Меню

Почему кристаллический хлорид натрия не проводит электрический ток а его раствор электропроводен

Почему растворы проводят электрический ток

Почему растворы проводят электрический ток Вопрос, почему растворы электролитов проводят электрический ток, волновал еще и Гальвани, и Фарадея, и многих других ученых. Вскоре после открытия вольтова столба В. Никольсон и А. Карлейль опубликовали результаты своих исследований (2 мая 1800 г. ). Они работали с вольтовым столбом, составленным из семнадцати серебряных монет, такого же количества цинковых пластинок и пропитанных соленой водой картонных кружков. К самой нижней серебряной монете был прикреплен медный проводник. Другой его конец погрузили в каплю воды, которая находилась на картонном кружке, лежащем на верхней цинковой пластинке. Результат был удивительный: около проводника выделился водород. Никольсон и Карлейль усовершенствовали аппаратуру, повторили свои опыты и получили тот же самый результат. Они установили, что под влиянием электрического тока на одном электроде из воды выделяется водород, а на другом — кислород. Только одно оставалось непонятным: почему водород и кислород выделяются в разных местах и притом на значительном расстоянии один от другого. Ведь было известно, что они входили в состав молекулы воды. Впервые ученые обратили внимание на химические изменения, которые происходят с водой под действием электрического тока. Было ясно, что вода разлагается. Но каков механизм этого процесса? — вопрос, который десятилетия подряд вопреки многочисленным усилиям не находил правильного ответа. Некоторые считали, что пока кислород выделяется на поверхности цинка (положительный электрод), водород незаметно проникает через жидкость к серебряному электроду (отрицательный электрод). Были и совсем фантастические представления. По мнению итальянца Брунателли, например, электрический ток отождествляется с особенной кислотой, называемой «электрической». Он писал: «Если электрическую кислоту заставить течь, она сама растворяет металлы по тому же принципу, что и вода растворяет соль, и при этом обладает свойством относить растворенные металлы на очень большое расстояние».

Первое удачное объяснение механизма протекания тока через электролиты принадлежит К. Гротгусу «Мои наблюдения над действием вольтова столба, — писал он, — натолкнули меня на мысль, что аналогичная полярность (в вольтовом столбе одна пластинка заряжается положительно, а другая — отрицательно) может иметь место и у молекул воды, если на них действует подобный электрический агент. И я должен признаться — для меня это был луч света». По мнению Гротгуса, компоненты воды — это частицы, несущие электрический заряд: кислород — отрицательный, а водород — положительный. По его теории, длинные цепи последовательно расположенных атомов кислорода и водорода простираются от одного электрода до другого. Крайние атомы этих цепей — на одном конце водород, а на другом кислород, разряжаются на электродах и выделяются в виде свободных газов. Теория Гротгуса выделялась наглядностью, логичностью и простотой. Вот почему она очень быстро приобрела известность и получила всеобщее признание.

Новый большой шаг вперед в объяснении механизма протекания электрического тока через электролиты сделал в первой четверти XIX века шведский химик Й. Берцелиус. Из того факта, что под действием электрического тока соли разлагаются на компоненты, которые выделяются на двух различных электродах, он делает вывод, что сложное вещество всегда состоит из двух частей — одна заряжена положительно, а другая — отрицательно. Берцелиус разделяет все «тела» на два класса — с положительным электрическим зарядом и с отрицательным. При химическом взаимодействии «тел» происходит нейтрализация противоположных зарядов. Так рождается электрохимическая теория Берцелиуса в учении о химической связи. Простота теории, а также большой авторитет ее создателя определяют ее широкое применение при объяснении химических процессов, несмотря на то, что данные экспериментов очень часто не согласуются с теоретическими постулатами.

В начале XIX века свой вклад в электрохимию вносит и Фарадей. По мнению Фарадея, электролиты — это вещества, которые в водном растворе распадаются на положительные и отрицательные ионы (катионы и анионы). Фарадей считал, что такой распад возможен только под влиянием электрического тока.

Усилия многих ученых были направлены на изучение электропроводимости растворов. Еще Вольта, исходя из свойства растворов проводить электрический ток, назвал их проводниками второго рода (проводниками первого рода называют металлы). Русский физик А. Савельев в 1853 г. установил существование зависимости электропроводимости раствора от температуры и концентрации электролита. Он определил, что, в отличие от металлов, в растворах электролитов с повышением температуры растет электропроводимость. Немецкий химик и физик В. Гитторф всесторонне исследовал движение ионов в растворах электролитов. Гитторф экспериментально доказал, что при протекании электрического тока в растворах электролитов катионы движутся к катоду, а анионы к аноду. Он установил, что ионы перемещаются с разными скоростями. Впервые в его работах была высказана мысль, что «появление ионов не есть результат действия электрического тока» и что «ионы электролита слабо соединены в молекулах». Идеи Гитторфа были очень смелыми и не поддерживали общепринятых в то время представлений, ведь даже такие выдающиеся ученые как Дэви, Де ла Гив, Фарадей считали, что разложение электролита на ионы происходит только под действием электрического тока.

