Электролиттік диссоциация теориясы

Электролиттік диссоциация теориясы - Өткен тақырыптар бойынша қосылыстар ионды және ковалентті байланысты болатыны сендерге белгілі. Ал ковалентті байланыстың өзі екі түрге бөлінеді: полюсті және полюссіз. Заттардың кристалдык торларының типтері қосылыстардағы байланыс түрлеріне төуелді. Ал заттардың физикалық жөне химиялық қасиеттері тор типтеріне байланысты болады.

H₂ затын құратын ковалентті байланыс - екі сутегі атомдарында ортақ екі электроны бар.

Ионды және ковалентті байланысты қосылыстардың ерекшеліктері олардың судағы ерітінділерінің қасиеттерінде де байқалады. Осы ерекшеліктерді бақылау үшін электрөткізгіштікті зерттейтін құралды пайдалануға болады.

1. Ыдысқа құрғақ қант пен ас тұзын кезекпен салып, оны электр желісіне қоссақ, электр шамы жанбайды, олай болса қатты күйіндегі заттарда ток тасымалдаушы бөлшектердің болмағаны.
2. Құрғақ қант пен ас тұзының орнына дистилденген су құйсақ та электр шамының жанбайтынын көреміз.
3. Келесі жолы қант пен ас тұзына су құйып, олардың ерітіндісін аламыз. Жүйені электр желісіне қосқанда ас тұзының ерітіндісі құйылған жағдайда электр шамының

жанғандығы, ал қант ерітіндісі құйылғанда, шамның жанбағандығы байқалады.

Енді осы екі қосылыстың айырмышылығы неде? Әрине, олардағы химиялық байланыстардың табиғатында. Қант молекуласында атомдар арасындағы байланыстар полюссіз, ал ас тұзындағы байланыс - ионды. Әрі қарай зертханада бар сілті, бейорганикалық қышқыл ерітінділерімен осы тәжірибені қайталағанда электр шамының жарқырап жануын, ал органикалық сірке қышқылының ерітіндісінде шамның нашар жануын байқаймыз.

Олай болса, шамның жануы заттардың ерітінділерінде токты тасымалдаушы бөлшектердің - иондардың - болуына байланысты.

Заттарды суда еріткенде немесе балқытканда иондарға ыдырауын диссоциация дейміз. Диссоциацияланатын заттар электролиттер, ал диссоциацияға ұшырамайтын заттар — бейэлектролиттпер (қант, глюкоза, спирт жөне кейбір жай газдардың (Н₂,0₂, N₂) судағы ерітінділері жатады).

Зат	Электр шамының жануы	Қорытынды
Құрғақ қант	-	бейэлектролит
Құрғақ ас тұзы	-	бейэлектролит
Дистилденген су	-	бейэлектролит
NaCl ерітіндісі	+	электролит
Қант ерітіндісі	-	бейэлектролит
Сірке кышқылының ерітіндісі	әлсіз	электролит
NaOH ерітіндісі	+	электролит
H2S04 ерітіндісі	+	электролит	Кальций карбонаты	-	электролит	Натрий оксиді	-	бейэлектролит

Сванте Аррениус

Бұл теорияның негізін 1887 жылы швед ғалымы С. Аррениус салған (Нобель сыйлығының лауреаты, 1903 жылы) Ол еруді тек физикалық құбылыс деп карастырды, диссоциациялану нәтижесінде бөлінген иондар еріткіш молекулаларына біртіндеп таралады деп санап, еріткіштің әсерін ескермеді. Осындай көзқарасты калыптастырып дамытқан әрі С. Аррениус теориясын толықтырған ғалымдар - И. А. Каблуков, В.А. Кистяковский, Д.И. Менделеев. Ал қазіргі кезде диссоциациялануды күрделі физика-химиялық үдеріс деп қарастырады.

