Elektrolity i dysocjacja
jonowa, zjawisko hydratacji

1| Czym są elektrolity i na czym polega dysocjacja jonowa?

Elektrolitami nazywamy substancje, których roztwory przewodzą prąd elektryczny. Przewodzenie to umożliwiają jony, będące cząstkami obdarzonymi ładunkiem elektrycznym. Elektrolitami są kwasy, zasady i sole. Wprowadzone do roztworu, ulegają, pod wpływem cząsteczek rozpuszczalnika, procesowi zwanemu dysocjacją elektrolityczną (jonową), czyli rozpadają się na jony. Zjawisko dysocjacji odkrył Szwed: Svante Arrhenius.

Niektóre substancje, np. sole, przewodzą prąd elektryczny również po stopieniu. Temperatura topnienia, czyli zamiany ciała stałego w ciecz, dla pospolitej soli, jaką jest chlorek sodu (NaCl) wynosi 801^oC. Jego struktura krystaliczna ulega zniszczeniu, rozsypuje się jak domek z kart. Jony Na⁺ i Cl^- uwolnione zostają z sieci krystalicznej i zyskują swobodę ruchów, dzięki czemu możliwy jest przepływ prądu.

Substancje, które w żadnym stopniu nie ulegają w roztworach dysocjacji jonowej, a ich roztwory nie przewodzą prądu elektrycznego nazywamy nieelektrolitami. Należą do nich bardzo liczne substancje spoza kręgu kwasów, zasad i soli, np. sacharoza (cukier kuchenny), glukoza, alkohol etylowy, O₂, N₂, CO i inne związki nieorganiczne i organiczne.

2| Dysocjacja a rozpuszczanie

Zapamiętaj, że dysocjacja nie jest pojęciem równoważnym rozpuszczaniu. Fakt, że jakaś substancja rozpuszcza się w wodzie, nie znaczy, że jej cząsteczki dysocjują jonowo, czyli nie znaczy, że substancja ta jest elektrolitem. Wspomniana sól kuchenna jest elektrolitem, bo nie tylko rozpuszcza się w wodzie, ale też w niej dysocjuje. Błędem byłoby natomiast nazywanie elektrolitem cukru, gdyż ten nie dysocjuje w wodzie, mimo że się w niej dobrze rozpuszcza. Roztwór cukru nie przewodzi prądu elektrycznego.

2.1   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 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.

2.1.1   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 α, 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)

 

Elektrolity mocne, słabe oraz nieelektrolity

Substancje dzielimy na, jak już wspomnieliśmy elektrolity i nieelektrolity. Podział ten nie jest jednak tak prosty, jakby się na pierwszy rzut oka wydawało. Elektrolity bowiem mogą być mocne i słabe, a i te pojęcia są względne.
Pewne substancje, do których zaliczamy sól NaCl, kwas H₂SO₄, czy też zasadę NaOH, dysocjują w roztworze w 100%, co oznacza, że na dziesięć cząsteczek wprowadzonych do zlewki z wodą dziesięć ulega dysocjacji. Są to mocne elektrolity. Są jednak również substancje, które dysocjują tylko częściowo. Nazywamy je słabymi elektrolitami i zaliczamy do nich sporą grupę kwasów (m.in. H₂S i H₃PO₄). Ale uwaga! Pojęcie 'słaby elektrolit' jest pojęciem względnym i bywa niekiedy mylące..

Mocne elektrolity	Słabe elektrolity
mocne kwasy (m.in. HCl, H2SO4, HNO3, HClO4, organiczne kwasy sulfonowe^?)	słabe kwasy (m.in. HF, H2S, H2CO3, HCN, H3PO4, HNO2, H2SO3)
mocne zasady (np. wodorotlenki litowców, Ba(OH)2)	słabe zasady (np. Al(OH)3, Zn(OH)3, amoniak, anilina^?)
niemal wszystkie sole rozpuszczalne w wodzie	nieliczne sole rozpuszczalne w wodzie (np. HgCl2)