В 1857 г. в сочинении «О прохождении электричества через электролиты» Р. Клаузиус рассматривает эту проблему по-новому. По мнению Клаузиуса, при тепловом движении между молекулами происходят столкновения, в результате которых молекулы распадаются на ионы, эти ионы в течение некоторого времени существуют самостоятельно, а затем вновь соединяются в молекулы. С увеличением температуры повышается скорость движения молекул, увеличивается число столкновений, количество ионов повышается, а следовательно увеличивается электропроводимость раствора. Теорию Клаузиуса ученые признали быстро, но существовали расхождения с экспериментальным результатами. Она не могла разъяснить, почему легче всего распадаются на ионы молекулы тех соединений, которые, как тогда считалось, состоят из элементов с наибольшим сродством друг к другу. Ведь при соединении этих элементов в вещества выделяется наибольшее количество теплоты и связи должны быть самыми прочными. Поскольку на этот вопрос теория Клаузиуса не могла дать ответа, очень скоро она была забыта. Для интерпретации результатов своих экспериментов электрохимики все еще предпочитали использовать теорию Гротгуса.

Исследования криоскопических, эбулиоскопических и осмотических явлений дали химикам много ценной информации. Однако в ряде случаев получались странные результаты, которые не укладывались ни в какие теории. Получалось, например, что в разбавленных растворах поваренной соли число «молекул» вдвое больше, чем вычисленное по формуле NaCl, в растворах CaCl2 — втрое больше и т. д. Можно было бы предположить, что указанные вещества при растворении в воде распадаются на несколько частей — как говорят химики, претерпевают диссоциацию (от лат. dissociation — «разъединение», «разделение»). Такие явления тогда были известны: в частности, при нагревании хлорида аммония он возгоняется с одновременной диссоциацией на две молекулы: NH4Cl → NH3 + HCl. Но распад при нагревании объяснить намного проще: энергия, необходимая для диссоциации, черпается за счет тепловой энергии. А вот откуда берется энергия, когда соль растворяется в воде при комнатной температуре, никто объяснить не мог. Температура раствора часто почти не меняется. Более того, при растворении некоторых солей в воде раствор сильно нагревается.

В 1887 г. Аррениус, исследуя электропроводность водных растворов, в своей работе «О диссоциации растворенных в воде веществ», высказал предположение, что некоторые вещества в растворах находятся в виде заряженных частиц — ионов, независимо от того, пропускается через раствор электрический ток или нет. Эта гипотеза объясняла, с одной стороны, почему растворы определенных веществ (электролитов) проводят ток, с другой — увеличение количества частиц в растворе. Измерения показали также, что полный распад на ионы происходит только в очень разбавленных растворах. В более концентрированных электролиты вели себя так, как будто они распадаются на ионы только частично. Однако большинство ученых идею о диссоциации в растворах не приняли. Ведь в конце XIX в. еще не было ясного понимания, чем ионы отличаются от нейтральных атомов. Казалось невероятным, что, например, хлорид натрия в воде может существовать в виде отдельных ионов натрия и хлора: как известно, натрий бурно реагирует с водой, а раствор хлора имеет желто-зеленый цвет и ядовит. Неудивительно, что Аррениус, изложивший свои взгляды в диссертации, получил на нее плохие отзывы. К числу самых непримиримых противников Аррениуса принадлежал Д. И. Менделеев, сформировавший «химическую» теорию растворов — в отличие от «физической» теории Аррениуса. Менделеев считал, что в растворах происходят, по сути, химические взаимодействия между растворенным веществом и растворителем, тогда как по теории Аррениуса водные растворы представляли собой механическую смесь ионов и воды. В 1889 г. Менделеев опубликовал в «Журнале Русского физико-химического общества» «Заметку о диссоциации растворенных веществ», в которой поставил под сомнение сам факт существования ионов в растворах электролитов. «Сохраняя все то, что приобретено в отношении к пониманию растворов, — писал он, — мне кажется, можно оставить в стороне гипотезу об особом виде диссоциации — на ионы, совершающейся с электролитами при образовании слабых растворов». Хотя Менделеев, критикуя теорию Аррениуса, во многом оказался не прав, в его рассуждениях все же была доля истины: растворенные вещества действительно часто взаимодействуют с растворителем. Спор между сторонниками и противниками Аррениуса длился не один год. И, как это часто бывает в науке, в ожесточенном споре между приверженцами физической и химической теории правы оказались обе стороны. Очень сильное химическое взаимодействие между ионами и молекулами растворителя дает ту энергию, которая нужна для разрушения кристаллической решетки веществ-электролитов, например поваренной соли. В случае водных растворов эта энергия называется энергией гидратации, и эта энергия может иметь колоссальные значения. Так, энергия гидратации ионов Cl- равна 352 кДж/моль, ионов Na+ — 423 кДж/моль, ионов Н+ — 1109 кДж/моль, ионов Ca2+ — 1615 кДж/моль. Для сравнения: чтобы разорвать связь между атомами в молекуле хлора, требуется всего 242 кДж/моль. Чтобы разъединить катионы и анионы в кристаллах электролитов, тоже требуется затратить немало энергии (она называется энергией кристаллической решетки) — 788 кДж/моль для NaCl, 1044 кДж/моль для LiF, 2240 кДж/моль для CaCl2 и т. д. Если суммарная энергия гидратации катионов и анионов при образовании раствора больше энергии кристаллической решетки, то растворение будет сопровождаться нагреванием, а если меньше — охлаждением раствора. Именно поэтому при растворении в воде таких веществ, как LiCl, безводный CaCl2, и многих других раствор нагревается, а при растворении NH4NO3, KNO3, KCl, и некоторых других — охлаждается. Охлаждение может быть таким сильным, что стакан, в котором готовят раствор, снаружи покрывается росой или даже примерзает к мокрому столу.