Аррениус теориясының негізгі қағидалары:

1. Тұздар, қышқылдар, негіздер ерігенде және балқығанда иондарға ыдырайды.
2. Ерітінділер мен балқымалардың ток өткізгіштігі осы иондардың концентрациясына тәуелді болады. Олардың оң зарядталғаны катодқа тартылатындықтан катиондар деп, ал анодқа тартылатындары аниондар деп аталады. Ағылшын физигі М. Фарадей XIX ғасырдың 30-шы жылдары «электролит, ион, катион, анион» терминдерін енгізді. Ионды және ковалентті полюсті байланысты молекулалар суда ерігенде иондарға толығымен ыдырайды:

• NaCl↔ Na⁺+ Cl^-;
• HCl ↔ Н⁺+ CI^-;
• H₂S0₄ ↔ 2Н⁺ + S0₄^2-

Иондардың формулаларыада зарядтың таңбасы (+, - ) оның сан мәнінен кейін жазылады.

Ac тұзы ерітіндісіндегі иондардың гидраттану механизмін карастырайық. Зат суда еріген кезде оның молекуласы иондарға ажырап қана қоймайды, осы иондар су молекулаларымен әрекеттесіп гидраттар түзеді. Полюсті су молекуласын былай белгілейміз (+ -), ол диполь (диполь - екі полюс) деп аталады:H⁺→0←H⁺

Диссоциация нәтижесінде пайда болган иондар қасиеттері молекуланы құраушы атомдар мен молекулалардың қасиеттерінен өзгеше болады. Оның себебі олардың электрондық құрылысында. Осы айтылғанды ас тұзы молекуласы мысалында қарастырайық.

Na элементі мен ионын салыстырайық:

2311Na1s22s22p63s1	Na+ ls22s22p63s0
Оң зарядты ионның (катионның) радиусы атомның радиусынан кіші.	Оң зарядты ионның (катионның) радиусы атомның радиусынан кіші.
Күмістей жылтыр ақ металл.	Ион - түссіз.
Сумен шабытты өрекеттеседі:2Na + 2Н20 = 2NaOH + Н2↑	Суға әсер етпейді, тек гидраттанады.
Тотығу-тотықсыздану реакциясында күшті тотықсыздандырғыш:Na°-ē→Na+	Ион — тотықтырғыш: Na+ + е→Na0

Сl элементі мен ионын салыстырайық:

3517Сl1s22s22p63s23p5	Сl-1s22s22p63s23p6
Теріс зарядты ионның радиусы атомның радиусынан үлкен.	Теріс зарядты ионның радиусы атомның радиусынан үлкен.
Хлор молекуласы жай зат күйінде екі атомнан тұрады С12, ол өткір иісті, тыныс жолдарын түршіктіретін жасыл-сары улы газ.	Ион - түссіз.
Суда аздап еріп, әрекеттеседі:Сl2 + Н20 = НСl + HCl	Суға әсер етпейді, тек гидраттанады.
Тотығу-тотықсыздану реакциясында күшті тотықтырғыш: Сl2 + 2ē→2С1-	Ион - тотықсыздандырғыш. 2С1--2e→Сl2

Na⁺ иондарына судың диполь молекуласы теріс полюсімен, ал С1^- иондарына оң полюсімен бағытталады.

Ac тұзындағы хлор ион күйінде тамаққа пайдаланылады да, ал хлор молекуласы С1₂ - улы газ. Гидраттанған иондардың кейде түсі де өзгереді. Мысалы, сусыз CuS0₄ - түссіз, гидраттанғаны CuS0₄ • 5Н₂0 - көгілдір түсті.

Электролиттік диссоциация теориясының қазіргі заманғы қағидалары:

1. Заттар суда ерігенде оң жөне теріс иондарға ыдырайды.
2. Диссоциацияның себебі - заттардың гидратациялануы. Электр

шамы жанады.

