرآیند تفکیک برگشت پذیر است - یعنی اگر یک ماده به یون تجزیه شود، آنگاه تحت تأثیر برخی عوامل می تواند دوباره به شکل اصلی خود تبدیل شود.

3. اگر الکترودها را به محلول متصل کنید و جریان را روشن کنید، کاتیون ها شروع به حرکت به سمت الکترود منفی - کاتد و آنیون ها به سمت الکترود مثبت - آند می کنند. به همین دلیل است که موادی که در آب بسیار محلول هستند جریان الکتریکی را بهتر از خود آب هدایت می کنند. به همین دلیل به آنها الکترولیت می گفتند.

4. الکترولیت مشخص کننده درصد ماده ای است که تحت انحلال قرار گرفته است. این شاخص به خواص حلال و خود ماده محلول، غلظت دومی و دمای خارجی بستگی دارد.

در واقع، تمام فرضیه های اصلی این نظریه ساده در اینجا آمده است. ما در این مقاله از آنها برای توصیف آنچه در محلول الکترولیت اتفاق می افتد استفاده خواهیم کرد. ما کمی بعد به نمونه هایی از این ارتباطات خواهیم پرداخت، اما اکنون اجازه دهید به نظریه دیگری نگاه کنیم.

تئوری لوئیس اسیدها و بازها

بر اساس تئوری تفکیک الکترولیتی، اسید ماده ای است که در محلول آن کاتیون هیدروژن وجود دارد و باز ترکیبی است که در محلول تجزیه می شود و به آنیون هیدروکسید تبدیل می شود. نظریه دیگری وجود دارد که به نام شیمیدان معروف گیلبرت لوئیس نامگذاری شده است. این به ما اجازه می دهد تا مفهوم اسید و باز را تا حدودی گسترش دهیم. بر اساس نظریه لوئیس، اسیدها مولکول های ماده ای هستند که دارای اوربیتال های الکترون آزاد هستند و قادر به پذیرش الکترون از مولکول دیگر هستند. به راحتی می توان حدس زد که بازها ذراتی هستند که قادرند یک یا چند الکترون خود را به "استفاده" از اسید اهدا کنند. آنچه در اینجا بسیار جالب است این است که نه تنها یک الکترولیت، بلکه هر ماده ای حتی نامحلول در آب نیز می تواند اسید یا باز باشد.

نظریه پروتولیتیک برندستد-لوری

در سال 1923، دو دانشمند - J. Brønsted و T. Lowry - مستقل از یکدیگر، نظریه ای را ارائه کردند که اکنون به طور فعال توسط دانشمندان برای توصیف فرآیندهای شیمیایی استفاده می شود. ماهیت این نظریه این است که معنای تفکیک به انتقال پروتون از اسید به باز می رسد. بنابراین، دومی در اینجا به عنوان یک گیرنده پروتون درک می شود. سپس اسید اهداکننده آنهاست. این نظریه همچنین وجود موادی را که خواص اسیدها و بازها را نشان می دهند به خوبی توضیح می دهد. به چنین ترکیباتی آمفوتریک می گویند. در نظریه برونستد-لوری، اصطلاح آمفولیت ها نیز برای آنها به کار می رود، در حالی که اسیدها یا بازها را معمولاً پروتولیت می نامند.

به قسمت بعدی مقاله می رسیم. در اینجا به شما خواهیم گفت که الکترولیت های قوی و ضعیف چقدر با یکدیگر تفاوت دارند و تأثیر عوامل خارجی بر خواص آنها را مورد بحث قرار می دهیم. و سپس ما شروع به توصیف کاربرد عملی آنها خواهیم کرد.

الکترولیت های قوی و ضعیف

هر ماده به طور جداگانه با آب تعامل دارد. برخی به خوبی در آن حل می شوند (مثلاً نمک خوراکی) در حالی که برخی دیگر اصلاً حل نمی شوند (مثلاً گچ). بنابراین، تمام مواد به الکترولیت های قوی و ضعیف تقسیم می شوند. دومی موادی هستند که برهمکنش ضعیفی با آب دارند و در ته محلول می نشینند. این بدان معنی است که آنها دارای درجه تفکیک بسیار پایین و انرژی پیوند بالایی هستند که اجازه نمی دهد مولکول در شرایط عادی به یون های تشکیل دهنده خود تجزیه شود. تفکیک الکترولیت های ضعیف یا بسیار آهسته یا با افزایش دما و غلظت این ماده در محلول اتفاق می افتد.

بیایید در مورد الکترولیت های قوی صحبت کنیم. اینها شامل تمام نمکهای محلول و همچنین اسیدهای قوی و قلیایی می شود. آنها به راحتی به یون تجزیه می شوند و جمع آوری آنها در بارش بسیار دشوار است. به هر حال، جریان در الکترولیت ها دقیقاً به لطف یون های موجود در محلول انجام می شود. بنابراین، الکترولیت های قوی جریان را به بهترین نحو هدایت می کنند. نمونه هایی از دومی: اسیدهای قوی، قلیایی ها، نمک های محلول.

عوامل موثر بر رفتار الکترولیت ها

حال بیایید بفهمیم که تغییرات محیط خارجی چگونه تأثیر می گذارد. غلظت به طور مستقیم بر درجه تفکیک الکترولیت تأثیر می گذارد. علاوه بر این، این رابطه را می توان به صورت ریاضی بیان کرد. قانونی که این رابطه را توصیف می کند، قانون رقیق سازی استوالد نامیده می شود و به صورت زیر نوشته می شود: a = (K / c) 1/2. در اینجا a درجه تفکیک (به صورت کسری) K ثابت تفکیک است که برای هر ماده متفاوت است و c غلظت الکترولیت در محلول است. با استفاده از این فرمول، می توانید چیزهای زیادی در مورد یک ماده و رفتار آن در محلول بیاموزید.

اما ما از موضوع منحرف شده ایم. علاوه بر غلظت، درجه تفکیک نیز تحت تأثیر دمای الکترولیت است. برای بیشتر مواد، افزایش آن حلالیت و فعالیت شیمیایی را افزایش می دهد. این دقیقاً همان چیزی است که می تواند وقوع برخی واکنش ها را فقط در دماهای بالا توضیح دهد. در شرایط عادی، آنها یا بسیار آهسته یا در هر دو جهت حرکت می کنند (به این فرآیند برگشت پذیر گفته می شود).

ما عواملی را که رفتار سیستمی مانند محلول الکترولیت را تعیین می کند، تجزیه و تحلیل کرده ایم. حال بیایید به سراغ کاربرد عملی این مواد شیمیایی بسیار مهم برویم.

استفاده صنعتی

البته، همه کلمه "الکترولیت" را در رابطه با باتری شنیده اند. این خودرو از باتری های سرب اسیدی استفاده می کند که الکترولیت آن 40 درصد اسید سولفوریک است. برای درک اینکه چرا اصلاً این ماده در آنجا مورد نیاز است ، ارزش درک ویژگی های عملکرد باتری ها را دارد.

پس اصل کار هر باتری چیست؟ آنها تحت یک واکنش برگشت پذیر تبدیل یک ماده به ماده دیگر قرار می گیرند که در نتیجه الکترون ها آزاد می شوند. هنگام شارژ باتری، فعل و انفعالاتی از مواد رخ می دهد که در شرایط عادی رخ نمی دهد. این را می توان به عنوان تجمع الکتریسیته در یک ماده در نتیجه یک واکنش شیمیایی در نظر گرفت. در حین تخلیه، تبدیل معکوس شروع می شود و سیستم را به حالت اولیه هدایت می کند. این دو فرآیند با هم یک چرخه شارژ-تخلیه را تشکیل می دهند.

بیایید با استفاده از یک مثال خاص - یک باتری سرب-اسید - به روند بالا نگاه کنیم. همانطور که ممکن است حدس بزنید، این منبع فعلی از یک عنصر حاوی سرب (و همچنین دی اکسید سرب PbO 2) و اسید تشکیل شده است. هر باتری از الکترود تشکیل شده و فضای بین آنها پر از الکترولیت است. به عنوان دومی، همانطور که قبلا متوجه شدیم، در مثال ما از اسید سولفوریک با غلظت 40 درصد استفاده می کنیم. کاتد چنین باتری از دی اکسید سرب ساخته شده است و آند از سرب خالص تشکیل شده است. همه اینها به این دلیل است که واکنش‌های برگشت‌پذیر متفاوتی در این دو الکترود با مشارکت یون‌هایی که اسید در آن‌ها تجزیه شده است رخ می‌دهد:

1. PbO 2 + SO 4 2- + 4H + + 2e - = PbSO 4 + 2H 2 O (واکنش در الکترود منفی - کاتد رخ می دهد).
2. Pb + SO 4 2- - 2e - = PbSO 4 (واکنش در الکترود مثبت - آند رخ می دهد).