Читайте также:  Зарядка электромобиля постоянным током

Большая часть электролитов — соли, т. е. кристаллические вещества. В узлах этих кристаллических решеток располагаются положительные и отрицательные ионы (значит, молекула уже диссоциирована), и эти ионы совершают колебательные движения около положения равновесия. Примером такого соединения является хлорид натрия NaCl. Процесс растворения начинается при соприкосновении молекул воды с поверхностью кристалла, т. е. на границе раздела твердого тела (NaCl) и жидкости (H2O). Молекулы H2O приближаются к ионам Na+ и Cl-, расположенным в узлах поверхностного слоя кристаллической решетки, при этом они ориентируются атомом кислорода к иону натрия, а одним из атомов водорода к ионам хлора, происходит взаимодействие ионов Na+ и Cl- с молекулами воды, ионы отрываются от кристалла (решетка разрушается), переходят в жидкость (в воду); с этого момента жидкость состоит уже не только из молекул H2O, но и ионов Na+ и Cl- — так образуется водный раствор хлорида натрия. Процесс растворения закончится, когда молекулы воды полностью разрушат решетку кристалла. Когда ион отрывается от поверхности кристалла, его немедленно окружают молекулы воды, ион гидратируется, причем молекулы воды, которые ближе всех к иону, ведут себя иначе, чем те, что находятся в отдалении. Ведь ионы обладают электрическим зарядом, и молекулы воды, попадая в электрическое поле заряженного иона, испытывают воздействие с его стороны. Для разных ионов число таких молекул воды будет разным, оно зависит от размера иона и его заряда. Эти молекулы воды образуют гидратную оболочку иона в растворе.

Как ток проходит через раствор? Ведь электрический ток представляет собой целенаправленное движение электронов по замкнутому контуру, а в растворе нет свободных электронов. Электроны проходят только по внешней, металлической, цепи. В растворе есть другие носители электрических зарядов — это ионы. Попробуем объяснить их поведение с помощью представлений теории сильных электролитов, известной под названием теории Дебая и Хюккеля. В растворе каждый положительный ион кроме гидратной оболочки окружен еще несколькими отрицательными ионами с такой же оболочкой и, наоборот, у каждого отрицательного иона есть оболочка из положительных ионов. При включении источника постоянного напряжения, раствор «оживает»: катион направляется к катоду, но его продвижение затруднено, потому что анионы вместе со своими гидратными оболочками движутся в противоположном направлении и тормозят перемещение положительно заряженного иона. Точно так же направленному движению анионов к аноду мешают гидратированные катионы. Перемещение ионов в концентрированных растворах происходит очень трудно: при своем движении они встречают большое сопротивление со стороны ионов с зарядом противоположного знака. По этой причине в концентрированных растворах электропроводимость раствора будет меньше по сравнению с разбавленными растворами, где ионы движутся свободнее. Итак, хотя ионов в концентрированных растворах много, в действительности не все они активно участвуют в получении электрического тока. При столкновениях часть ионов соединяется в молекулы, которые через некоторое время опять распадаются, т. е. эффективная, активная концентрация электролита будет меньше истинной концентрации соли в воде. Таким образом, число ионов, способных переносить электричество, всегда меньше числа ионов реально присутствующих в растворе и соответствующих данной концентрации электролита. В этом случае принято говорить не о концентрации ионов электролита в воде, а об их активности. Понятие активности ионов ввели в теорию растворов П. Дебай и В. Хюккель.

