Электролиттер. Электролиттік диссоциация. Диссоциация дәрежесі және константасы


Еріген және балқыған күйінде электр тогын өткізетін заттар электролиттер деп аталады. Оларға тұздар, қышқылдар, негіздер жатады. Электролиттердің электр тогын өткізуі – ерітіндідегі бөлшектердің зарядты болуынан. Электролит ерітінділерінің қасиеті С.Аррениустың (1887ж.) электролиттік ионизациялану теориясында көрсетілді:

Қышқыл, негіз, тұздар суда ерігенде олардың молекулалары оң және теріс зарядты иондарға ажырайды, яғни электролиттік диссоциацияланады – катиондар және аниондар түзеді.

1. Тұздардың, қышқылдардың, негіздердің сулы ерітіндісінің электр өткізгіштігі ерітіндідегі иондардың жалпы концентрациясына тура пропорционал.

Электролиттердің диссоциацияға түсу себебі – электролит судың полюсті молекулаларымен әрекеттесуінен болады. Сонда иондар ерітіндіге өткенде олар гидратацияланады: HCI + nH2O H+(H2O)x + CI-(H2O)n-x, сондықтан сутек иондары – протон-ерітіндіде бос жеке бола алмайды, судың полюсті молекулаларымен әрекеттесіп Н+2О), Н3О+ – гидроксоний-ионы пайда болады. Мұндағы жаңа ковалентті байланыс донорлы-акцепторлы механизм бойынша, яғни оттегінің бос электрон жұбы арқылы түзіледі. Сонда қышқыл диссоциацияланғанда оның молекуласы иондарға ажырайды және протоны су молекуласымен реакцияласады. Бірақ реакция теңдеулерінде жеңілдік үшін Н3О+ жазбай Н+ деп жазады. Сонымен, қышқылдар ерігенде сутек катионына және қышқыл қалдығы анионына, негіздер ерігенде металдардың катионына және су қалдығы анионына (гидроксид-ионына), тұздар ерігенде металдар катионы мен қышқыл қалдығы анионына диссоциацияланады.

Нағыз қышқылдар мен нағыз негіздерден басқа амфотерлі гидроксидтер болады, олар кейде сутегі ионын, кейде гидроксид ионын түзіп диссоциацияланады. Мысалы: Zn2+ + 2OH- Zn(OH)2 2H+ + ZnO2-2

Электролит суға еріп диссоциацияланғанда катиондар мен аниондар саны көбейіп, олар ерітінді ішінде кездесіп, бірін-бірі тартып қайта молекулаға бірігеді, олай болса, диссоциация қайтымды процесс (үрдіс). Еріген заттың

(і) береді: t/t = і, электролит емес ерітінділерде і = 1, электролит ерітінділерде і > 1, егер еріген зат толық екі ионға ыдыраса, і = 2, үш ионға ыдыраса, і = 3 болып кете береді. Сонымен, электролиттік диссоциация дәрежесін есепке алып, сұйытылған ерітінділердің заңдарын электролиттер ерітіндісіне де изотондық коэффициентті енгізу арқылы қолдануға болады (і – Вант-Гоффтың изотондық коэффициенті): α = i – 1/n – 1, n - әр молекуладан бөлінген иондар саны. Бұл формула арқылы изотондық коэффициент қаншасы диссоциацияланғандығын көрсететін шама диссоциация дәрежесі ( α) деп аталады, ол диссоциацияланған молекулалар санының (n) жалпы еріген молекулалар санына (n0) қатынасы арқылы көрсетіледі α = n/n0. Бұл қатынасты пайызбен не бірдің үлесімен көрсетуге болады. Мысалы, 30% не 0,30.

Диссоциция дәрежесіне байланысты электролиттер шартты түрде күшті және әлсіз болып бөлінеді. Диссоциация дәрежесі еріткіш табиғатына тәуелді, еріткіш полярлылығы жоғары болған сайын еріген заттың барлық жағдайлары бірдей болғанда, α-сы жоғары болады. Электролиттік диссоциация кезінде жылу бөлінетідіктен, не сіңірілетіндіктен α температураға да тәуелді. Температура әсерін Ле Шателье принципі бойынша анықтаса: егер электролиттік диссоциация эндотермиялық процесс болса, онда температураны көтергенде диссоциация дәрежесі өседі, ал температураны төмендетсе – азаяды.

Электролиттік диссоциация дәрежесіне ерітіндінің концентрациясы да күшті әсер етеді, сұйытылған сайын α мәні өседі. Себебі ерітіндіні сұйылтқанда иондардың арасы алшақтап, олардың кездесу мүмкіншіліктері кемиді, молекула түзілу процесі баяулайды. Жалпы диссоциациялану дәрежесін ерітіндінің электр өткізгіштігін өлшеу арқылы және тағы басқа әдістер арқылы табады.

Сондай әдістердің бірі – қату температурасының төмендеуі немесе қайнау температурасының көтерілуі арқылы есептеп шығару. Іс жүзінде табылған қату температурасының төмендеуі немесе қайнау температурасының көтерілуі t деп, формула бойынша есептелген t = kc болса, олардың қатынасы –изотондық коэффициент белгілі болса, α-ны есептеп шығуға болады.

