Почему катионы называют катионами?

Они движутся к катоду — отрицательному электроду

Они заряжены отрицательно

Они движутся к аноду — положительному электроду

Они состоят из нескольких атомов

Для какого вещества в уравнении диссоциации ставят знак обратимости?

Сероводородная кислота

Какие утверждения соответствуют теории электролитической диссоциации?

Причина диссоциации — взаимодействие электролита с водой

Ионы в растворе окружены молекулами воды

Многоосновные кислоты диссоциируют ступенчато

Все электролиты диссоциируют одинаково полно

Теория электролитической диссоциации — 9 класс, химия: объяснение

Что нужно знать до

Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.

Электролитическая диссоциация

Коротко о главном

Теория электролитической диссоциации объясняет, почему растворы кислот, оснований и солей проводят ток: в воде эти вещества распадаются на заряженные частицы — ионы. Кислота даёт катионы водорода, основание — гидроксид-анионы, соль — катионы металла (или аммония) и анионы кислотного остатка.

\mathrm{H_nAcd \rightleftarrows nH^+ + Acd^{n-}}

Подробное объяснение

Почему дистиллированная вода почти не проводит ток, а солёная проводит? Значит, в солёной воде появляются частицы, которые переносят заряд. Это ионы. Всё, что известно о таких растворах, собрано в теорию электролитической диссоциации (сокращённо ТЭД).

Основные положения теории

Вещества делятся на электролиты и неэлектролиты. Электролиты проводят ток в растворе или расплаве (кислоты, щёлочи, соли), неэлектролиты — нет (сахар, спирт, кислород).
В растворе электролит распадается на ионы. Причина — гидратация: молекулы воды «растаскивают» вещество на части.
Ионы в растворе гидратированы — окружены оболочкой из молекул воды. Гидратированный ион по свойствам отличается от «голого»: например, безводный сульфат меди(II) белый, а его раствор голубой — цвет даёт ион меди, окружённый водой.
Электролиты диссоциируют по-разному. Сильные распадаются почти полностью (в уравнении — знак равенства или стрелка $\rightarrow$ ), слабые — частично (знак обратимости $\rightleftarrows$ ). Количественно это описывает степень диссоциации.

Какие бывают ионы

Ион — заряженная частица, которая получается, когда атом или группа атомов отдаёт или принимает электроны. Простые ионы состоят из одного атома ( $\mathrm{K^+}$ , $\mathrm{Br^-}$ , $\mathrm{Fe^{3+}}$ ), сложные — из нескольких ( $\mathrm{NO_3^-}$ , $\mathrm{PO_4^{3-}}$ , $\mathrm{NH_4^+}$ ).

Положительные ионы идут к катоду (минус источника тока) — это катионы: $\mathrm{H^+}$ , катионы металлов, $\mathrm{NH_4^+}$ . Отрицательные идут к аноду (плюсу) — это анионы: $\mathrm{OH^-}$ и анионы кислотных остатков.

Сосуд с раствором хлорида натрия и двумя электродами. Катионы Na⁺ движутся к отрицательному электроду (катоду), анионы Cl⁻ — к положительному (аноду); каждый ион окружён оболочкой из молекул воды. — Катионы идут к катоду, анионы — к аноду; в растворе ионы гидратированы.

Кислоты, основания и соли с точки зрения ТЭД

Кислоты диссоциируют на катионы водорода и анионы кислотного остатка: $\mathrm{HNO_3 \rightarrow H^+ + NO_3^-}$ . Сильные кислоты: $\mathrm{HCl}$ , $\mathrm{HBr}$ , $\mathrm{HI}$ , $\mathrm{HNO_3}$ , $\mathrm{H_2SO_4}$ . Слабые: $\mathrm{H_2S}$ , $\mathrm{HNO_2}$ , $\mathrm{H_2CO_3}$ , $\mathrm{H_2SO_3}$ , уксусная.
Основания — на катионы металла (или аммония) и гидроксид-анионы: $\mathrm{KOH \rightarrow K^+ + OH^-}$ . Щёлочи — сильные электролиты, гидрат аммиака — слабый: $\mathrm{NH_3 \cdot H_2O \rightleftarrows NH_4^+ + OH^-}$ .
Соли — на катионы металла (или аммония) и анионы кислотного остатка. Все растворимые соли — сильные электролиты: $\mathrm{Fe_2(SO_4)_3 \rightarrow 2Fe^{3+} + 3SO_4^{2-}}$ . Для нерастворимых веществ уравнения диссоциации не пишут.