Не подумайте, что сильные электролиты — только соли, при растворении которых все молекулы диссоциируют на ионы. Диссоциация характерна и для веществ, с полярными молекулами. Когда вещество состоящей из полярных молекул попадает в воду, процесс протекает примерно также как с кристаллической решеткой соли, молекулы воды располагаются у противоположных полюсов диполей молекулярной кристаллической решетки, молекулы вещества деформируются, расстояние между их противоположно заряженными полюсами увеличивается, в результате химическая связь между отдельными частями молекулы ослабевает. Если воздействие молекул воды на такую дипольную молекулу значительное, то она распадается на положительно и отрицательно заряженные ионы, т. е. раствор становится электропроводящим — в нем появляются носители тока. Например, обладающие дипольным моментом молекулы неорганических кислот сами по себе не могут проводить электрический ток. Но при растворении такой «абсолютно сухой» кислоты в воде, молекулы H2O способствуют диссоциации молекул H2SO4, HCl, HNO3 и других на положительно заряженные ионы Н+ и отрицательно заряженные анионы SO42-, Cl-, NO3-. Но полная диссоциация дипольных молекул характерна только для сильных электролитов и в разбавленных растворах. У более слабых полярных молекул имеет место неполная диссоциация.

А если растворителем будет другая жидкость? Например, газ хлороводород растворяется в воде и образуется сильная соляная кислота. В спирте, однако, хлороводород почти не диссоциирует. В чем разница? Что определяет свойства воды как растворителя электролитов? Прежде всего, это полярный характер молекул воды. Кроме того, у воды большая диэлектрическая постоянная ε. ε — это характерная для данной среды величина, которая показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух единичных зарядов на расстоянии, равном единице, в данной среде меньше такой же силы в вакууме. Она фигурирует в законе Кулона. Другими словами, чем больше значение ε, тем слабее взаимодействие между двумя разноименными зарядами, попавшими в данную среду. Но ведь в кристаллических решетках ионы соединяются между собой именно под действием электростатических сил. В каждой среде с большой диэлектрической константой силы притяжения между ионами невелики и электролитическая диссоциация будет происходить легче. Существуют и другие растворители, которые способствуют электролитической диссоциации. Полярные молекулы этих растворителей должны иметь большие диэлектрические постоянные. Поэтому электролитическая диссоциация происходит и в среде жидкого аммиака, и в жидком диоксиде серы, и в сильных неорганических кислотах. Главное — во взаимодействии между растворенным веществом и растворителем. Растворение и электролитическая диссоциация по существу представляют собой не физический процесс (как, например, механический процесс дробления), а сложное физико-химическое взаимодействие. Итак, электрический ток переносят в растворах электролитов ионы. При этом электрическая энергия превращается в энергию химического процесса.

Источник

Опыты по химии. Электролиты и неэлектролиты

Зависимость электропроводности растворов от концентрации

Электропроводность веществ можно испытать с помощью прибора. Между электродами прибора – напряжение 36 вольт. Когда электроды помещают в вещество, становится ясно, проводит ли это вещество ток. Если вещество проводит электрический ток, цепь замыкается, и лампочка загорается. Если вещество неэлектропроводно, цепь остается разомкнутой, и лампочка не горит. Чем ярче горит лампочка, тем выше электропроводность вещества. Проверим, проводит ли электрический ток концентрированная уксусная кислота. Лампочка не загорается, электропроводность раствора ‑ низкая. Уксусная кислота ‑ слабый электролит. Разбавляем кислоту водой – спираль лампочки начинает накаляться. Разбавление приводит к образованию большего числа токопроводящих частиц ‑ ионов и увеличению проводимости раствора.

Читайте также:  Коэффициент усиления каскада по току отношение

СH3COOН СH3COO — + Н +

Оборудование: Установка для испытаний веществ на электропроводность (выпрямитель, электроды, лампа накаливания), химические стаканы.

Техника безопасности. Необходимо соблюдать правила работы с кислотами и

правила обращения с электроприборами. Опыт проводить с напряжением не более 42 В.

Постановка опыта – Елена Махиненко, текст – к.п.н. Павел Беспалов.

Изменение диссоциации электролитов при различных температурах

Электропроводность веществ можно испытать с помощью прибора. Между электродами прибора – напряжение 36 вольт. Когда электроды помещают в вещество, становится ясно, проводит ли это вещество ток. Если вещество проводит электрический ток, цепь замыкается, и лампочка загорается. Если вещество неэлектропроводно, цепь остается разомкнутой, и лампочка не горит. Чем ярче горит лампочка, тем выше электропроводность вещества.Уксусная кислота – слабый электролит. Это означает, что она лишь частично диссоциирует в растворе и плохо проводит ток. Зависит ли диссоциация, а значит и проводимость электролита от температуры? Раствор при комнатной температуре слабо проводит электрический ток: спираль лампочки не накалена.Горячая уксусная кислота лучше проводит ток – лампочка загорается. Значит, с увеличением температуры в растворе становится больше ионов, диссоциация увеличивается.