1. Электр тоғының әсерінен иондар катод пен анодқа бағытталады.
2. Диссоциация қайтымды үдеріс: диссоциация (ыдырау)↔ ассоциация (бірігу)
3. Электролиттер әр түрлі шамада диссоциацияланады (α).
4. Электролит ерітінділерінің химиялық касиеттері ондағы иондардың табиғатымен анықталады.
5. Элемент атомы мен оның ионының қасиеттері әр түрлі болады.

Иондар ерітінділерде гидратталған күйде болғанымен, заттардың диссоциациялану теңдеуін жазған кезде гидраттық қоршауын еске алмай, жалаң иондар күйінде жазылады. Бұл - жазу үдерісін оңайлату үшін жасалған шара. Электролит ерітінділерінде электр тогын тасымалдаушы иондар болады. Ондай электролиттерді екінші ретті өткізгіштер деп атайды.

Қышқылдардың, сілтілердің, тұздардың диссоциациялануы

Қышқылдар

Кейбір бейорганикалық қышқылдар: фосфор (Н₃Р0₄), кремний (H₂SiO₃), бор (Н₃В0₃) және көптеген органикалық қышқылдар қатты заттар болып келеді. Күкіртті сутек (H₂S) және галогенді сутек (НГ) қышқылдары - газдар. Қышқылдарды суда еріткенде түссіз ерітінділер түзеді, олар иондарға ыдырайды (диссоциацияланады).

Қышқылдардың диссоциациясы:

HCl→H⁺+Cl^-

HNO3→H⁺+NO3^-

Көп негізді қышқылдар сатылап диссоциацияланады.

Қышқылдан қанша ион сутек ерітіндіге бөлінсе, қышқыл қалдығының заряды сонша (теріс) зарядты болады.

H₂SO₄→H⁺+HSO₄^-

HSO₄^-→H⁺+SO₄^2-

-------------------------------

H₂SO₄→2H⁺+SO₄^2-

Бұл жолы барлық жағдайда Н⁺ (протон) бөлінгенін көреміз.

Диссоциациялану теңдеуінің екі жағындағы иондар зарядтарының шамалары өзара тең болуы керек.

HSO₄^-→H⁺+SO₄^2-

(-1 =+1+(-2))

Электролиттік диссоциация теориясы бойынша қышқылдар дегеніміз диссоциациялану нәтижесінде ерітіндіге сутек катиондарын бөлетін күрделі заттар.

Негіздер

Барлық негіздердің агрегатгық күйлері қатты болады (аммиактың судағы ерітіндісі - NH₄OH сұйықтық). Сілтілік металдар және сілтілік-жер металдары ішінде барий гидроксиді суда жақсы ериді (сілтілер), иондарға жақсы ыдырайды.

Негіздердің диссоциациясы:

NaOH↔Na⁺+OH^-

Ca(OH)2↔Ca²⁺+2OH^-

Осы теңдеулерде көріп отырғанымыздай негіздердің барлығы гидроксид ионын бөле диссоциацияланады.

Көп негізді қышқылдар сияқты кеп қышқылды негіздер де сатылы диссоциацияланады.

Ba(OH)2↔Ba²⁺+OH^-

(BaOH)⁺↔Ba²⁺+OH^-

Негізден анша гидроксид-ион ерітіндіге бөлінсе, негіз қалдығы сонша (оң зарядты) болады.

Электролиттік диссоциация тұрғысынан негіздерге мынадай анықтама беруге болады.

Негіздер дегеніміз диссоциациялану нәтижесінде ерітіндіге гидроксид аниондарын бөлетін электролиттер.

Қышқылдар мен негіздердің бұдан басқа да көптеген теориялары бар, солардың бірін ҚазҰУ-нің профессоры М. И. Усанович ұсынған.

Тұздар

Тұздар - ерігіштіктері әр түрлі болатын катты заттар. Оларды кышқылдар мен негіздердің әрекеттесу нәтижесінің өнімі ретінде қарастыруға болады.

Орта тұздар

Қышқыл кұрамындағы сутек атомдары металл атомдарына жөне негіз құрамындағы гидроксид-иондар қышқыл қалдықтарына толық алмасқанда түзіледі (MgS0₄, ВаСl₂, Ca(N0₃)₂).