اگر واکنش‌ها را از چپ به راست بخوانیم، فرآیندهایی را دریافت می‌کنیم که هنگام تخلیه باتری اتفاق می‌افتند و اگر از راست به چپ، فرآیندهایی را دریافت می‌کنیم که هنگام شارژ شدن باتری رخ می‌دهند. در هر یک از این واکنش ها، این واکنش ها متفاوت است، اما مکانیسم وقوع آنها به طور کلی به یک شکل توصیف می شود: دو فرآیند رخ می دهد، که در یکی از آنها الکترون ها "جذب می شوند" و در دیگری، برعکس، آنها " کنار گذاشتن». مهمترین چیز این است که تعداد الکترون های جذب شده برابر با تعداد الکترون های آزاد شده است.

در واقع، علاوه بر باتری، کاربردهای زیادی برای این مواد وجود دارد. به طور کلی، الکترولیت‌هایی که نمونه‌هایی از آنها آورده‌ایم، تنها دانه‌ای از انواع موادی هستند که تحت این اصطلاح متحد شده‌اند. آنها ما را در همه جا، همه جا احاطه کرده اند. برای مثال بدن انسان در اینجاست. به نظر شما این مواد وجود ندارند؟ شما خیلی در اشتباهید. آنها در همه جای ما یافت می شوند و بیشترین مقدار را الکترولیت های خون تشکیل می دهند. برای مثال، یون‌های آهن که بخشی از هموگلوبین هستند و به انتقال اکسیژن به بافت‌های بدن ما کمک می‌کنند، می‌شوند. الکترولیت های خون نیز نقش کلیدی در تنظیم تعادل آب و نمک و عملکرد قلب دارند. این عملکرد توسط یون های پتاسیم و سدیم انجام می شود (حتی فرآیندی وجود دارد که در سلول ها به نام پمپ پتاسیم سدیم اتفاق می افتد).

هر ماده ای که بتوانید آن را حتی کمی حل کنید، الکترولیت است. و هیچ شاخه ای از صنعت یا زندگی ما وجود ندارد که از آنها استفاده نشود. این فقط باتری و باتری ماشین نیست. اینها عبارتند از هر گونه تولید مواد شیمیایی و غذایی، کارخانه های نظامی، کارخانه های پوشاک و غیره.

ترکیب الکترولیت، به هر حال، متفاوت است. بنابراین، الکترولیت های اسیدی و قلیایی را می توان تشخیص داد. آنها اساساً از نظر خواص متفاوت هستند: همانطور که قبلاً گفتیم، اسیدها دهنده پروتون هستند و قلیاها پذیرنده هستند. اما با گذشت زمان، ترکیب الکترولیت به دلیل از دست دادن بخشی از ماده تغییر می‌کند؛ غلظت یا کاهش می‌یابد یا افزایش می‌یابد (همه به چیزی که از دست می‌رود بستگی دارد، آب یا الکترولیت).

ما هر روز با آنها روبرو می شویم، اما تعداد کمی از مردم دقیقاً تعریف چنین اصطلاحی به عنوان الکترولیت را می دانند. ما نمونه هایی از مواد خاص را بررسی کرده ایم، بنابراین اجازه دهید به مفاهیم کمی پیچیده تر برویم.

خواص فیزیکی الکترولیت ها

حالا در مورد فیزیک مهمترین چیزی که هنگام مطالعه این موضوع باید درک کنید این است که چگونه جریان در الکترولیت ها منتقل می شود. یون ها در این امر نقش تعیین کننده ای دارند. این ذرات باردار می توانند بار را از قسمتی از محلول به قسمت دیگر منتقل کنند. بنابراین، آنیون ها همیشه به الکترود مثبت و کاتیون ها به سمت منفی تمایل دارند. بدین ترتیب با اثر جریان الکتریکی بر روی محلول، بارها را در طرف های مختلف سیستم جدا می کنیم.

یک ویژگی فیزیکی بسیار جالب تراکم است. بسیاری از خواص ترکیبات مورد بحث ما به آن بستگی دارد. و اغلب این سوال پیش می آید: "چگونه چگالی الکترولیت را افزایش دهیم؟" در واقع، پاسخ ساده است: کاهش محتوای آب در محلول ضروری است. از آنجایی که چگالی الکترولیت تا حد زیادی تعیین می شود، تا حد زیادی به غلظت دومی بستگی دارد. دو راه برای رسیدن به برنامه وجود دارد. اولین مورد بسیار ساده است: الکترولیت موجود در باتری را بجوشانید. برای این کار باید آن را شارژ کنید تا دمای داخل آن کمی به بالای صد درجه سانتیگراد برسد. اگر این روش کمکی نکرد، نگران نباشید، روش دیگری وجود دارد: به سادگی الکترولیت قدیمی را با یک الکترولیت جدید جایگزین کنید. برای انجام این کار، باید محلول قدیمی را تخلیه کنید، داخل آن را از اسید سولفوریک باقیمانده با آب مقطر تمیز کنید و سپس یک قسمت جدید را پر کنید. به عنوان یک قاعده، محلول های الکترولیت با کیفیت بالا بلافاصله غلظت مورد نظر را دارند. پس از تعویض، می توانید برای مدت طولانی نحوه افزایش چگالی الکترولیت را فراموش کنید.

ترکیب الکترولیت تا حد زیادی خواص آن را تعیین می کند. برای مثال، ویژگی هایی مانند رسانایی الکتریکی و چگالی، به شدت به ماهیت املاح و غلظت آن بستگی دارد. یک سوال جداگانه در مورد مقدار الکترولیت یک باتری وجود دارد. در واقع حجم آن ارتباط مستقیمی با توان اعلامی محصول دارد. هرچه اسید سولفوریک داخل باتری بیشتر باشد، قدرت بیشتری دارد، یعنی ولتاژ بیشتری می تواند تولید کند.

این کجا مفید خواهد بود؟

اگر از علاقه مندان به ماشین هستید یا فقط به ماشین علاقه دارید، پس خودتان همه چیز را درک می کنید. مطمئناً شما حتی می دانید که چگونه می توانید میزان الکترولیت را در باتری تعیین کنید. و اگر از اتومبیل ها دور هستید، پس آگاهی از خواص این مواد، استفاده از آنها و نحوه تعامل آنها با یکدیگر اضافی نخواهد بود. با دانستن این موضوع، اگر از شما بخواهند بگویید چه الکترولیت در باتری وجود دارد، سردرگم نخواهید شد. اگر چه، حتی اگر از علاقه مندان به ماشین نیستید، اما ماشین دارید، دانش ساختار باتری اضافی نخواهد بود و به شما در تعمیرات کمک می کند. انجام همه کارها خودتان بسیار ساده تر و ارزان تر از رفتن به یک مرکز خودرو خواهد بود.

و برای مطالعه بهتر این مبحث مطالعه کتاب شیمی مدرسه و دانشگاه را توصیه می کنیم. اگر این علم را به خوبی می دانید و کتاب های درسی کافی خوانده اید، بهترین گزینه «منابع جریان شیمیایی» نوشته وریپاف است. کل تئوری عملکرد باتری‌ها، باتری‌های مختلف و سلول‌های هیدروژنی در آنجا به تفصیل بیان شده است.

نتیجه

ما به پایان رسیدیم بیایید خلاصه کنیم. در بالا همه چیز مربوط به چنین مفهومی مانند الکترولیت ها را مورد بحث قرار دادیم: مثال ها، نظریه ساختار و خواص، توابع و کاربردها. یک بار دیگر، شایان ذکر است که این ترکیبات بخشی از زندگی ما را تشکیل می دهند که بدون آن بدن ما و همه بخش های صنعت نمی توانند وجود داشته باشند. آیا الکترولیت خون را به خاطر دارید؟ ما به لطف آنها زندگی می کنیم. ماشین های ما چطور؟ با این دانش، می‌توانیم هر مشکلی در رابطه با باتری را برطرف کنیم، زیرا اکنون می‌دانیم که چگونه چگالی الکترولیت را در آن افزایش دهیم.

گفتن همه چیز غیرممکن است و ما چنین هدفی را تعیین نکردیم. از این گذشته، این تمام چیزی نیست که می توان در مورد این مواد شگفت انگیز گفت.

همه مواد را می توان به الکترولیت و غیر الکترولیت تقسیم کرد. الکترولیت‌ها شامل موادی هستند که محلول‌ها یا مذاب‌های آنها جریان الکتریکی را هدایت می‌کنند (به عنوان مثال، محلول‌های آبی یا مذاب KCl، H 3 PO 4، Na 2 CO 3). مواد غیر الکترولیتی هنگام ذوب یا حل شدن، جریان الکتریکی را هدایت نمی کنند (قند، الکل، استون و غیره).

الکترولیت ها به دو دسته قوی و ضعیف تقسیم می شوند. الکترولیت های قوی در محلول ها یا مذاب ها به طور کامل به یون ها تجزیه می شوند. هنگام نوشتن معادلات واکنش شیمیایی، این مورد با یک فلش در یک جهت تاکید می شود، به عنوان مثال:

HCl → H + + Cl -

Ca(OH) 2 → Ca 2 + + 2OH -

الکترولیت های قوی شامل موادی با ساختار بلوری هتروپولار یا یونی است (جدول 1.1).