СН3СООН СН3СОО — + Н +

Оборудование: Установка для испытаний веществ на электропроводность (выпрямитель, электроды, лампа накаливания), химические стаканы, термометр.

Техника безопасности. Необходимо соблюдать правила работы с кислотами и

правила обращения с электроприборами. Опыт проводить с напряжением не более 42 В.

Постановка опыта – Елена Махиненко, текст – к.п.н. Павел Беспалов.

Испытание веществ на электрическую проводимость

Электропроводность веществ можно испытать с помощью прибора. Между электродами прибора – напряжение 36 вольт. Когда электроды помещают в вещество, становится ясно, проводит ли это вещество ток. Если вещество проводит электрический ток, цепь замыкается, и лампочка загорается. Если вещество неэлектропроводно, цепь остается разомкнутой, и лампочка не горит.

Испытание твердых веществ. Насыпаем сахар в чашку Петри и подносим к электродам. Лампочка не горит, значит сахар (органическое вещество) не проводит электрический ток. Щелочь ‑ твердый гидроксид натрия (NaOH), тоже не проводит ток. Возьмем поваренную соль — кристаллический хлорид натрия (NaCl). Лампочка не горит. Все испытанные твердые вещества не проводят электрический ток.

Электропроводны ли растворы этих веществ?

Испытание жидкостей. Раствор гидроксида натрия электропроводен: лампочка загорается. Лампочка горит и при испытании раствора поваренной соли. Электропроводен также раствор соляной кислоты (HCl). Все испытанные растворы оказались электролитами. ( Жидкости, проводящие электрический ток, называются электролитами. Электропроводность электролитов обеспечивают ионы .) Проверим, является ли электролитом дистиллированная вода. Лампочка не горит. Ионов в дистиллированной воде совсем немного, поэтому электропроводность воды низкая. Дистиллированная вода – очень слабый электролит. В растворе сахара нет подвижных заряженных частиц. Ток в цепи не идет. Раствор сахара – не электролит. Спирт, как и раствор сахара, не является электролитом.

Оборудование: установка для испытаний веществ на электропроводность (выпрямитель, электроды, лампа накаливания), чашки Петри, стаканы.

Техника безопасности.

Следует соблюдать правила работы с кислотами и щелочами, правила работы с электроприборами. Опыт проводить с напряжением не более 42 В.

Постановка опыта – Елена Махиненко, текст – к.п.н. Павел Беспалов.

Отличие ионов водорода от молекул водорода

Отличаются ли по химическим свойствам ионы водорода от молекул водорода? Приготовим раствор лакмуса. В одну из колб добавим соляной кислоты (HCl). Соляная кислота содержит ионы водорода. Фиолетовый раствор лакмуса под действием ионов водорода становится красным. А молекулы водорода повлияют ли на окраску лакмуса? Опустим в колбу с лакмусом газоотводную трубку: пусть молекулы водорода попадут в колбу из пробирки, где происходит реакция кислоты с цинком. Окраска лакмуса не меняется. Значит, ионы водорода H + и молекулы водорода H2 – не одно и то же, их свойства различны.

HC1 → H + + C1 —

Zn + 2HC1 = ZnC12 + H2

Оборудование: колбы, пипетка, пробирка, газоотводная трубка.

Техника безопасности. Следует соблюдать правила работы с кислотами.

Постановка опыта – Елена Махиненко, текст – к.п.н. Павел Беспалов.

Электропроводность расплава

Электропроводность веществ можно испытать с помощью прибора. Между электродами прибора – напряжение 36 вольт. Когда электроды помещают в вещество, становится ясно, проводит ли это вещество ток. Если вещество проводит электрический ток, цепь замыкается, и лампочка загорается. Если вещество неэлектропроводно, цепь остается разомкнутой, и лампочка не горит. Проводит ли ток расплав гидроксида натрия (NaOH)? Твердую щелочь нагреем до плавления. Поднесем расплав к электродам. Лампочка загорается. Значит, расплав щелочи проводит электрический ток.

Токопроводящий расплав – это электролит. (Жидкости, проводящие электрический ток, называются электролитами. Электропроводность электролитов обеспечивают ионы.) При плавлении щелочи ионы освобождаются и становятся подвижными. Расплав щелочи проводит электрический ток.