Тұздардың диссоциациясы: Орта тұздар металл катиондары мен қышқыл қалдықтарының аниондарына айырылады:

MgS0₄ → Mg²⁺ + SO₄^2-

ВаСl₂→ Ва²⁺ + 2Cl^-

Ca(N0₃)₂→ Са²⁺ + 2N0₃^-

Электролиттік диссоциация теориясы тұрғысынан тұздар дегеніміз диссоциациялануы нәтижесінде ерітіндіге металл катиондары мен қышқыл қалдығының аниондарын бөлетін күрделі электролиттер.

Қышқыл тұздар

Қышқыл құрамындағы сутек атомдары металл атомдарына толық алмаспағанда түзіледі (Na₂HP0₄, NaHS0₄, Са(НС0₃)₂).

Қышқыл тұздар сатылап диссоциацияланады:

Na₂HP0₄↔ 2Na⁺ + НРО₄^-

НР0₄^2-↔ Н⁺ + Р0₄^3-

------------------------------------------------

Na₂HP0₄↔2Na⁺ +Н⁺+ Р0₄^3-

Қышқыл тұздар диссоциациясы нәтижесінде металл және сутек катиондары мен қышқыл калдықтарының аниондары түзіледі.

Негіздік тұздар

Негіздердің құрамындағы гидроксид-иондары қышқыл қалдық иондарына толық алмаспағандағы өнім.

Негіздік тұздар суда нашар ериді, алайда, олар да аз мөлшерде болса да суда ерігенде иондарға ыдырайды (негізінен бірінші сатысы):

Mg(OH)Cl↔ [Mg(OH)⁺] + Cl^-

Mg(OH)↔ Mg²⁺+ OH^-

Негіздік тұздар диссоциациясы нәтижесінде негіз калдығының катионы мен қышқыл қалдығының аниондары түзіледі.

Электролиттік диссоциацияны сапалық жағынан сипаттау

Электролиттер	Сапалық сипаттау
	Н+	OH-	Катион	Анион
Қышқылдар	+
Негіздер		+
Тұздар			+	+

Қышкылдық жөне негіздік тұздардың диссоциациялануының теңдеулерінен көріп отырғанымыздай, олардың диссоциациялануы анықтамаға сәйкес келмейді.

Қышкыл тұздардан металл катондарымен катар аз да болса сутек катионы, ал негіздік тұздардан қышқыл қалдық аниондарымен қатар гидроксид - иондары да (екінші сатысында) түзіледі.

Олай болса, тұздар деп негіздер мен қышқылдар қалдықтарынан тұратын күрделі заттарды айтамыз.

Кейбір органикалық заттар қышқылдар мен негіздердің ерітінділерінде түстерін өзгертеді, оларды индикаторлар деп атайды.

Электролиттер ерітінділеріне индикаторлардың әсері

Индикаторлар	Әр түрлі ерітінділердегі индикаторлардың түсі
	бейтарап	қышқыл	сілті
Лакмус	күлгін	қызыл	көк
Метилоранж	қызыл сары	қызғылт	сары
Фенолфталейн	түссіз	түссіз	таңқурай түсті

Диссодиациялану дәрежесі. Күшті және әлсіз электролиттер

Диссоциациялану үдерісін сандық жағынан да сипаттауға болады.

Диссоциацияланудың қаншалықты толық жүретіндігін диссоциациялану дәрежесі (α) көрсетеді, α-ны сандық үлеспен (0-1) немесе пайызбен (0-100%) беруге болады.

α = диссоциацияланган молекулалар саны/жалпы еріген молекулалар саны

Диссоциациялану дәрежесінің мәніне қарай электролиттер үш топка бөлінеді:

1. α > 30% - күшті;
2. 3% < α < 30% - орташа күшті;
3. α < 3% - әлсіз.