جدول 1.1 الکترولیت های قوی

الکترولیت های ضعیف فقط تا حدی به یون تجزیه می شوند. همراه با یون ها، مذاب ها یا محلول های این مواد حاوی مولکول های غیرقابل تفکیک هستند. در محلول های الکترولیت های ضعیف، به موازات تفکیک، فرآیند معکوس رخ می دهد - پیوند، یعنی ترکیب یون ها به مولکول ها. هنگام نوشتن معادله واکنش، این مورد توسط دو فلش مخالف هم تاکید می شود.

CH 3 COOH D CH 3 COO - + H +

الکترولیت‌های ضعیف شامل موادی با نوع هموپولار شبکه کریستالی هستند (جدول 1.2).

جدول 1.2 الکترولیت های ضعیف

حالت تعادل یک الکترولیت ضعیف در یک محلول آبی از نظر کمی با درجه تفکیک الکترولیتی و ثابت تفکیک الکترولیتی مشخص می شود.

درجه تفکیک الکترولیتی α نسبت تعداد مولکول های تفکیک شده به یون ها به تعداد کل مولکول های الکترولیت محلول است:

درجه تفکیک نشان می دهد که چه بخشی از مقدار کل الکترولیت محلول به یون تجزیه می شود و به ماهیت الکترولیت و حلال و همچنین به غلظت ماده در محلول بستگی دارد، اگرچه معمولاً دارای مقدار بی بعدی است. به صورت درصد بیان می شود. با رقت بی نهایت محلول الکترولیت، درجه تفکیک به وحدت نزدیک می شود، که مربوط به تفکیک کامل، 100٪ از مولکول های ماده محلول به یون است. برای محلول های الکترولیت های ضعیف α<<1. Сильные электролиты в растворах диссоциируют полностью (α =1). Если известно, что в 0,1 М растворе уксусной кислоты степень электрической диссоциации α =0,0132, это означает, что 0,0132 (или 1,32%) общего количества растворённой уксусной кислоты продиссоциировало на ионы, а 0,9868 (или 98,68%) находится в виде недиссоциированных молекул. Диссоциация слабых электролитов в растворе подчиняется закону действия масс.

به طور کلی، یک واکنش شیمیایی برگشت پذیر را می توان به صورت زیر نشان داد:

آ A+ ب B D د D+ ه E

سرعت واکنش مستقیماً با حاصلضرب غلظت ذرات واکنش دهنده در توان ضرایب استوکیومتری آنها متناسب است. سپس برای واکنش مستقیم

V 1 = ک 1 [A] آ[B] ب

و سرعت واکنش معکوس

V 2 = ک 2 [D] د[E] ه.

در مقطعی از زمان، نرخ واکنش های رو به جلو و معکوس یکسان می شود، یعنی.

به این حالت تعادل شیمیایی می گویند. از اینجا

ک 1 [A] آ[B] ب=ک 2 [D] د[E] ه

با گروه بندی ثابت ها در یک طرف و متغیرها از طرف دیگر، دریافت می کنیم:

بنابراین، برای یک واکنش شیمیایی برگشت‌پذیر در حالت تعادل، حاصل ضرب غلظت‌های تعادلی محصولات واکنش به توان ضرایب استوکیومتری آنها، مربوط به همان محصول برای مواد اولیه، یک مقدار ثابت در دما و فشار معین است. . مقدار عددی ثابت تعادل شیمیایی بهبه غلظت واکنش دهنده ها بستگی ندارد. به عنوان مثال، ثابت تعادل برای تفکیک اسید نیتروژن مطابق با قانون عمل جرم را می توان به صورت زیر نوشت:

HNO 2 + H 2 OD H 3 O + + NO 2 -

.

اندازه K aثابت تفکیک یک اسید، در این مورد نیتروژن، نامیده می شود.

ثابت تفکیک یک پایه ضعیف به طور مشابه بیان می شود. به عنوان مثال، برای واکنش تجزیه آمونیاک:

NH 3 + H 2 O DNH 4 + + OH -

.

اندازه ک بثابت تفکیک یک باز، در این مورد آمونیاک نامیده می شود. هر چه ثابت تفکیک الکترولیت بیشتر باشد، الکترولیت با شدت بیشتری تفکیک می شود و غلظت یون های آن در محلول در حالت تعادل بیشتر می شود. بین درجه تفکیک و ثابت تفکیک یک الکترولیت ضعیف رابطه وجود دارد:

این یک بیان ریاضی از قانون رقت استوالد است: وقتی یک الکترولیت ضعیف رقیق می شود، درجه تفکیک آن افزایش می یابد. برای الکترولیت های ضعیف در به≤1∙ 10 -4 و با≥0.1 mol/l از عبارت ساده شده استفاده می کند:

به= α 2 ∙بایا α

مثال 1. درجه تفکیک و غلظت یونها و [NH 4 + ] را در محلول هیدروکسید آمونیوم 0.1 مولار محاسبه کنید، اگر به NH 4 OH = 1.76∙10 -5

داده شده: NH 4 OH

به NH 4 OH = 1.76∙10 -5

راه حل:

از آنجایی که الکترولیت بسیار ضعیف است ( به NH 4 OH =1,76∙10 –5 <1∙ 10 - 4) и раствор его не слишком разбавлен, можно принять, что:

یا 1.33٪

غلظت یون ها در محلول الکترولیت دوتایی برابر است سی∙α، از آنجایی که الکترولیت دوتایی یونیزه می شود و یک کاتیون و یک آنیون تشکیل می دهد، پس = [NH 4 + ]=0.1∙1.33∙10 -2 =1.33∙10 -3 (mol/l).

پاسخ:α=1.33%; = [NH 4 + ] = 1.33∙10 -3 mol/l.

نظریه الکترولیت قوی

الکترولیت های قوی در محلول ها و مذاب ها به طور کامل به یون تجزیه می شوند. با این حال، مطالعات تجربی رسانایی الکتریکی محلول های الکترولیت های قوی نشان می دهد که مقدار آن در مقایسه با رسانایی الکتریکی که باید در تفکیک 100٪ باشد، تا حدودی دست کم گرفته شده است. این اختلاف با تئوری الکترولیت های قوی ارائه شده توسط Debye و Hückel توضیح داده می شود. بر اساس این نظریه، در محلول های الکترولیت های قوی، برهمکنش الکترواستاتیکی بین یون ها وجود دارد. در اطراف هر یون، یک "اتمسفر یونی" از یون هایی با علامت بار مخالف تشکیل می شود که با عبور جریان الکتریکی مستقیم از حرکت یون ها در محلول جلوگیری می کند. علاوه بر برهمکنش الکترواستاتیکی یونها، در محلولهای غلیظ لازم است که ارتباط یونها نیز در نظر گرفته شود. تأثیر نیروهای بین یونی اثر تفکیک ناقص مولکول ها را ایجاد می کند. درجه تفکیک آشکار مقدار آزمایشی تعیین شده α همیشه کمی کمتر از α واقعی است. به عنوان مثال، در محلول 0.1 مولار Na 2 SO 4 مقدار تجربی α = 45٪ است. برای در نظر گرفتن عوامل الکترواستاتیک در محلول های الکترولیت های قوی، از مفهوم فعالیت استفاده می شود (آ).فعالیت یک یون غلظت مؤثر یا ظاهری است که در آن یون در محلول عمل می کند. فعالیت و تمرکز واقعی با عبارت زیر مرتبط هستند:

جایی که f –ضریب فعالیت، که درجه انحراف سیستم از ایده آل را به دلیل برهمکنش های الکترواستاتیکی یون ها مشخص می کند.

ضرایب فعالیت یونی به مقدار μ که قدرت یونی محلول نامیده می شود بستگی دارد. قدرت یونی یک محلول اندازه گیری برهمکنش الکترواستاتیکی تمام یون های موجود در محلول است و برابر با نصف مجموع محصولات غلظت است. (با)هر یک از یون های موجود در محلول به ازای هر مربع تعداد بار خود (ز):

.

در محلول های رقیق (μ<0,1М) коэффициенты активности меньше единицы и уменьшаются с ростом ионной силы. Растворы с очень низкой ионной силой (µ < 1∙10 -4 М) можно считать идеальными. В бесконечно разбавленных растворах электролитов активность можно заменить истинной концентрацией. В идеальной системе a = cو ضریب فعالیت 1 است. این بدان معنی است که عملاً هیچ برهمکنش الکترواستاتیکی وجود ندارد. در محلول های بسیار غلیظ (µ> 1M)، ضرایب فعالیت یونی می تواند بیشتر از واحد باشد. رابطه بین ضریب فعالیت و قدرت یونی محلول با فرمول های زیر بیان می شود:

در µ <10 -2

در 10 -2 ≤ µ ≤ 10 -1

+ 0,1z 2μدر 0.1<µ <1

ثابت تعادل که بر حسب فعالیت بیان می شود ترمودینامیکی نامیده می شود. مثلا برای واکنش

آ A+ بب د D+ ه E

ثابت ترمودینامیکی به شکل زیر است:

بستگی به دما، فشار و ماهیت حلال دارد.