NaOH → Na + + OH —

Оборудование: установка для испытаний веществ на электропроводность (выпрямитель, электроды, лампа накаливания), спиртовка, фарфоровая чашка, держатель.

Техника безопасности.

Требуется особая осторожность при работе с расплавленной щелочью. Работать только в защитных очках или с применением защитного экрана. Соблюдать правила обращения с нагревательными приборами и электроприборами. Опыт проводить с напряжением не более 42 В.

Постановка опыта – Елена Махиненко, текст – к.п.н. Павел Беспалов.

Источник



Почему раствор сахара не проводит электрический ток, а раствор хлорида натрия проводит

Электрический ток представляет собой направленное перемещение в замкнутой электрической цепи заряженных частиц. Заряженные частицы движутся под действием электродвижущей силы к полюсу, знак которого противоположен знаку их заряда. Почему электрический ток раствор сахара не проводит, а раствор хлорида натрия проводит, рассказывается в статье.

Что необходимо для существования электрического тока

Перед тем как рассмотреть вопрос о том, почему электрический ток раствор сахара не проводит, а раствор хлорида натрия проводит, рассмотрим условия, при которых этот ток может существовать.

Во-первых, главным условием возникновения электрического тока является наличие так называемой электродвижущей силы. Эта сила, воздействуя на заряженные частицы, приводит к их направленному движению в замкнутой цепи. В качестве источника электродвижущей силы может выступать электрическая батарея, генератор и некоторые другие приборы.

Во-вторых, для существования в замкнутой цепи тока необходимо наличие заряженных и свободных частиц, то есть таких, которые под действием электрического поля могли бы направленно перемещаться к положительному или отрицательному полюсам источника тока.

Например, в металлических материалах присутствует большое количество свободных валентных электронов, которые являются носителями электрического заряда. Твердые вещества, которые проводят электрический ток, носят название проводников.

В случае растворов в качестве носителей заряда могут выступать заряженные группы атомов (катионы и анионы). Проводящие электрический ток растворы называют электролитами.

Электропроводность воды

Вода представляет собой с химической точки зрения соединение H2O. Молекула воды является электрически нейтральной, поэтому участвовать в переносе электрического заряда не может, иными словами чистая вода — это плохой проводник электрического тока, однако сама молекула является электрически полярной, поскольку большая плотность электронов сосредоточена в области атома кислорода.

Для воды электрическая проводимость повышается за счет присутствия в ней различных ионов. Так, даже чистая дистиллированная вода обладает некоторой проводимостью из-за растворения в ней углекислого газа с образованием свободных протонов H + и отрицательно заряженных гидрокарбонатных групп (HCO3) — . За счет этого процесса электропроводность воды дистиллированной равна 5,5*10 -6 См/м. Чтобы понять значимость приведенной цифры, отметим, что электропроводность меди при 20 °C составляет 5,96*10 7 См/м, что больше электропроводности чистой воды на 13 порядков!

Что такое сахар

Кубики сахара

С точки зрения химии сахар представляет собой дисахарид, формула которого — C12H22O11. Сахар состоит из молекулы сахарозы и молекулы фруктозы. Молекула сахара образуется за счет прочных ковалентных связей между атомами углерода, кислорода и водорода, что является важным моментом для понимания, почему не проводит электрический ток раствор сахара.

Говоря о физических свойствах сахара, следует отметить, что он обладает высокой растворимостью в воде. Так, при 20 °C в 100 г воды можно растворить 203,9 г сахара. При увеличении температуры воды этот показатель также растет, достигая значения 478,2 г при 100 °C. Водный раствор сахара называется сиропом.

Читайте также:  Электрическая схема электрический ток виды токов

Что такое хлорид натрия

Кристаллическая решетка NaCl

Хлорид натрия или столовая соль представляет собой вещество, химическая формула которого — NaCl. В природе хлорид натрия присутствует в форме минерала галита. В твердом состоянии NaCl представляет собой ионный кристалл, образованный анионами Cl — и катионами Na + , которые находятся в узлах кристаллической решетки. Каждый ион в решетке окружен шестью ионами, имеющими противоположный знак и расположенными в вершинах октаэдра.

У хлорида натрия кристаллическая решетка является сложной. Ее можно представить как две гранецентрированные кубические решетки (одна образована катионами Na + , а другая анионами Cl — ), вставленные друг в друга.

Для понимания ответа на вопрос о том, почему раствор сахара электрический ток не проводит, а раствор хлорида натрия проводит, также важно знать, что поваренная соль отлично растворяется в воде.

Что происходит при растворении в воде сахара и хлорида натрия

Сахарный сироп

Зная необходимые условия для возникновения электрического тока, а также химический состав и кристаллическую структуру сахара и хлорида натрия, перейдем непосредственно к ответу на вопрос о том, почему раствор хлорида натрия проводит, а раствор сахара не проводит электрический ток.