Zjawisko hydratacji

Solwatacja jest ogólnym pojęciem oznaczającym trwałe otoczenie cząsteczkami rozpuszczalnika, cząstki substancji rozpuszczonej. Solwatację zachodzącą w roztworach wodnych, czyli zjawisko otoczenia cząstki substancji rozpuszczonej, przez cząsteczki wody, nazywamy hydratacją.
Przyczyną hydratacji jest występowanie zwykłego oddziaływania elektrostatycznego pomiędzy naładowanymi elektrycznie jonami oraz cząsteczkami wody, które są dipolami zbudowanym z dwóch atomów wodoru, na których gromadzą się cząstkowe ładunki dodatnie i atomu tlenu, obdarzonego cząstkowym ładunkiem ujemnym (więcej na temat cząstkowych ładunków i dipoli przeczytasz w tekście 'Wiązanie kowalencyjne spolaryzowane').

Rozpuszczanie substancji jonowej, takiej jak KCl, polega na atakowaniu kryształku soli przez cząsteczki wody, które próbują wyrywać kationy i aniony, przyciągając je do siebie odpowiednio ujemnym i dodatnim biegunem cząsteczki. Kiedy kation, np. K⁺, wypadnie z sieci krystalicznej automatycznie zostaje hydratowany, czyli otoczony grupą cząsteczek wody, zwróconych do niego swą ujemną częścią - atomem tlenu. I analogicznie: gdy cząsteczki wody "wyrwą", "wybiją" z sieci krystalicznej soli anion Cl^-, hydratują go - oddziaływanie elektrostatyczne złącza anion z dodatnio naładowanymi częściami cząsteczek wody, czyli atomami wodoru. Hydratacja nie jest rodzajem wiązania chemicznego i nie należy tych pojęć rozumieć jednoznacznie! Hydratacja to oddziaływanie międzycząsteczkowe istniejące dzięki elektrostatycznemu przyciąganiu przysłowiowego plusa z minusem. Proces hydratowania jonów można sobie łatwo wyobrazić: bierzemy niewielki magnes i wrzucamy go pomiędzy małe gwoździki. W ułamku sekundy nastąpi przyciągnięcie gwoździków do magnesu i otoczą go one, tworząc najeżoną kulkę. W analogiczny sposób cząsteczki wody otaczają w roztworach wodnych naładowane jony, z tym, że raz nastawiają się do nich atomem tlenu, a raz atomami wodoru.

Podsumujmy: chlorek potasu, mający w formie stałej postać bezbarwnych kryształków, po wprowadzeniu do wody ulega rozpuszczeniu i dysocjacji elektrolitycznej (jonowej) - pod wpływem cząsteczek wody rozpada się na tysiące anionów i kationów, które to cząstki zostają automatycznie otoczone przez cząsteczki wody. Fakt rozpuszczenia soli i jej zdysocjowania na jony, jak i doświadczalnie sprawdzalny fakt przewodzenia przez roztwór KCl prądu elektrycznego są dowodami na to, że KCl jest elektrolitem. Na rysunku uwidoczniono zhydratowane aniony chlorkowe i kationy potasu.

A co z roztworem cukru? Jak wspomnieliśmy na górze tego tekstu, w podpunkcie 2, "błędem byłoby nazywanie elektrolitem cukru, gdyż ten nie dysocjuje w wodzie, mimo że się w niej dobrze rozpuszcza". Fakt ten uwzględniono na naszym rysunku:

• w wodzie rozpuszczone są niezdysocjowane, całe cząsteczki cukru, o wzorze C₁₂H₂₂O₁₁ (dla jasności na rysunku nie zachowano proporcji między wielkością cząsteczek sacharozy C₁₂H₂₂O₁₁, a cząsteczkami wody),

• nie występuje zjawisko hydratacji cząstek substancji rozpuszczonej (skoro cukier nie dysocjuje, to nie powstają ani kationy, ani aniony, mogące przyciągać cząsteczki wody, obdarzone cząstkowymi ładunkami),

• również z uwagi na brak jonów - nośników ładunku - roztwór cukru nie przewodzi prądu elektrycznego, co jest doświadczalnym dowodem na to, że cukier nie jest elektrolitem.

---