از آنجایی که فعالیت ذره است

جایی که به C ثابت تعادل غلظت است.

معنی به C نه تنها به دما، ماهیت حلال و فشار بستگی دارد، بلکه به قدرت یونی نیز بستگی دارد متر. از آنجایی که ثابت‌های ترمودینامیکی به کمترین تعداد عوامل بستگی دارند، بنابراین اساسی‌ترین مشخصه‌های تعادل هستند. بنابراین، این ثابت های ترمودینامیکی هستند که در کتاب های مرجع آورده شده اند. ثابت های ترمودینامیکی برخی از الکترولیت های ضعیف در پیوست این راهنما آورده شده است. = 0.024 مول در لیتر.

با افزایش بار یون، ضریب فعالیت و فعالیت یون کاهش می یابد.

سوالاتی برای خودکنترلی:

1. سیستم ایده آل چیست؟ دلایل اصلی انحراف یک سیستم واقعی از یک سیستم ایده آل را نام ببرید.
2. درجه تفکیک الکترولیت ها چیست؟
3. نمونه هایی از الکترولیت های قوی و ضعیف را ذکر کنید.
4. چه رابطه ای بین ثابت تفکیک و درجه تفکیک یک الکترولیت ضعیف وجود دارد؟ آن را به صورت ریاضی بیان کنید.
5. فعالیت چیست؟ فعالیت یک یون و غلظت واقعی آن چگونه به هم مرتبط هستند؟
6. ضریب فعالیت چقدر است؟
7. بار یک یون چگونه بر ضریب فعالیت تأثیر می گذارد؟
8. قدرت یونی یک محلول، بیان ریاضی آن چیست؟
9. فرمول هایی را برای محاسبه ضرایب فعالیت یون های منفرد بسته به قدرت یونی محلول بنویسید.
10. قانون عمل جرم را فرموله کنید و آن را به صورت ریاضی بیان کنید.
11. ثابت تعادل ترمودینامیکی چیست؟ چه عواملی بر ارزش آن تأثیر می گذارد؟
12. ثابت تعادل غلظت چیست؟ چه عواملی بر ارزش آن تأثیر می گذارد؟
13. ثابت های ترمودینامیکی و تعادل غلظت چگونه به هم مرتبط هستند؟
14. مقادیر ضریب فعالیت در چه حدودی می تواند تغییر کند؟
15. اصول اصلی تئوری الکترولیت های قوی چیست؟

نمک ها، خواص آنها، هیدرولیز

دانش آموز پایه هشتم ب مدرسه شماره 182

پتروا پولینا

معلم شیمی:

خارینا اکاترینا آلکسیونا

مسکو 2009

در زندگی روزمره، ما عادت داریم که فقط با یک نمک سروکار داشته باشیم - نمک خوراکی، یعنی. سدیم کلرید NaCl. با این حال، در شیمی، یک کلاس کامل از ترکیبات نمک نامیده می شود. نمک ها را می توان محصولات جایگزینی هیدروژن در اسید با فلز در نظر گرفت. به عنوان مثال، نمک سفره را می توان از اسید کلریدریک با واکنش جایگزینی به دست آورد:

2Na + 2HCl = 2NaCl + H2.

نمک اسیدی

اگر به جای سدیم از آلومینیوم استفاده کنید، نمک دیگری تشکیل می شود - کلرید آلومینیوم:

2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2

نمک ها- اینها مواد پیچیده ای هستند که از اتم های فلز و باقی مانده های اسیدی تشکیل شده اند. آنها محصولات جایگزینی کامل یا جزئی هیدروژن در یک اسید با یک فلز یا یک گروه هیدروکسیل در یک باز با باقیمانده اسید هستند. به عنوان مثال، اگر در اسید سولفوریک H 2 SO 4 یک اتم هیدروژن را با پتاسیم جایگزین کنیم، نمک KHSO 4 و اگر دو - K 2 SO 4 باشد.

انواع مختلفی از نمک ها وجود دارد.

انواع نمک	تعریف	نمونه هایی از نمک ها
میانگین	محصول جایگزینی کامل هیدروژن اسیدی با فلز. آنها نه اتم H و نه گروه OH دارند.	Na 2 SO 4 سولفات سدیم CuCl 2 مس (II) کلرید Ca 3 (PO 4) 2 فسفات کلسیم Na 2 CO 3 کربنات سدیم (خاکستر سودا)
ترش	محصول جایگزینی ناقص هیدروژن اسید با فلز. حاوی اتم های هیدروژن است. (فقط توسط اسیدهای پلی بازیک تشکیل می شوند)	CaHPO 4 کلسیم هیدروژن فسفات Ca(H 2 PO 4) 2 کلسیم دی هیدروژن فسفات NaHCO 3 بی کربنات سدیم (جوش شیرین)
پایه ای	محصول جایگزینی ناقص گروه های هیدروکسیل یک باز با یک باقیمانده اسیدی است. شامل گروه های OH است. (فقط توسط بازهای پلی اسیدی تشکیل شده است)	مس (OH)Cl مس (II) هیدروکسی کلرید Ca 5 (PO 4) 3 (OH) هیدروکسی فسفات کلسیم (CuOH) 2 CO 3 مس (II) هیدروکسی کربنات (مالاکیت)
مختلط	نمک دو اسید	Ca(OCl)Cl – سفید کننده
دو برابر	نمک دو فلز	K 2 NaPO 4 - ارتوفسفات سدیم دی پتاسیم
هیدرات های کریستالی	حاوی آب کریستالیزاسیون وقتی گرم می شوند، آب می شوند - آب را از دست می دهند و به نمک بی آب تبدیل می شوند.	CuSO4. 5H 2 O - سولفات مس پنتا هیدرات (II) (سولفات مس) Na 2 CO 3. 10H 2 O - سدیم کربنات دکاهیدرات (سودا)

روش های بدست آوردن نمک

1. نمک ها را می توان با اثر اسیدها بر روی فلزات، اکسیدهای بازی و بازها به دست آورد:

Zn + 2HCl ZnCl 2 + H 2

کلرید روی

3H 2 SO 4 + Fe 2 O 3 Fe 2 (SO 4) 3 + 3H 2 O

سولفات آهن (III).

3HNO 3 + Cr(OH) 3 Cr(NO 3) 3 + 3H 2 O

نیترات کروم (III)

2. نمک ها از واکنش اکسیدهای اسیدی با قلیاها و همچنین اکسیدهای اسیدی با اکسیدهای بازی تشکیل می شوند:

N 2 O 5 + Ca(OH) 2 Ca (NO 3) 2 + H 2 O

نیترات کلسیم

SiO 2 + CaO CaSiO 3

سیلیکات کلسیم

3. نمک ها را می توان با واکنش نمک ها با اسیدها، قلیاها، فلزات، اکسیدهای اسیدی غیر فرار و سایر نمک ها به دست آورد. چنین واکنش هایی در شرایط تکامل گاز، رسوب یک رسوب، تکامل اکسید اسید ضعیف تر یا تکامل اکسید فرار رخ می دهد.

Ca 3 (PO4) 2 + 3H 2 SO 4 3CaSO 4 + 2H 3 PO 4

ارتوفسفات کلسیم سولفات کلسیم

Fe 2 (SO 4) 3 + 6NaOH 2Fe(OH) 3 + 3Na 2 SO 4

سولفات آهن (III) سولفات سدیم

CuSO 4 + Fe FeSO 4 + Cu

مس (II) سولفات آهن (II) سولفات

CaCO 3 + SiO 2 CaSiO 3 + CO 2

کربنات کلسیم سیلیکات کلسیم

Al 2 (SO 4) 3 + 3BaCl 2 3BaSO 4 + 2AlCl 3

سولفات کلرید سولفات کلرید

آلومینیوم باریم باریم آلومینیوم

4. نمک های اسیدهای بدون اکسیژن از برهمکنش فلزات با غیر فلزات تشکیل می شوند:

2Fe + 3Cl 2 2FeCl 3

کلرید آهن (III).

مشخصات فیزیکی.

نمک ها جامداتی با رنگ های مختلف هستند. حلالیت آنها در آب متفاوت است. تمام نمک های اسیدهای نیتریک و استیک و همچنین نمک های سدیم و پتاسیم محلول هستند. حلالیت سایر نمک ها در آب را می توان در جدول حلالیت یافت.

خواص شیمیایی.

1) نمک ها با فلزات واکنش می دهند.