Ступенчатая диссоциация

Многоосновные кислоты отщепляют катионы водорода по одному. Первый отрывается от нейтральной молекулы, второй — от уже отрицательного иона, который держит его крепче. Поэтому вторая ступень всегда выражена слабее:

\mathrm{H_2CO_3 \rightleftarrows H^+ + HCO_3^-}

\mathrm{HCO_3^- \rightleftarrows H^+ + CO_3^{2-}}

Так же ведут себя кислые соли: $\mathrm{KHSO_3 \rightarrow K^+ + HSO_3^-}$ , затем $\mathrm{HSO_3^- \rightleftarrows H^+ + SO_3^{2-}}$ .

Как писать уравнение диссоциации

Определите класс вещества и проверьте, растворимо ли оно (по таблице растворимости).
Решите, сильный это электролит или слабый, — от этого зависит знак.
Найдите заряды ионов: у металла — по его валентности, у кислотного остатка — по числу атомов водорода в кислоте.
Расставьте коэффициенты по индексам формулы: $\mathrm{Al_2(SO_4)_3}$ даёт 2 иона $\mathrm{Al^{3+}}$ и 3 иона $\mathrm{SO_4^{2-}}$ .
Проверьте: сумма зарядов справа равна нулю, число атомов слева и справа совпадает.

Разобранные примеры

База

Диссоциация растворимой соли

Условие

Запишите уравнение диссоциации хлорида меди(II) и назовите ионы.

Решение

Хлорид меди(II) растворим, это соль — сильный электролит. Медь здесь двухвалентна, значит, ион $\mathrm{Cu^{2+}}$ ; хлорид-ион $\mathrm{Cl^-}$ . Чтобы заряды скомпенсировались, хлорид-ионов нужно два:

\mathrm{CuCl_2 \rightarrow Cu^{2+} + 2Cl^-}

Проверка: $+2 + 2 \cdot (-1) = 0$ .

Ответ: CuCl₂ → Cu²⁺ + 2Cl⁻; катион меди(II) и два хлорид-аниона

Средний

Число ионов в растворе

Условие

Сколько моль ионов попадёт в раствор при растворении 0,2 моль нитрата железа(III)?

Дано

$n(\mathrm{Fe(NO_3)_3}) = 0{,}2$ моль

Найти

$n(\text{ионов})$

Решение

\mathrm{Fe(NO_3)_3 \rightarrow Fe^{3+} + 3NO_3^-}

Одна формульная единица даёт $$1 + 3 = 4$$ иона, поэтому $n(\text{ионов}) = 0{,}2 \cdot 4 = 0{,}8$ моль.

Ответ: 0,8 моль ионов (0,2 моль Fe³⁺ и 0,6 моль NO₃⁻)

Сложный

Ступенчатая диссоциация фосфорной кислоты

Условие

Запишите ступенчатую диссоциацию фосфорной кислоты $\mathrm{H_3PO_4}$ и укажите, каких ионов в растворе больше всего, кроме $\mathrm{H^+}$ .

Решение

Фосфорная кислота трёхосновная, электролит средней силы, все ступени обратимы:

\mathrm{H_3PO_4 \rightleftarrows H^+ + H_2PO_4^-}

\mathrm{H_2PO_4^- \rightleftarrows H^+ + HPO_4^{2-}}

\mathrm{HPO_4^{2-} \rightleftarrows H^+ + PO_4^{3-}}

Каждая следующая ступень идёт слабее предыдущей, поэтому среди анионов преобладают дигидрофосфат-ионы, а фосфат-ионов совсем мало.