Сначала рассмотрим, что происходит с кристаллом NaCl в воде. Полярность молекул H2O приводит к тому, что они окружают катионы и анионы кристалла NaCl и просто «разбирают» его на части. Растворяясь в воде, хлорид натрия переходит в свободные ионы Na + и Cl — , которые способны участвовать в образовании электрического тока. В зависимости от концентрации растворенной соли, проводимость воды повышается на несколько порядков.

Растворение NaCl в воде

Почему раствор сахарного песка электрического тока не проводит? Все просто, полярные молекулы воды также разрушают связи между молекулами дисахарида в кристалле (эти связи имеют ван-дер-ваальсовую природу), в результате в растворе оказываются окруженные водой молекулы C12H22O11, которые являются электрически нейтральными, то есть они не способны участвовать в поддержании электрического тока в этом растворе.

Источник

Почему кристаллический хлорид натрия не проводит электрический ток а его раствор электропроводен

Данный урок посвящен изучению темы «Электролитическая диссоциация». В процессе изучения этой темы Вы поймете суть некоторых удивительных фактов: почему растворы кислот, солей и щелочей проводят электрический ток; почему температура кипения раствора электролита выше по сравнению с раствором неэлектролита.

I. Понятие электролитическая диссоциация

В 1887 году швед­ский фи­зи­ко — химик Сван­те Ар­ре­ни­ус, ис­сле­дуя элек­тро­про­вод­ность вод­ных рас­тво­ров, вы­ска­зал пред­по­ло­же­ние, что в таких рас­тво­рах ве­ще­ства рас­па­да­ют­ся на за­ря­жен­ные ча­сти­цы – ионы, ко­то­рые могут пе­ре­дви­гать­ся к элек­тро­дам – от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­но­му ка­то­ду и по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­но­му аноду.

Это и есть при­чи­на элек­три­че­ско­го тока в рас­тво­рах. Дан­ный про­цесс по­лу­чил на­зва­ние элек­тро­ли­ти­че­ской дис­со­ци­а­ции (до­слов­ный пе­ре­вод – рас­щеп­ле­ние, раз­ло­же­ние под дей­стви­ем элек­три­че­ства). Такое на­зва­ние также пред­по­ла­га­ет, что дис­со­ци­а­ция про­ис­хо­дит под дей­стви­ем элек­три­че­ско­го тока. Даль­ней­шие ис­сле­до­ва­ния по­ка­за­ли, что это не так: ионы яв­ля­ют­ся толь­копе­ре­нос­чи­ка­ми за­ря­дов в рас­тво­ре и су­ще­ству­ют в нем неза­ви­си­мо от того, про­хо­дит черезрас­твор ток или нет. При ак­тив­ном уча­стии Сван­те Ар­ре­ни­у­са была сфор­му­ли­ро­ва­на тео­рия элек­тро­ли­ти­че­ской дис­со­ци­а­ции, ко­то­рою часто на­зы­ва­ют в честь этого уче­но­го. Ос­нов­ная идея дан­ной тео­рии за­клю­ча­ет­ся в том, что элек­тро­ли­ты под дей­стви­ем рас­тво­ри­те­ля са­мо­про­из­воль­но рас­па­да­ют­ся на ионы. И имен­но эти ионы яв­ля­ют­ся но­си­те­ля­ми за­ря­да и от­ве­ча­ют за элек­тро­про­вод­ность рас­тво­ра.

Элек­три­че­ский ток — это на­прав­лен­ное дви­же­ние сво­бод­ных за­ря­жен­ных ча­стиц. Вы уже зна­е­те, что рас­тво­ры и рас­пла­вы солей и ще­ло­чей элек­тро­про­вод­ны, так как со­сто­ят не из ней­траль­ных мо­ле­кул, а из за­ря­жен­ных ча­стиц – ионов. При рас­плав­ле­нии или рас­тво­ре­нии ионы ста­но­вят­ся сво­бод­ны­ми пе­ре­нос­чи­ка­ми элек­три­че­ско­го за­ря­да.

Про­цесс рас­па­да ве­ще­ства на сво­бод­ные ионы при его рас­тво­ре­нии или рас­плав­ле­нии на­зы­ва­ют элек­тро­ли­ти­че­ской дис­со­ци­а­ци­ей.

Рис. 1. Схема рас­па­да на ионы хло­ри­да на­трия

Пронаблюдайте за следующим экспериментом: “Изучение электрической проводимости веществ”

II. Сущность процесса электролитической диссоциации. Теория ЭД

Для объяснения особенностей водных растворов электролитов шведским ученым С. Аррениусом в 1887 г. была предложена теория электролитической диссоциации. В дальнейшем она была развита многими учеными на основе учения о строении атомов и химической связи.