Күшті электролиттерге ерімтал тұздар, қышқылдар (HNO₃, H₂S0₄, HCl), сілтілер (NaOH, КОН, Ва(ОН)₂) жатады. Бұлар суда ерігенде иондарға толық ыдырайды.

Әлсіз электролиттерге: Н₂С0₃, H₂S, Н₃Р0₃, СН₃СООН, NH₄OH, Н₂0 жатады. Олар суда еріген кезде иондарға толық ыдырамайды.

Орташа күшті электролиттер: Н₃Р0₄, H₂S0₃, HN0₂, т. б.

Диссоциациялану дәрежесіне заттың және еріткіштің табиғаты, ерітіндінің концентрациясы, температура әсер етеді.

c¹=c•α•n

Мұндағы:

• c¹ - ерітіндідегі иондар концентрациясы;
• с - заттың молярлы концентрациясы;
• α - диссоциациялану дөрежесі;
• n - ерітіндіге өтетін иондардың моль саны.

Ион алмасу реакциялары

Сода кесегін тұз қышқылына салсак мына реакция жүреді:

Na₂C0₃ + 2HCl = 2NaCl + Н₂0 + C0₂↑

Бұл реакцияның молекулалық теңдеуі.

Реакцияның толық иондық теңдеуін жазсақ: 2Na⁺ + С0₃^2- + 2Н⁺ + 2C1^- = 2Na⁺ + 2Сl^- + Н₂0 + С0₂↑

Реакциялардың иондык теңдеулерін жазғанда зат молекуласындағы атом саны коэффициент ретінде ионның алдына қойылады.

Енді қыскартылған иондық теңдеуін жазамыз, ол үшін өзгермеген, яғни тендеудің екі жағындағы бірдей иондарды алып тастап, қалғанын жазамыз.

С032- + 2Н+ = Н20 + С02↑

Реакция газ бөле жүреді.

Мыс сульфатының ерітіндісіне натрий гидроксидінің ерітіндіін құйғанда жүретін реакция:

CuS0₄ + 2NaOH = Cu(OH)2↓ + Na₂S0₄

Cu²⁺ + S0₄^2- + 2Na⁺ + 20H^- = Cu(OH)₂↓ + 2Na⁺ + S0₄^2-

Cu2+ + 2OH-= Cu(OH)2↓

Бұл реакцияда көгілдір тұнба пайда болды.

Натрий гидроксидінің тұз қышқылымен бейтараптану реакциясын қарастырсақ:

NaOH+HCl = NaCl + Н₂0

Na⁺ + OH^- + Н⁺ + CI^- = Na⁺ + CI^- + H₂0

Реакцияның жүретіндігіне көз жеткізу үшін натрий гидроксидінің ерітіндісіне индикатор - фенолфталеин тамызғанда ол таңқурай түсіне боялады. Енді осы ерітіндіге тұз қышқылының ерітіндісін біртіндеп қоссақ, түсі жойылады.

Бұл өзгеріс реакция жүргендігінің белгісі болады, нәтижесінде әлсіз электролит су тузіледі. Бұл тәжірибеден шығарылған корытынды:

Н+ + OH- = НОН

Ac тұзының ерітіндісіне калий нитратының ерітіндісін қосқанда: реакция жүруінің белгісі байқалмайды.

NaCl + KN0₃ ↔ NaN0₃ + KCl

Na⁺ + CI^- + К⁺ + N0₃^- ↔ Na⁺ + N0₃^- + K⁺ + Cl^-

Реакция нәтижесінде өзгеріске ұшыраған иондар болмайды, сондықтан реакция аяғына дейін жүрмейді. Осындай реакциялар үшін теңдік орнына қайтымдылық белгісі ↔ қойылады.

Осы мысалдардан мынадай қорытынды шығады. Реакция аяғына дейін журу ушін мынадай шарттар орында- луы керек:

1. газдың бөлінуі;
2. тұнбаның пайда болуы;
3. әлсіз электролиттің түзілуі.

