5.   Równowagi jonowe w roztworach

5.1   Dysocjacja elektrolityczna

Dysocjacją elektrolityczną nazywamy rozpad substancji na jony pod wpływem rozpuszczalnika. W wyniku tego procesu powstaje roztwór przewodzący prąd. Substancje ulegające dysocjacji elektrolitycznej nazywamy elektrolitami.

Przewodnictwo elektrolitu jest przewodnictwem jonowym związanym z ruchem kationów i anionów w polu elektrycznym.

Rys.5.1 przedstawia proces dysocjacji cząsteczki chlorowodoru w rozpuszczalniku polarnym jakim jest woda. W cząsteczce chlorowodoru atom wodoru związany jest z chlorem silnie spolaryzowanym wiązaniem atomowym . Wprowadzenie chlorowodoru do wody prowadzi do orientacji polarnych cząsteczek
wokół cząsteczek HCl .Następuje rozerwanie wiązania wodór-chlor i utworzenie uwodnionych jonów
i
. Powstaje w ten sposób wodny roztwór kwasu solnego.

          

Rys.5.1. Dysocjacja chlorowodoru w wodzie.

Proces dysocjacji chlorowodoru możemy zapisać w postaci równania chemicznego:

(5.01)

Zdolność substancji do dysocjacji zależy od jej polarności oraz polarności rozpuszczalnika. Im silniej jest spolaryzowana cząsteczka tym łatwiej ulega ona rozpadowi na jony w rozpuszczalniku polarnym. Chlorowodór jest cząsteczką bardzo silnie spolaryzowaną. W wodzie praktycznie całkowicie rozpada się na jony i stąd w równaniu (5.01) dysocjację HCl przedstawiono jako reakcję nieodwracalną, zachodzącą tylko w jednym kierunku, w kierunku tworzenia jonów
i
.

Nie wszystkie substancje rozpadają się w jednakowym stopniu na jony. Niektóre cząsteczki o silnych, słabo spolaryzowanych wiązaniach atomowych w ogóle nie ulegają dysocjacji. Nazywamy je nieelektrolitami. Przykładem mogą być cząsteczki cukru. 

Część cząsteczek rozpada się częściowo na jony i proces ten można ogólnie opisać równowagą chemiczną:

(5.02)

Równowaga opisaną reakcją (5.02) jest równowagą dysocjacji. Stała równowagi (IV.2.2) tej reakcji:

Stała dysocjacji

(5.03)

nosi nazwę stałej dysocjacji. Im większa wartość
tym bardziej substancja jest zdysocjowana w roztworze. W tablicy 5.1. podano przykłady równowag jonowych oraz stałych dysocjacji elektrolitów w roztworach wodnych.

Tablica 5.1

Stała dysocjacji i stopień dysocjacji dla wybranych elektrolitów
Substancja	Reakcja dysocjacji	Stała dysocjacji K	Stopień dysocjacji a
			0,0001 dla 0,03m (pierwszy stopień dysocjacji)
			0,0007 dla 0,05M (pierwszy stopień dysocjacji)
			0,021 dla 0,02m 0,017 dla 0,05m (pierwszy stopień dysocjacji)
			0,013 dla 0,1M 0,004 dla 1,0M
			0,013 dla 0,1M 0,004 dla 1,0M
			0,27 dla 0,03M 0,17 dla 0,2M
			0,58 dla 0,05M 0,01 dla stężonego kwasu
			0,09 dla 0,0075M

 

Istnieje jeszcze jeden sposób wyrażania zdolności substancji do dysocjacji w danym rozpuszczalniku. Jest nim stopień dysocjacji.

Stopniem dysocjacji nazywamy stosunek ilości cząsteczek substancji które rozpadły się na jony do całkowitej (rozpuszczonej) ilości cząsteczek:

(5.04)

Ilość cząsteczek w równaniu (5.04) można zastąpić ilością moli n:

(5.05)

Stopień dysocjacji jest liczbą bezwymiarową mieszczącą się w przedziale
. Można go również wyrazić w procentach:

(5.06)

Elektrolity mocne i słabe

Elektrolity o wartości
a zbliżonej do jedności nazywamy elektrolitami mocnymi. Elektrolity słabe to elektrolity których a jest bardzo małe, na ogół mniejsze od 0,1.

5.1.1   Prawo rozcieńczeń Ostwalda

Zależność pomiędzy stopniem dysocjacji a stałą dysocjacji ujmuje prawo rozcieńczeń Ostwalda:

(5.07)

gdzie c oznacza stężenie molowe molowe elektrolitu.

Dla elektrolitów słabych, gdy a<<1 równanie (5.07) można przedstawić w formie uproszczonej:

(5.08)

lub:

(5.09)

Równanie (5.09) podaj zależność stopnia dysocjacji słabego elektrolitu od stężenia.

Wyprowadzenie prawa rozcieńczeń Ostwalda

Napiszmy równanie reakcji dysocjacji słabego kwasu jakim jest kwas octowy:

(5.10)

oraz stałą dysocjacji dla tej reakcji:

(5.11)

Jeśli w roztworze rozpuścimy c moli kwasu, a stała dysocjacji kwasu wynosi a, to stężenia substancji biorących udział w równowadze (5.11) będą kształtowały się następująco:

Stężenie jonów powstałych w wyniku dysocjacji:

(5.12)

Stężenie niezdysocjowanych cząsteczek kwasu:

(5.13)

Podstawiając równania (5.12) i (5.13) do wyrażenia na stałą dysocjacji (5.11) otrzymamy prawo rozcieńczeń Ostwalda:

(5.14)

 

5.1.2   Dysocjacja wielostopniowa

Dysocjację prostego związku o budowie jonowej AB, zbudowanego z jednowartościowych jonów, można opisać jedną reakcją:

(5.15)

Dla cząsteczek o skomplikowanej budowie jonowej zbudowanych z jonów wielowartościowych
dysocjacja przebiega w wielu etapach i każdy etap można opisać odpowiednimi cząstkowymi reakcjami równowagi:

(5.16)

Poszczególnym etapom można przypisać cząstkowe stałe równowagi K₁, K₂, K₃.....K_i. Stała równowagi całkowitej dysocjacji K jest iloczynem cząstkowych stałych równowagi K_i:

(5.17)

W tablicy 5.1 przedstawiono kilka elektrolitów ulegających dysocjacji wielostopniowej.

Kwas siarkowy ulega w wodzie dysocjacji dwustopniowej a wodne roztwory kwasu siarkowego zawierają kation wodorowy
oraz dwa rodzaje anionów
.

 

 

---