Ответ: Три обратимые ступени; больше всего анионов H₂PO₄⁻, меньше всего PO₄³⁻

Типичные ошибки

Пишут индекс как заряд

Почему неверно

В записи $\mathrm{Na_2SO_4 \rightarrow Na_2^+ + SO_4^{2-}}$ индекс 2 «прилип» к иону. Но ион $\mathrm{Na_2^+}$ не существует: в растворе — отдельные ионы натрия.

Как правильно

Индекс металла становится коэффициентом: $\mathrm{Na_2SO_4 \rightarrow 2Na^+ + SO_4^{2-}}$ . Индекс внутри сложного иона ( $\mathrm{SO_4}$ ) остаётся на месте.

Ставят знак равенства у слабого электролита

Почему неверно

Слабые кислоты и гидрат аммиака распадаются на ионы лишь частично, в растворе остаётся много целых молекул. Знак $\rightarrow$ утверждает обратное.

Как правильно

Для $\mathrm{H_2S}$ , $\mathrm{HNO_2}$ , $\mathrm{H_2CO_3}$ , $\mathrm{NH_3 \cdot H_2O}$ ставьте $\rightleftarrows$ , а многоосновную слабую кислоту записывайте по ступеням.

Пишут диссоциацию нерастворимого вещества

Почему неверно

$\mathrm{BaSO_4}$ , $\mathrm{AgCl}$ , $\mathrm{Cu(OH)_2}$ практически не переходят в раствор, ионов из них в растворе почти нет.

Как правильно

Перед уравнением проверьте растворимость по таблице. Для нерастворимых веществ уравнение диссоциации не составляют.

Проверь себя

Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.

Проверь себя по всему разделу

Задачи для тренировки

От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.

База Задача 1

Напишите уравнение диссоциации нитрата кальция $\mathrm{Ca(NO_3)_2}$ и назовите образующиеся ионы.

Подсказка

Нитрат кальция — растворимая соль, сильный электролит; заряд иона кальция 2+.

Решение

Соль полностью распадается на ионы, поэтому ставим знак равенства (стрелку):

\mathrm{Ca(NO_3)_2 \rightarrow Ca^{2+} + 2NO_3^-}

Образуются катион кальция и нитрат-анионы. Проверка зарядов: $+2 + 2\cdot(-1) = 0$ .

Ответ

Ca(NO₃)₂ → Ca²⁺ + 2NO₃⁻; катион кальция и нитрат-анионы

База Задача 2

Какие из веществ относятся к сильным электролитам — $\mathrm{HCl}$ , $\mathrm{H_2CO_3}$ , $\mathrm{KOH}$ , $\mathrm{NH_3 \cdot H_2O}$ , $\mathrm{K_2SO_4}$ ?

Решение

Сильные: соляная кислота $\mathrm{HCl}$ (сильная кислота), гидроксид калия $\mathrm{KOH}$ (щёлочь), сульфат калия $\mathrm{K_2SO_4}$ (растворимая соль — все соли сильные электролиты).

Слабые: угольная кислота $\mathrm{H_2CO_3}$ и гидрат аммиака $\mathrm{NH_3 \cdot H_2O}$ .

Ответ

HCl, KOH, K₂SO₄

Средний Задача 3

Сколько всего ионов образуется при полной диссоциации 0,5 моль сульфата алюминия $\mathrm{Al_2(SO_4)_3}$ ?

Подсказка

Сначала запишите уравнение диссоциации и сосчитайте ионы из одной формульной единицы.

Решение

\mathrm{Al_2(SO_4)_3 \rightarrow 2Al^{3+} + 3SO_4^{2-}}

Из 1 моль соли получается $$2 + 3 = 5$$ моль ионов, из 0,5 моль — $0{,}5 \cdot 5 = 2{,}5$ моль ионов.

Ответ

2,5 моль ионов

Средний Задача 4

Запишите уравнения ступенчатой диссоциации сернистой кислоты $\mathrm{H_2SO_3}$ . Какая ступень протекает сильнее?