Осы қорытынды зат құрамындағы иондарды анықтағанда қолданылады. Заттың еритін, ерімейтінін 2-форзацтағы түрлі түсті кестеден қараңдар.

Иондардың түсі немесе химиялық қасиеттеріядегі ерекшеліктерше қарай бейорганикалық қосылыстарды сапалық анықтауға болады.

Катиондарға сапалық реакциялар

Катион	Реактив	Байқалатын реакция
H+	индикатор 1)лакмус 2) метилоранж Me (белсенді)	қызыл түске боялады қызарады 2Н+ + Me (белсенді) Н2↑ + Ме2+
Na+	жалында	сары түске боялады
К+	жалында	күлгін түске боялады
Ag+	хлоридтер бромидтер иодидтер	Ag+ + CI- = AgCl↓ ақ тұнба Ag+ + Br- = AgBr↓ сары тұнба Ag+ +I- = AgI↓ сары тұнба
NH4+	сілті, қыздыру	NH4+ + OH- = NH3+↑ + H2 аммиак бөлінеді
Ва2+	сульфат иондары бар қосылыстар	Ва2+ + SO2 = BaS04↓ ақ тұнба
Cu2+	гидроксид-ион	Cu2++ 20Н- = Сu(ОН)2↓ көк түсті тұнба
Аl3+	гидроксид-ион	Аl3+ + ЗОН- = Аl(ОН)3↓ ақ тұнба сілтінің артық мөлшерінде ериді
Ғе2+	гидроксид-ион K3[Fe(CN)6] сары қан тұзы	Fe2+ + 20Н- = Ғе(ОН)3↓ жасыл түсті тұнба ЗҒе2+ + 2K3[Fe(CN)6] = Fe3[Fe(CN)6]2↓+ 6К+ көк түсті тұнба (турунбул)
Ғе3+	гидроксид-ион K4[Fe(CN)6 қызыл қан тұзы родания-көк	Ғе3++ ЗОН = Ғе(ОН)3↓ қызыл қоңыр түсті тұнба 4Fe3 + 3K4[Fe(CN)6] = Fe4[Fe(CN)e] +12К+ берлин көгі Ғе3+ + CNS- = FeCNS қызыл қан түсті ерітінді

Аниондарға сапалық реакциялар

Анион	Реактив	Байқалатын реакция
SO42-	Барийдің ерігіш тұздары	S042- + Ва2+ = BaS04↓ қышқылда ерімейтін, ақ тұнбаның түзілуі
N03-	H2SO4 конц, FeSO4	Fe(N0)S04 - сақинасының түзілуі темір (II) нитрозосульфаты. Бояуы: күлгіннен қоңырға дейін
Р043-	AgN03	3Ag+ + P043- → Ag3P04↓ бейтарап ортада ашықсары түнбаның түсуі
CrO42- Cr2O72-	Барийдің ерігіш тұздары: ВаСl2, Ba(N03)2	Ва2++ Сr04 2- = ВаСr04↓ сары тұнбаның түсуі
S2-	Қорғасынның ерігіш тұздары Pb(N03)2	Pb2+ + S2-=PbS↓ қара тұнбаның түзілуі
CO32-	әкті барит суы: Са(ОН)2, Ва(ОН)2	Са2+ + С032- = СаС03↓ Ва2+ + С032- = ВаС03↓ ақ тұнбаның түзілуі
SO32-	Н+ ионы	2Н+ + S032- = Н20 + S02↑ S02 иісінің пайда болуы
С1- Вr- I-	AgN03	Ақ тұнба түзіледі: Ag+ + Сl-→ AgCl↓ Сары тұнба түзіледі: Ag+ + Br -→ AgBr↓ Сары тұнба түзіледі: Ag+ + I- → Agl↓
OH-	индикатор 1) фенолфталеин 2) универсалды индикатор қағазы	бояуы: таңкурай-қызыл бояуы: көк