Электролиттік диссоциация қайтымды процесс KA K+ + A- болғандықтан, әрекеттесуші массалар заңын қолданып, диссоциация константасын жазуға болады: K= [K+]×[A-]/[KA], квадрат жақшада компоненттердің молярлы концентрациясы көрсетіледі. KD тек электролит табиғаты мен температураға тәуелді, ал α электролит концентрациясына да тәуелді екені айтылған. KD мәні үлкен болған сайын, электролит күштірек болады. KD мен α арасында сандық байланыс бар, ол қатынас Освальдтың сұйылту заңы деп аталады: α = КD/CM, яғни бұл екі көрсеткіш те электролиттің күшін көрсетеді. Егер КА электролит ерітіндісінде оның диссоциация дәрежесі α болса, иондар концентрациясы бірдей және

αСм = [K+ ] = [A- ], сонда [K+ ] = [A- ] = КD × Cм,

қышқылдар диссоциациясымен байланысты есептеулерде көбінесе диссоциация константасының көрсеткіші – рК қолданылады: рК = − lgK. KD мәні өскен сайын, рК мәні азаяды, яғни рК үлкен болған сайын, қышқыл әлсізірек болады. КА қышқыл не сілті ретінде қараса, [Н+] = aСм не [ОН- ] = aСм , диссоциация константасы арқылы [Н+]=КD×Cм не [ОН-]=КD×Cм есептеледі.

1-мысал. Егер 0,1 М сірке қышқылының диссоциация дәрежесі

1,32×10-2 болса, оның диссоциация константасы және рК мәні қанша болады?

Шешуі: Освальд заңынан К = a2 См = (1,32×10-2 )2 × 0,1 = 1,77×10-5, одан

рК = - lg K = − lg1,77×10-5 = 5 − lg1,77 = 5 – 0,25 = 4,75.

2-мысал. Циан сутек қышқылының диссоциация константасы

7,9×10-10 болса, оның 0,001М ерітіндісінде диссоциация дәрежесі қанша?

Шешуі: Освальд заңынан a = К м = 7,9×10-10 /10-3 = 8,9×10-4 .

3-мысал. 0,1М хлорлылау қышқылындағы НОСІ (К =5×10-8) сутегі ионы концентрациясын есептеу керек.

Шешуі: a = К/См = 5×10-8/10-1 = 7×10-4 қышқылдың диссоциация дәрежесін есептеп, [Н+] = a∙См формуласына қойып, не [Н+]=К×См формуласына қойып анықтауға болады.

4-мысал. 125г суға 0,85г мырыш хлоридін еріткенде ерітінді -0,23°С температурада кристалданатын болса, диссоциация дәрежесі қанша болады?

Шешуі: Ерітіндідегі тұздың моляльды концентрациясы

m = 0,85×1000/136,3×125 = 0,05моль/кг, мұндағы 136,3г/моль – тұздың молярлық массасы. Енді электролит диссоциациясын есепке алмай, кристалдану температурасының төмендеуін анықтаса, tкрист.сан. = 1,86×0,05 = 0,093°С,

1,86 – судың криоскопиялық тұрақтысы.

Саналған және тәжірибе нәтижесінде анықталған кристалдану температураларын салыстырып, изотонды коэффициентті есептейді:

і = tкрист. /tкрист.сан. = 0,23/0,093 = 2,47. Енді тұздың диссоциация дәрежесін есептейді: a = (і − 1)/(k – 1) = (2,47−1)/(3−1) = 0,735.

5-мысал. 180г суда 5г натрий гидроксиді бар ерітіндінің 100°С температурадағы ерітінді үстіндегі қаныққан су буының қысымын есептеу керек. Натрий гидроксидінің диссоциация дәрежесі 0,8.

Шешуі: Изотонды коэффициентті анықтап і = 1 + a∙(k – 1) = 1 + 0,8(2 – 1) = 1,8; Ерітінді үстіндегі бу қысымының төмендеуін мына формуламен анықтайды: p = po×(in2 /n1 + in2); 100°С температурадағы су үстіндегі қаныққан су буының қысымы 101,33кПа (760 мм сын.бағ.). n1(су) = 180/18 = 10моль;

n2 (NaOH) = 5/40моль, бұдан p = 2,23кПа (не 16,7 мм сын. бағ.).

Сонда ерітінді үстіндегі қаныққан су буының қысымын анықтайды:

р = роp = 101,33 – 2,23 = 99,1кПа (не 743,3 мм сын. бағ.).

Өзін-өзі тексеруге арналған сұрақтар

1. Электролиттер деген не?

2. Электролиттердің диссоциация дәрежесі мен константаларына анықтама беріп, олардың өзара байланысын көрсетіңіздер.

3. Электролиттер мен бейэлектролиттер айырмашылығы?

4. Изотонды коэффициенттің мағынасын түсіндіріңіздер.

5. С. Аррениус ұсынған электролиттік диссоциация теориясы негізі.