از آنجایی که این واکنش‌ها در محلول‌های آبی رخ می‌دهند، لی، سدیم، پتاسیم، کلسیم، با و سایر فلزات فعالی که در شرایط عادی با آب واکنش می‌دهند، نمی‌توانند برای آزمایش استفاده شوند یا واکنش‌ها را نمی‌توان در مذاب انجام داد.

CuSO 4 + Zn ZnSO 4 + مس

Pb(NO 3) 2 + Zn Zn(NO 3) 2 + Pb

2) نمک ها با اسیدها واکنش می دهند. این واکنش‌ها زمانی اتفاق می‌افتند که اسید قوی‌تر، اسید ضعیف‌تر را جایگزین می‌کند و گاز آزاد می‌کند یا رسوب می‌کند.

هنگام انجام این واکنش ها معمولاً نمک خشک می گیرند و با اسید غلیظ عمل می کنند.

BaCl 2 + H 2 SO 4 BaSO 4 + 2HCl

Na 2 SiO 3 + 2HCl 2NaCl + H 2 SiO 3

3) نمک ها با قلیاها در محلول های آبی واکنش می دهند.

این روشی برای بدست آوردن بازها و قلیاهای نامحلول است.

FeCl 3 (p-p) + 3NaOH (p-p) Fe(OH) 3 + 3 NaCl

CuSO 4 (p-p) + 2NaOH (p-p) Na 2 SO 4 + Cu(OH) 2

Na 2 SO 4 + Ba(OH) 2 BaSO 4 + 2 NaOH

4) نمک ها با نمک ها واکنش می دهند.

واکنش ها در محلول ها انجام می شود و برای به دست آوردن نمک های عملاً نامحلول استفاده می شود.

AgNO 3 + KBr AgBr + KNO 3

CaCl 2 + Na 2 CO 3 CaCO 3 + 2 NaCl

5) برخی از نمک ها با حرارت دادن تجزیه می شوند.

نمونه بارز چنین واکنشی، پختن سنگ آهک است که جزء اصلی آن کربنات کلسیم است:

CaCO 3 CaO + کربنات کلسیم CO2

1. برخی از نمک ها قادر به کریستال شدن برای تشکیل هیدرات های کریستالی هستند.

سولفات مس (II) CuSO 4 یک ماده کریستالی سفید است. هنگامی که در آب حل می شود، گرم می شود و محلول آبی تشکیل می شود. انتشار گرما و تغییر رنگ نشانه های یک واکنش شیمیایی است. هنگامی که محلول تبخیر می شود، هیدرات کریستالی CuSO 4 آزاد می شود. 5H 2 O (سولفات مس). تشکیل این ماده نشان می دهد که سولفات مس (II) با آب واکنش می دهد:

CuSO 4 + 5H 2 O CuSO 4 . 5H 2 O + Q

سفید آبی-آبی

استفاده از نمک ها

بیشتر نمک ها به طور گسترده در صنعت و در زندگی روزمره استفاده می شوند. به عنوان مثال، سدیم کلرید NaCl یا نمک خوراکی در پخت و پز ضروری است. در صنعت از کلرید سدیم برای تولید هیدروکسید سدیم، سودا NaHCO 3، کلر، سدیم استفاده می شود. نمک اسیدهای نیتریک و ارتوفسفریک عمدتاً کودهای معدنی هستند. به عنوان مثال، نیترات پتاسیم KNO 3 نیترات پتاسیم است. همچنین بخشی از باروت و سایر مخلوط های آتش سوزی است. نمک ها برای به دست آوردن فلزات، اسیدها و در تولید شیشه استفاده می شوند. بسیاری از محصولات محافظت از گیاهان در برابر بیماری ها، آفات و برخی از مواد دارویی نیز به کلاس نمک ها تعلق دارند. پرمنگنات پتاسیم KMnO 4 اغلب پرمنگنات پتاسیم نامیده می شود. سنگ آهک و گچ - CaSO 4 - به عنوان مصالح ساختمانی استفاده می شود. 2H 2 O که در پزشکی نیز کاربرد دارد.

محلول ها و حلالیت.

همانطور که قبلا گفته شد، حلالیت یکی از ویژگی های مهم نمک ها است. حلالیت توانایی یک ماده برای ایجاد یک سیستم همگن و پایدار از ترکیب متغیر متشکل از دو یا چند جزء با ماده دیگر است.

راه حل ها- اینها سیستم های همگنی هستند که از مولکول های حلال و ذرات املاح تشکیل شده اند.

بنابراین، به عنوان مثال، یک محلول نمک خوراکی از یک حلال - آب، یک ماده محلول - یون های Na +، Cl - تشکیل شده است.

یون ها(از یونانی ión - رفتن)، ذرات باردار الکتریکی که از از دست دادن یا به دست آوردن الکترون ها (یا دیگر ذرات باردار) توسط اتم ها یا گروه هایی از اتم ها تشکیل می شوند. مفهوم و اصطلاح "یون" در سال 1834 توسط M. Faraday معرفی شد که هنگام مطالعه تأثیر جریان الکتریکی بر محلول های آبی اسیدها، قلیاها و نمک ها، پیشنهاد کرد که هدایت الکتریکی چنین محلول هایی به دلیل حرکت یون ها است. . فارادی یون های دارای بار مثبت که در محلول به سمت قطب منفی (کاتد) حرکت می کنند، کاتیون ها و یون های دارای بار منفی که به سمت قطب مثبت (آند) حرکت می کنند - آنیون ها نامیده می شود.

بر اساس میزان حلالیت در آب، مواد به سه گروه تقسیم می شوند:

1) بسیار محلول؛

2) کمی محلول؛

3) عملا نامحلول.

بسیاری از نمک ها در آب بسیار محلول هستند. هنگام تصمیم گیری در مورد حلالیت سایر نمک ها در آب، باید از جدول حلالیت استفاده کنید.

به خوبی شناخته شده است که برخی از مواد زمانی که حل می شوند یا مذاب می شوند، جریان الکتریکی را هدایت می کنند، در حالی که برخی دیگر در شرایط یکسان جریان را هدایت نمی کنند.

موادی که در محلول ها یا مذاب ها به یون تجزیه می شوند و در نتیجه جریان الکتریکی را هدایت می کنند نامیده می شوند الکترولیت ها.

موادی که در شرایط یکسان به یون تجزیه نمی شوند و جریان الکتریکی را رسانا نمی کنند نامیده می شوند غیر الکترولیت ها.

الکترولیت ها شامل اسیدها، بازها و تقریباً تمام نمک ها هستند. خود الکترولیت ها الکتریسیته را هدایت نمی کنند. در محلول ها و مذاب ها به یون ها تجزیه می شوند و به همین دلیل جریان جریان دارد.

تجزیه الکترولیت ها به یون ها هنگام حل شدن در آب نامیده می شود تفکیک الکترولیتی. محتوای آن به سه ماده زیر خلاصه می شود:

1) الکترولیت ها، هنگامی که در آب حل می شوند، به یون های مثبت و منفی تجزیه می شوند (تفکیک می کنند).

2) یونها تحت تأثیر جریان الکتریکی حرکت جهت دار پیدا می کنند: یونهای دارای بار مثبت به سمت کاتد حرکت می کنند و کاتیون نامیده می شوند و یونهای دارای بار منفی به سمت آند حرکت می کنند و آنیون نامیده می شوند.

3) تفکیک یک فرآیند برگشت پذیر است: به موازات تجزیه مولکول ها به یون ها (تجزیه)، فرآیند ترکیب یون ها (تداعی) اتفاق می افتد.

برگشت پذیری

الکترولیت های قوی و ضعیف

برای توصیف کمی توانایی الکترولیت برای تجزیه به یون ها، مفهوم درجه تفکیک (α)، t . E.نسبت تعداد مولکول های متلاشی شده به یون ها به تعداد کل مولکول ها. به عنوان مثال، α = 1 نشان می دهد که الکترولیت به طور کامل به یون تجزیه شده است، و α = 0.2 به این معنی است که تنها هر پنجم مولکول های آن تجزیه شده است. هنگامی که یک محلول غلیظ رقیق می شود، و همچنین هنگام گرم شدن، هدایت الکتریکی آن افزایش می یابد، زیرا درجه تفکیک افزایش می یابد.

بسته به مقدار α، الکترولیت ها به طور معمول به قوی (تقریباً به طور کامل تفکیک، (α 0.95)) استحکام متوسط ​​(0.95) تقسیم می شوند.

الکترولیت های قوی بسیاری از اسیدهای معدنی (HCl، HBr، HI، H 2 SO 4، HNO 3، و غیره)، قلیاها (NaOH، KOH، Ca(OH) 2، و غیره) و تقریباً همه نمک ها هستند. اسیدهای ضعیف عبارتند از محلول های برخی از اسیدهای معدنی (H2S، H2SO3، H2CO3، HCN، HClO)، بسیاری از اسیدهای آلی (به عنوان مثال، اسید استیک CH3COOH)، محلول آبی آمونیاک (NH3). 2 O)، آب، مقداری نمک جیوه (HgCl2). الکترولیت های با استحکام متوسط ​​اغلب شامل اسیدهای هیدروفلوئوریک HF، ارتوفسفریک H 3 PO 4 و نیتروژن HNO 2 هستند.