Решение

Сернистая кислота — двухосновная и слабая, поэтому обе ступени обратимы:

\mathrm{H_2SO_3 \rightleftarrows H^+ + HSO_3^-}

\mathrm{HSO_3^- \rightleftarrows H^+ + SO_3^{2-}}

Сильнее идёт первая ступень: на второй катион водорода отрывается от отрицательно заряженного иона, который притягивает его сильнее, чем нейтральная молекула.

Ответ

H₂SO₃ ⇄ H⁺ + HSO₃⁻; HSO₃⁻ ⇄ H⁺ + SO₃²⁻; сильнее первая ступень

Сложный Задача 5

В 200 г воды растворили 7,45 г хлорида калия. Какое количество вещества катионов и анионов оказалось в растворе? Какова массовая доля соли?

Подсказка

M(KCl) = 39 + 35,5 = 74,5 г/моль; масса раствора — вода плюс соль.

Решение

Дано

$m(\mathrm{H_2O}) = 200$ г
$m(\mathrm{KCl}) = 7{,}45$ г

Найти

$n(\mathrm{K^+})$
$n(\mathrm{Cl^-})$
$w(\mathrm{KCl})$

\mathrm{KCl \rightarrow K^+ + Cl^-}

$n(\mathrm{KCl}) = \dfrac{7{,}45}{74{,}5} = 0{,}1$ моль. По уравнению из 1 моль соли — по 1 моль каждого иона, значит $n(\mathrm{K^+}) = n(\mathrm{Cl^-}) = 0{,}1$ моль.

$w = \dfrac{7{,}45}{200 + 7{,}45} \cdot 100\% \approx 3{,}59\%$ .

Ответ

по 0,1 моль K⁺ и Cl⁻; w(KCl) ≈ 3,59 %

Сложный Задача 6

Ученик утверждает, что в растворе гидросульфата натрия $\mathrm{NaHSO_4}$ есть только ионы $\mathrm{Na^+}$ и $\mathrm{HSO_4^-}$ . Прав ли он? Запишите уравнения диссоциации.

Решение

Кислая соль диссоциирует ступенчато. Первая ступень идёт полностью, как у любой соли:

\mathrm{NaHSO_4 \rightarrow Na^+ + HSO_4^-}

Гидросульфат-ион может отщепить ещё один катион водорода:

\mathrm{HSO_4^- \rightleftarrows H^+ + SO_4^{2-}}

Значит, в растворе есть также ионы $\mathrm{H^+}$ и $\mathrm{SO_4^{2-}}$ (поэтому раствор кислый). Ученик неправ.

Ответ

Неправ — есть ещё H⁺ и SO₄²⁻, так как HSO₄⁻ ⇄ H⁺ + SO₄²⁻

Для родителя

Как объяснить за 5 минут. Растворите ложку соли в стакане воды: кристаллы исчезли, но соль никуда не делась — она распалась на невидимые заряженные частицы, ионы натрия и хлора. Именно они переносят ток (поэтому мокрыми руками нельзя трогать розетку — на коже есть соли). Сахар тоже растворяется, но на ионы не распадается, и ток такой раствор не проводит. Дальше — правило: кислота даёт ионы водорода, щёлочь — гидроксид-ионы, соль — ионы металла и кислотного остатка.

Вопросы для проверки понимания: 1) Чем катион отличается от аниона и куда каждый движется? 2) На какие ионы распадается $\mathrm{K_2CO_3}$ ? 3) Почему вторая ступень диссоциации кислоты идёт слабее первой?

На что обратить внимание. Главное — правильно находить заряды ионов и превращать индексы в коэффициенты. Пусть ребёнок всегда проверяет, что сумма зарядов в правой части равна нулю, и смотрит в таблицу растворимости, прежде чем писать уравнение.

Где в учебниках

Учебник	Параграф	Упражнения
Химия. 9 класс (Габриелян, Остроумов, Сладков)	§ 5	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12