Современные положения теории электролитической диссоциации

1. Электролиты при растворении в воде или расплавлении распадаются (диссоциируют) на ионы – положительно (катионы) и отрицательно (анионы) заряженные частицы.

Ионы находятся в более устойчивых электронных состояниях, чем атомы. Они могут состоять из одного атома — это простые ионы (Na + , Mg 2+ , Аl 3+ и т.д.) или из нескольких атомов — это сложные ионы (NО3 — , SO 2- 4, РО З- 4 и т.д.).

2. В растворах и расплавах электролиты проводят электрический ток.

Под действием электрического тока ионы приобретают направленное движение: положительно заряженные ионы движутся к катоду, отрицатель­но заряженные — к аноду. Поэтому первые называются катионами, вторые — анионами. Направленное движение ионов происходит в результате притяжения их противоположно заряженными электродами.

Электролиты – это вещества, водные растворы или расплавы которых проводят электрический ток

Неэлектролиты – это вещества, водные растворы или расплавы которых не проводят электрический ток

Вещества с ионной химической связью или ковалентной сильнополярной химической связью – кислоты, соли, основания

Вещества с ковалентной неполярной химической связью или ковалентной слабополярной химической связью

В растворах и расплавах образуются ионы

В растворах и расплавах не образуются ионы

3. Диссоциация — обратимый процесс: параллельно с распадом молекул на ионы (диссоциация) протекает процесс соединения ионов (ассоциация).

Поэтому в уравнениях электролитической диссоциации вместо знака равенства ставят знак обратимости. Например, уравнение диссоциации молекулы электролита КA на катион К + и анион А — в общем виде записывается так: КА ↔ K + + A

III. Процесс растворения электролитов в воде

В целом молекула воды не заряжена. Но внутри молекулы Н2О атомы водорода и кислорода располагаются так, что положительные и отрицательные заряды находятся в противоположных концах молекулы (рис. 1). Поэтому молекула воды представляет собой диполь.

Рис. 1. Молекула воды полярна и представляет собой диполь

Рис. 1. Молекула воды полярна и представляет собой диполь

Растворение в воде веществ с ионной химической связью

(на примере хлорида натрия – поваренной соли)

Механизм электролитической диссоциации NaCl при растворении поваренной соли в воде (рис. 2) состоит в последовательном отщеплении ионов натрия и хлора полярными молекулами воды. Вслед за переходом ионов Na + и Сl – из кристалла в раствор происходит образование гидратов этих ионов.

Рис. 2. Механизм растворения хлорида натрия в воде:
а – ориентация молекул воды на поверхности кристалла NaCl и отрыв иона Na + ;
б – гидратация (окружение молекулами воды) ионов Na + и Сl –

Растворение в воде веществ с ковалентной сильнополярной химической связью

(на примере соляной кислоты)

При растворении в воде соляной кислоты (в молекулах HCl cвязь между атомами ковалентная сильнополярная) происходит изменение характера химической связи. Под влиянием полярных молекул воды ковалентная полярная связь превращается в ионную. Образовавшиеся ионы остаются связанными с молекулами воды – гидратированными. Если растворитель неводный, то ионы называют сольватированными (рис.3).

Рис. 3. Диссоциация молекул HCl на ионы в водном растворе

Основные положения:

Электролитическая диссоциация – это процесс распада электролита на ионы при растворении его в воде или расплавлении.

Электролиты – это вещества, которые при растворении в воде или в расплавленном состоянии распадаются на ионы.

Ионы – это атомы или группы атомов, обладающие положительным ( катионы ) или отрицательным ( анионы ) зарядом.

Ионы отличаются от атомов как по строению, так и по свойствам

Пример 1. Сравним свойства молекулярного водорода (состоит из двух нейтральных атомов водорода) со свойствами иона.

Пример 2. Сравним свойства атомарного и молекулярного хлора со свойствами иона.

+17Cl 0 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5

+17Cl — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6

Атомы хлора имеют незавершённый внешний уровень, поэтому они химически очень активны, принимают электроны и восстанавливаются.

Именно поэтому газообразный хлор ядовит, при вдыхании его наступает отравление организма.

Ионы хлора имеют завершённый внешний уровень, поэтому они химически неактивны, находятся в устойчивом электронном состоянии.

Ионы хлора входят в состав поваренной соли, употребление в пищу которой не вызывает отравления организма.

1. Ионы отличаются от атомов и молекул по строению и свойствам;

2. Общий и характерный признак ионов – наличие электрических зарядов;

3. Растворы и расплавы электролитов проводят электрический ток из-за наличия в них ионов.

IV. Тренажеры

ЦОРы

Памятка (электролиты и неэлектролиты)

Источник