هیدرولیز نمک ها

اصطلاح هیدرولیز از دو واژه یونانی hidor (آب) و lysis (تجزیه) گرفته شده است. هیدرولیز معمولاً به عنوان یک واکنش تبادلی بین یک ماده و آب درک می شود. فرآیندهای هیدرولیتیک در طبیعت اطراف ما (چه زنده و چه غیرزنده) بسیار رایج است و همچنین به طور گسترده توسط انسان در تولید مدرن و فناوری های خانگی استفاده می شود.

هیدرولیز نمک واکنش متقابل بین یون های تشکیل دهنده نمک و آب است که منجر به تشکیل الکترولیت ضعیف می شود و با تغییر در محیط محلول همراه است.

سه نوع نمک تحت هیدرولیز قرار می گیرند:

الف) نمک های تشکیل شده توسط یک باز ضعیف و یک اسید قوی (CuCl 2، NH 4 Cl، Fe 2 (SO 4) 3 - هیدرولیز کاتیون رخ می دهد)

NH 4 + + H 2 O NH 3 + H 3 O +

NH 4 Cl + H 2 O NH 3 . H2O + HCl

واکنش محیط اسیدی است.

ب) نمک های تشکیل شده توسط یک باز قوی و یک اسید ضعیف (K 2 CO 3، Na 2 S - هیدرولیز در آنیون رخ می دهد)

SiO 3 2- + 2H 2 O H 2 SiO 3 + 2OH -

K 2 SiO 3 + 2H 2 O H 2 SiO 3 + 2KOH

واکنش محیط قلیایی است.

ج) نمک های تشکیل شده توسط یک باز ضعیف و یک اسید ضعیف (NH 4) 2 CO 3، Fe 2 (CO 3) 3 - هیدرولیز در کاتیون و در آنیون اتفاق می افتد.

2NH 4 + + CO 3 2- + 2H 2 O 2NH 3. H2O + H2CO3

(NH 4) 2 CO 3 + H 2 O 2NH 3. H2O + H2CO3

اغلب واکنش محیط خنثی است.

د) نمک های تشکیل شده توسط یک باز قوی و یک اسید قوی (NaCl, Ba(NO 3) 2) در معرض هیدرولیز نیستند.

در برخی موارد، هیدرولیز به طور غیرقابل برگشت پیش می رود (به قول آنها تا انتها پیش می رود). بنابراین، هنگام مخلوط کردن محلول های کربنات سدیم و سولفات مس، یک رسوب آبی از نمک پایه هیدراته رسوب می کند، که با گرم شدن، بخشی از آب تبلور را از دست می دهد و رنگ سبز به دست می آورد - به کربنات مس پایه بی آب - مالاکیت تبدیل می شود:

2CuSO 4 + 2Na 2 CO 3 + H 2 O (CuOH) 2 CO 3 + 2 Na 2 SO 4 + CO 2

هنگام مخلوط کردن محلول های سولفید سدیم و کلرید آلومینیوم، هیدرولیز نیز به پایان می رسد:

2AlCl 3 + 3Na 2 S + 6H 2 O 2Al(OH) 3 + 3H 2 S + 6NaCl

بنابراین، Al 2 S 3 را نمی توان از یک محلول آبی جدا کرد. این نمک از مواد ساده به دست می آید.

الکترولیت های قوی و ضعیف

در محلول های برخی از الکترولیت ها، تنها بخشی از مولکول ها جدا می شوند. برای مشخص کردن کمی قدرت الکترولیت، مفهوم درجه تفکیک معرفی شد. نسبت تعداد مولکول های تفکیک شده به یون ها به تعداد کل مولکول های املاح را درجه تفکیک a می گویند.

که در آن C غلظت مولکول های جدا شده، mol/l است.

C 0 غلظت اولیه محلول، mol/l است.

با توجه به درجه تفکیک، تمام الکترولیت ها به قوی و ضعیف تقسیم می شوند. الکترولیت های قوی شامل الکترولیت هایی می شود که درجه تفکیک آنها بیش از 30 درصد است (a> 0.3). این شامل:

· اسیدهای قوی (H 2 SO 4، HNO 3، HCl، HBr، HI).

· هیدروکسیدهای محلول، به جز NH 4 OH.

· نمک های محلول

تفکیک الکترولیتی الکترولیت های قوی غیر قابل برگشت است

HNO 3 ® H + + NO - 3 .

الکترولیت های ضعیف دارای درجه تفکیک کمتر از 2٪ هستند (الف< 0,02). К ним относятся:

· اسیدهای معدنی ضعیف (H 2 CO 3، H 2 S، HNO 2، HCN، H 2 SiO 3، و غیره) و تمام اسیدهای آلی، به عنوان مثال، اسید استیک (CH 3 COOH).

· هیدروکسیدهای نامحلول، و همچنین هیدروکسید محلول NH 4 OH.

· نمک های نامحلول.

الکترولیت هایی با مقادیر متوسط ​​درجه تفکیک الکترولیت های با قدرت متوسط ​​نامیده می شوند.

درجه تفکیک (a) به عوامل زیر بستگی دارد:

در مورد ماهیت الکترولیت، یعنی در مورد نوع پیوندهای شیمیایی؛ تفکیک به راحتی در محل قطبی ترین پیوندها رخ می دهد.

از ماهیت حلال - هر چه دومی قطبی تر باشد ، فرآیند تفکیک در آن آسان تر است.

از دما - افزایش دما باعث افزایش تفکیک می شود.

در غلظت محلول - هنگامی که محلول رقیق می شود، تفکیک نیز افزایش می یابد.

به عنوان مثالی از وابستگی درجه تفکیک به ماهیت پیوندهای شیمیایی، تفکیک هیدروژن سولفات سدیم (NaHSO 4) را در نظر بگیرید که مولکول آن شامل انواع پیوندهای زیر است: 1-یونی. 2 - کووالانسی قطبی; 3- پیوند بین اتم های گوگرد و اکسیژن کم قطبی است. شکستن به راحتی در محل پیوند یونی رخ می دهد (1):

Na 1 O 3 O S 3 H 2 O O

1. NaHSO 4 ® Na + + HSO - 4، 2. سپس در محل پیوند قطبی با درجه کمتر: HSO - 4 ® H + + SO 2 - 4. 3. باقی مانده اسید به یون تجزیه نمی شود.

درجه تفکیک الکترولیت به شدت به ماهیت حلال بستگی دارد. به عنوان مثال، HCl در آب به شدت، در اتانول C 2 H 5 OH با شدت کمتر، و تقریباً در بنزن تجزیه نمی شود، که در آن عملاً جریان الکتریکی را هدایت نمی کند. حلال هایی با ثابت دی الکتریک بالا (e) مولکول های املاح را قطبی می کنند و با آنها یون های حل شده (هیدراته) تشکیل می دهند. در 250C e(H2O) = 78.5، e(C2H5OH) = 24.2، e(C6H6) = 2.27.

در محلول‌های الکترولیت‌های ضعیف، فرآیند تفکیک به صورت برگشت‌پذیر اتفاق می‌افتد و بنابراین، قوانین تعادل شیمیایی برای تعادل موجود در محلول بین مولکول‌ها و یون‌ها اعمال می‌شود. بنابراین، برای تفکیک اسید استیک

CH 3 COOH « CH 3 COO - + H + .

ثابت تعادل Kc به صورت تعیین می شود

K c = K d = CCH 3 COO - · C H + / CCH 3 COOH.

ثابت تعادل (K c) برای فرآیند تفکیک، ثابت تفکیک (K d) نامیده می شود. مقدار آن به ماهیت الکترولیت، حلال و دما بستگی دارد، اما به غلظت الکترولیت در محلول بستگی ندارد. ثابت تفکیک یک مشخصه مهم الکترولیت های ضعیف است، زیرا نشان دهنده قدرت مولکول های آنها در محلول است. هرچه ثابت تفکیک کوچکتر باشد، الکترولیت ضعیف‌تر تجزیه می‌شود و مولکول‌های آن پایدارتر می‌شوند. با توجه به اینکه درجه تفکیک بر خلاف ثابت تفکیک با غلظت محلول تغییر می کند، لازم است رابطه بین Kd و a پیدا شود. اگر غلظت اولیه محلول برابر با C در نظر گرفته شود و درجه تفکیک متناظر با این غلظت a باشد، تعداد مولکولهای تفکیک شده اسید استیک برابر با a · C خواهد بود.

CCH 3 COO - = C H + = a C،

سپس غلظت مولکول های حل نشده اسید استیک برابر با (C - a · C) یا C(1- a · C) خواهد بود. از اینجا

K d = aС · a С /(С - a · С) = a 2 С / (1- a). (1)

معادله (1) قانون رقیق سازی استوالد را بیان می کند. برای الکترولیت های بسیار ضعیف الف<<1, то приближенно К @ a 2 С и

a = (K/C). (2)

همانطور که از فرمول (2) مشاهده می شود، با کاهش غلظت محلول الکترولیت (در صورت رقیق شدن)، درجه تفکیک افزایش می یابد.

الکترولیت های ضعیف در مراحلی تجزیه می شوند، به عنوان مثال:

مرحله اول H 2 CO 3 « H + + HCO - 3،

مرحله 2 HCO - 3 « H + + CO 2 - 3 .

چنین الکترولیت هایی بسته به تعداد مراحل تجزیه به یون ها با چندین ثابت مشخص می شوند. برای اسید کربنیک

K 1 = CH + CHCO - 2 / CH 2 CO 3 = 4.45 × 10 -7; K 2 = CH + · CCO 2- 3 / CHCO - 3 = 4.7 × 10 -11.

همانطور که مشاهده می شود، تجزیه به یون های اسید کربنیک عمدتاً توسط مرحله اول تعیین می شود و مرحله دوم تنها زمانی ظاهر می شود که محلول بسیار رقیق شده باشد.

تعادل کل H 2 CO 3 « 2H + + CO 2 - 3 با ثابت تفکیک کل مطابقت دارد.

K d = C 2 n + · CCO 2- 3 / CH 2 CO 3.

کمیت های K 1 و K 2 با رابطه با یکدیگر مرتبط هستند

K d = K 1 · K 2.

پایه های فلزات چند ظرفیتی به روشی گام به گام مشابه جدا می شوند. به عنوان مثال، دو مرحله تفکیک هیدروکسید مس

Cu(OH) 2 «CuOH + + OH -

CuOH + « Cu 2+ + OH -

با ثابت های تفکیک مطابقت دارد

K 1 = СCuOH + · СОН - / СCu(OH) 2 و К 2 = Сcu 2+ · СОН - / СCuOH + .

از آنجایی که الکترولیت های قوی به طور کامل در محلول تفکیک می شوند، اصطلاح ثابت تفکیک برای آنها معنایی ندارد.

تفکیک کلاس های مختلف الکترولیت ها

از دیدگاه تئوری تفکیک الکترولیتی اسید ماده ای است که تجزیه آن تنها یون هیدروژن هیدراته H3O (یا به سادگی H+) را به عنوان کاتیون تولید می کند.

مبانیماده ای است که در یک محلول آبی، یون هیدروکسید OH - و بدون آنیون دیگر - را به عنوان یک آنیون تشکیل می دهد.

بر اساس نظریه برونستد، اسید یک دهنده پروتون و یک باز گیرنده پروتون است.

قدرت بازها مانند قدرت اسیدها به مقدار ثابت تفکیک بستگی دارد. هر چه ثابت تفکیک بزرگتر باشد، الکترولیت قوی تر است.

هیدروکسیدهایی وجود دارند که نه تنها با اسیدها بلکه با بازها نیز می توانند برهم کنش داشته باشند و نمک تشکیل دهند. چنین هیدروکسیدهایی نامیده می شوند آمفوتریک این شامل Be(OH) 2، Zn(OH) 2، Sn(OH) 2، Pb(OH) 2، Cr(OH) 3، Al(OH) 3. خواص آنها به این دلیل است که به صورت اسیدی و باز به طور ضعیفی تجزیه می شوند

H + + RO - « ROH « R + + OH -.

این تعادل با این واقعیت توضیح داده می شود که استحکام پیوند بین فلز و اکسیژن کمی با استحکام پیوند بین اکسیژن و هیدروژن متفاوت است. بنابراین، هنگامی که هیدروکسید بریلیم با اسید کلریدریک واکنش می دهد، کلرید بریلیم به دست می آید.

Be(OH) 2 + HCl = BeCl 2 + 2H 2 O،

و هنگام تعامل با هیدروکسید سدیم - بریلات سدیم

Be(OH) 2 + 2NaOH = Na 2 BeO 2 + 2H 2 O.

نمک هارا می توان به عنوان الکترولیت هایی تعریف کرد که در محلول تجزیه می شوند و کاتیون هایی غیر از کاتیون های هیدروژن و آنیون هایی غیر از یون های هیدروکسید تشکیل می دهند.

نمک های متوسط, با جایگزینی کامل یون های هیدروژن اسیدهای مربوطه با کاتیون های فلزی (یا NH + 4) به دست می آید، Na 2 SO 4 « 2Na + + SO 2- 4 » کاملاً جدا می شود.

نمک های اسیدیمرحله به مرحله تفکیک کنید

1 مرحله NaHSO 4 « Na + + HSO - 4 ,

مرحله 2 HSO - 4 «H + + SO 2- 4 .

درجه تفکیک در مرحله 1 بیشتر از مرحله 2 است و هر چه اسید ضعیف تر باشد درجه تفکیک در مرحله 2 کمتر است.

نمک های اساسیبه دست آمده از جایگزینی ناقص یون های هیدروکسید با باقی مانده های اسیدی نیز در مراحل زیر تجزیه می شوند:

مرحله اول (CuOH) 2 SO 4 « 2 CuOH + + SO 2- 4،

مرحله 2 CuОH + « Cu 2+ + OH - .

نمک های اساسی بازهای ضعیف عمدتاً در مرحله 1 تفکیک می شوند.

نمک های پیچیدهحاوی یک یون کمپلکس پیچیده است که پس از انحلال پایداری خود را حفظ می کند، به یک یون پیچیده و یون های کره بیرونی تجزیه می شود.

K 3 « 3K + + 3 - ,

SO 4 « 2+ + SO 2 - 4 .

در مرکز یون کمپلکس یک اتم کمپلکس قرار دارد. این نقش معمولا توسط یون های فلزی انجام می شود. مولکول‌ها یا یون‌های قطبی، و گاهی هر دو با هم، در نزدیکی عوامل کمپلکس‌کننده قرار دارند. لیگاندهاعامل کمپلکس کننده همراه با لیگاندها کره داخلی کمپلکس را تشکیل می دهند. یون‌هایی که دور از عامل کمپلکس‌کننده قرار دارند و کمتر به آن متصل هستند، در محیط خارجی ترکیب پیچیده قرار دارند. کره داخلی معمولاً در براکت های مربع محصور می شود. عددی که نشان دهنده تعداد لیگاندها در کره داخلی است نامیده می شود هماهنگی. پیوندهای شیمیایی بین یون های پیچیده و ساده در طی فرآیند تفکیک الکترولیتی به راحتی شکسته می شوند. پیوندهایی که منجر به تشکیل یون های پیچیده می شوند، پیوند دهنده - گیرنده نامیده می شوند.

یون های کره بیرونی به راحتی از یون پیچیده جدا می شوند. به این تفکیک اولیه می گویند. تجزیه برگشت پذیر کره داخلی بسیار دشوارتر است و تجزیه ثانویه نامیده می شود

Cl « + + Cl - - تفکیک اولیه،

+ « Ag + +2 NH 3 - تفکیک ثانویه.

تفکیک ثانویه، مانند تفکیک یک الکترولیت ضعیف، با یک ثابت ناپایداری مشخص می شود

لانه K. = × 2 / [ + ] = 6.8 × 10 -8.

ثابت ناپایداری (K inst.) الکترولیت های مختلف معیاری برای سنجش پایداری کمپلکس است. لانه K کمتر. ، مجتمع پایدارتر است.

بنابراین، در میان ترکیبات مشابه:

-	+	+	+
لانه K = 1.3×10 -3	لانه K =6.8×10 -8	K آشیانه =1×10 -13	K آشیانه =1×10 -21

پایداری مجموعه با انتقال از - به + افزایش می یابد.

مقادیر ثابت ناپایداری در کتاب های مرجع شیمی آورده شده است. با استفاده از این مقادیر می توان سیر واکنش های بین ترکیبات پیچیده را پیش بینی کرد، با تفاوت شدید در ثابت های ناپایداری، واکنش به سمت تشکیل کمپلکس با ثابت ناپایداری کمتر پیش می رود.

نمک پیچیده با یون کمپلکس کم پایدار نامیده می شود نمک دو برابر. نمک های مضاعف، بر خلاف نمک های پیچیده، به تمام یون های موجود در ترکیب خود تجزیه می شوند. مثلا:

KAl(SO 4) 2 «K + + Al 3+ + 2SO 2- 4،

NH 4 Fe (SO 4) 2 « NH 4 + + Fe 3 + + 2SO 2- 4.

دستورالعمل ها

ماهیت این نظریه این است که تقریباً تمام الکترولیت ها هنگام ذوب شدن (حل شدن در آب) به یون هایی که دارای بار مثبت و منفی هستند تجزیه می شوند (که به آن تفکیک الکترولیتی می گویند). تحت تأثیر جریان الکتریکی، منفی ("-") به سمت آند (+) و آنهایی که دارای بار مثبت (کاتیون، "+") به سمت کاتد (-) حرکت می کنند. تفکیک الکترولیتی یک فرآیند برگشت پذیر است (فرایند معکوس "مولاریزه کردن" نامیده می شود).

درجه (الف) تفکیک الکترولیتی به خود الکترولیت، حلال و غلظت آنها بستگی دارد. این نسبت تعداد مولکول‌هایی است که به یون‌ها تقسیم می‌شوند به تعداد کل مولکول‌های وارد شده به محلول (N). شما دریافت می کنید: a = n / N

بنابراین الکترولیت های قوی موادی هستند که با حل شدن در آب به طور کامل به یون تجزیه می شوند. الکترولیت‌های قوی معمولاً موادی هستند با پیوندهای بسیار قطبی یا بسیار: اینها نمک‌هایی هستند که بسیار محلول هستند (HCl، HI، HBr، HClO4، HNO3، H2SO4)، و همچنین بازهای قوی (KOH، NaOH، RbOH، Ba(OH)2، CsOH، Sr(OH)2، LiOH، Ca(OH)2). در یک الکترولیت قوی، ماده حل شده در آن بیشتر به صورت یون است ( ). عملاً هیچ مولکولی وجود ندارد که تفکیک نشده باشد.

الکترولیت های ضعیف موادی هستند که فقط تا حدی به یون ها تجزیه می شوند. الکترولیت‌های ضعیف همراه با یون‌های موجود در محلول حاوی مولکول‌های جدا نشده هستند. الکترولیت های ضعیف غلظت قوی یون ها را در محلول تولید نمی کنند.

ضعیف ها عبارتند از:
- اسیدهای آلی (تقریباً همه) (C2H5COOH، CH3COOH، و غیره)؛
- برخی از اسیدها (H2S، H2CO3، و غیره)؛
- تقریباً تمام نمک هایی که کمی در آب، هیدروکسید آمونیوم و همچنین تمام بازها محلول هستند (Ca3(PO4)2؛ Cu(OH)2؛ Al(OH)3؛ NH4OH).
- اب.

آنها عملاً جریان الکتریکی یا هدایت نمی کنند، اما ضعیف هستند.

توجه داشته باشید

اگرچه آب خالص جریان الکتریکی را بسیار ضعیف هدایت می کند، اما به دلیل این واقعیت که آب کمی به یون های هیدروکسید و هیدروژن تجزیه می شود، دارای رسانایی الکتریکی قابل اندازه گیری است.

مشاوره مفید

اکثر الکترولیت ها مواد تهاجمی هستند، بنابراین هنگام کار با آنها، بسیار مراقب باشید و قوانین ایمنی را رعایت کنید.

یک پایه قوی یک ترکیب شیمیایی معدنی است که توسط گروه هیدروکسیل -OH و یک قلیایی (عناصر گروه I جدول تناوبی: Li، K، Na، RB، Cs) یا فلز قلیایی خاکی (عناصر گروه II Ba، Ca) تشکیل شده است. ). به شکل فرمول های LiOH، KOH، NaOH، RbOH، CsOH، Ca(OH) 2، Ba(OH) 2 نوشته شده است.

شما نیاز خواهید داشت

• فنجان تبخیر
• مشعل
• شاخص ها
• میله فلزی
• N3PO4

دستورالعمل ها

دلایل قوی آشکار می شود، مشخصه همه. حضور در محلول با تغییر رنگ نشانگر تعیین می شود. فنل فتالئین را با محلول آزمایشی به نمونه اضافه کنید یا کاغذ تورنسل را حذف کنید. متیل نارنجی رنگ زرد، فنل فتالئین رنگ بنفش و کاغذ تورنسل آبی می شود. هرچه پایه قوی تر باشد، رنگ نشانگر شدیدتر است.

اگر نیاز دارید که بدانید کدام قلیایی به شما ارائه می شود، تجزیه و تحلیل کیفی راه حل ها را انجام دهید. رایج ترین پایه های قوی لیتیوم، پتاسیم، سدیم، باریم و کلسیم هستند. بازها با اسیدها (واکنش های خنثی سازی) واکنش داده و نمک و آب را تشکیل می دهند. در این مورد، Ca(OH)2، Ba(OH)2 و LiOH قابل تشخیص هستند. هنگامی که با اسید ترکیب می شود، ترکیبات نامحلول تشکیل می شود. هیدروکسیدهای باقیمانده بارش تولید نمی کنند، زیرا تمام نمک های پتاسیم و سدیم محلول هستند.
3 Ca(OH) 2 + 2 H3PO4 --→ Ca3(PO4)26+ 6 H2O

3 Ba(OH) 2 + 2 Н3PO4 --→ Ba3(PO4)2₂↓+ 6 H2O

3 LiOH + H3PO4 --→ Li3PO4↓ + 3 H2O
آنها را صاف کرده و خشک کنید. رسوب خشک شده را به شعله مشعل اضافه کنید. با تغییر رنگ شعله می توان یون های لیتیوم، کلسیم و باریم را به صورت کیفی تعیین کرد. بر این اساس، شما تعیین خواهید کرد که کدام هیدروکسید کدام است. نمک های لیتیوم شعله مشعل را به رنگ قرمز کارمینی در می آورند. نمک های باریم سبز و نمک های کلسیم زرشکی هستند.

قلیاهای باقی مانده ارتوفسفات های محلول را تشکیل می دهند.

3 NaOH + H3PO4--→ Na3PO4 + 3 H2O

3 KOH + H3PO4--→ K3PO4 + 3 H2O

لازم است آب را به یک باقیمانده خشک تبخیر کنید. نمک های تبخیر شده را یکی یکی روی یک میله فلزی داخل شعله مشعل قرار دهید. در آنجا نمک سدیم - شعله به زرد روشن تبدیل می شود و پتاسیم - صورتی-بنفش. بنابراین، با داشتن حداقل مجموعه ای از تجهیزات و معرف ها، شما تمام دلایل قوی که به شما ارائه شده است را شناسایی کرده اید.

الکترولیت ماده ای است که در حالت جامد خود دی الکتریک است، یعنی جریان الکتریکی را رسانا نمی کند، اما در صورت حل شدن یا مذاب شدن تبدیل به هادی می شود. چرا چنین تغییر شدیدی در خواص رخ می دهد؟ واقعیت این است که مولکول های الکترولیت در محلول ها یا مذاب ها به یون های دارای بار مثبت و بار منفی تجزیه می شوند، به همین دلیل این مواد در چنین حالت تجمعی قادر به هدایت جریان الکتریکی هستند. اکثر نمک ها، اسیدها و بازها دارای خواص الکترولیتی هستند.

دستورالعمل ها

چه موادی قوی محسوب می شوند؟ چنین موادی در محلول ها یا مذاب هایی که تقریباً 100 درصد مولکول های آنها بدون توجه به غلظت محلول در معرض قرار می گیرند. این لیست شامل اکثریت مطلق قلیایی های محلول، نمک ها و برخی اسیدها مانند کلریدریک، برمید، یدید، نیتریک و غیره است.

افراد ضعیف در محلول ها یا ذوب ها چگونه رفتار می کنند؟ الکترولیت ها? اولاً، آنها به مقدار بسیار کمی تفکیک می شوند (بیش از 3٪ از تعداد کل مولکول ها)، و ثانیا، تجزیه آنها بدتر و کندتر می شود هر چه غلظت محلول بیشتر شود. چنین الکترولیت هایی شامل (هیدروکسید آمونیوم)، اکثر اسیدهای آلی و معدنی (از جمله اسید هیدروفلوریک - HF) و البته آب آشنا برای همه ما هستند. از آنجایی که تنها بخش ناچیزی از مولکول های آن به یون های هیدروژن و یون های هیدروکسیل تجزیه می شود.

به یاد داشته باشید که درجه تفکیک و بر این اساس، قدرت الکترولیت به عواملی بستگی دارد: ماهیت خود الکترولیت، حلال و دما. بنابراین خود این تقسیم تا حدی دلبخواه است. از این گذشته، یک ماده می تواند تحت شرایط مختلف، هم الکترولیت قوی و هم یک الکترولیت ضعیف باشد. برای ارزیابی قدرت الکترولیت، یک مقدار ویژه معرفی شد - ثابت تفکیک، که بر اساس قانون عمل جرم تعیین می شود. اما فقط برای الکترولیت های ضعیف قابل استفاده است. قوی الکترولیت هاقانون کنش جمعی را رعایت نکنید.

منابع:

• لیست الکترولیت های قوی

نمک ها- اینها مواد شیمیایی متشکل از یک کاتیون هستند، یعنی یک یون با بار مثبت، یک فلز و یک آنیون با بار منفی - یک باقی مانده اسید. انواع مختلفی از نمک ها وجود دارد: معمولی، اسیدی، بازی، دوگانه، مخلوط، هیدراته، پیچیده. این بستگی به ترکیبات کاتیون و آنیون دارد. چگونه می توانید تعیین کنید پایهنمک؟