Страница 48 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Какие вещества называют электролитами; неэлектролитами? Приведите примеры.

Электролиты — это вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток. Проводимость обусловлена процессом электролитической диссоциации — распада вещества на подвижные заряженные частицы (ионы): положительные катионы и отрицательные анионы. Направленное движение этих ионов в электрическом поле обеспечивает прохождение тока. К электролитам относятся вещества с ионной или ковалентной сильно полярной связью.

Примеры электролитов:

• Соли: хлорид натрия ($NaCl$), сульфат меди(II) ($CuSO_4$), нитрат калия ($KNO_3$).

• Кислоты: серная кислота ($H_2SO_4$), соляная кислота ($HCl$), азотная кислота ($HNO_3$).

• Основания (особенно щёлочи): гидроксид натрия ($NaOH$), гидроксид калия ($KOH$), гидроксид кальция ($Ca(OH)_2$).

Неэлектролиты — это вещества, растворы или расплавы которых не проводят электрический ток. В растворенном или расплавленном состоянии они существуют в виде нейтральных молекул и не диссоциируют (не распадаются) на ионы. Из-за отсутствия свободных носителей заряда электрический ток через их растворы или расплавы не проходит. К неэлектролитам относятся вещества с ковалентной неполярной или слабополярной связью.

Примеры неэлектролитов:

• Многие органические вещества: сахар (сахароза $C_{12}H_{22}O_{11}$), глюкоза ($C_6H_{12}O_6$), этиловый спирт (этанол $C_2H_5OH$), глицерин ($C_3H_5(OH)_3$).

• Простые вещества: кислород ($O_2$), азот ($N_2$), сера ($S_8$), фосфор ($P_4$).

• Некоторые неорганические соединения: дистиллированная вода ($H_2O$), которая является чрезвычайно слабым электролитом, поэтому её проводимость практически равна нулю; оксид кремния(IV) ($SiO_2$).

Ответ: Электролиты — это вещества (соли, кислоты, основания), которые в растворах или расплавах распадаются на ионы и поэтому проводят электрический ток. Примерами являются поваренная соль ($NaCl$), серная кислота ($H_2SO_4$) и гидроксид натрия ($NaOH$). Неэлектролиты — это вещества (многие органические вещества, простые вещества), которые в растворах или расплавах не распадаются на ионы и не проводят электрический ток. Примерами являются сахар ($C_{12}H_{22}O_{11}$), этиловый спирт ($C_2H_5OH$) и дистиллированная вода ($H_2O$).

2. Что такое электролитическая диссоциация? Могут ли при растворении электролита в воде образоваться только катионы или только анионы? Почему?

Что такое электролитическая диссоциация?

Электролитическая диссоциация — это процесс распада вещества, называемого электролитом, на ионы при его растворении в полярном растворителе (чаще всего в воде) или при плавлении. Электролитами являются вещества (соли, кислоты, основания), растворы или расплавы которых проводят электрический ток. Проводимость обеспечивается именно за счет образования свободных ионов: положительно заряженных катионов и отрицательно заряженных анионов.

Например, диссоциация хлорида натрия ($NaCl$) в воде приводит к образованию катионов натрия ($Na^+$) и хлорид-анионов ($Cl^-$). Уравнение процесса:$NaCl \rightleftharpoons Na^+ + Cl^-$

Ответ: Электролитическая диссоциация — это процесс распада электролита на положительно заряженные катионы и отрицательно заряженные анионы при растворении в растворителе или при плавлении.

Могут ли при растворении электролита в воде образоваться только катионы или только анионы? Почему?

При растворении электролита в воде не могут образоваться только катионы или только анионы. Это невозможно по фундаментальной причине — из-за принципа электронейтральности вещества и закона сохранения электрического заряда.

Исходное вещество, которое диссоциирует, является электрически нейтральным. Это означает, что суммарный заряд в его молекулах или кристаллической решетке равен нулю. Когда вещество распадается на ионы, общий заряд системы должен сохраниться. Поэтому образование ионов одного знака без образования ионов противоположного знака нарушило бы этот баланс. Раствор в целом должен оставаться электронейтральным. Для этого суммарный положительный заряд всех образовавшихся катионов должен быть равен по абсолютной величине суммарному отрицательному заряду всех анионов.

Например, при диссоциации серной кислоты ($H_2SO_4$):$H_2SO_4 \rightleftharpoons 2H^+ + SO_4^{2-}$Образуются два катиона водорода с общим зарядом $2 \times (+1) = +2$ и один сульфат-анион с зарядом $-2$. Сумма зарядов $(+2) + (-2) = 0$, и раствор остается нейтральным.

Ответ: Нет, не могут. При диссоциации должен соблюдаться принцип электронейтральности. Исходное вещество нейтрально, поэтому и продукты его распада (ионы) в сумме должны давать нулевой заряд. Это возможно только при одновременном образовании и катионов, и анионов, суммарные заряды которых взаимно компенсируются.

3. Выпишите из текста параграфа основные положения теории электролитической диссоциации:

1) о распаде электролитов на ионы;

2) о движении ионов в электрическом поле.

1) о распаде электролитов на ионы;

Согласно теории электролитической диссоциации, вещества, называемые электролитами (к ним относятся кислоты, основания и соли), при растворении в полярном растворителе (например, в воде) или при расплавлении самопроизвольно распадаются на заряженные частицы — ионы. Этот процесс называется электролитической диссоциацией.

Ионы бывают двух видов:

• Катионы — положительно заряженные ионы, которые образуются из атомов металлов или группы атомов (например, ион аммония $NH_4^+$).
• Анионы — отрицательно заряженные ионы, которые образуются из кислотных остатков или гидроксильных групп $OH^-$.

Процесс диссоциации является обратимым, то есть одновременно с распадом молекул на ионы происходит обратный процесс соединения ионов в молекулы (ассоциация). Раствор электролита в целом электронейтрален, так как суммарный заряд всех катионов равен по модулю суммарному заряду всех анионов.

Например, диссоциация поваренной соли (хлорида натрия) в воде записывается уравнением: $NaCl \rightleftharpoons Na^+ + Cl^-$

Ответ: Основное положение теории гласит, что электролиты при растворении или расплавлении диссоциируют (распадаются) на подвижные, положительно заряженные ионы (катионы) и отрицательно заряженные ионы (анионы).

2) о движении ионов в электрическом поле.

В отсутствие внешнего электрического поля ионы в растворе или расплаве движутся хаотично (беспорядочно) из-за теплового движения. Однако если в раствор или расплав электролита поместить электроды, подключенные к источнику постоянного тока, то ионы начинают двигаться направленно.

Под действием сил электрического поля:

• Положительно заряженные ионы (катионы) движутся к отрицательно заряженному электроду — катоду.
• Отрицательно заряженные ионы (анионы) движутся к положительно заряженному электроду — аноду.

Это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц (ионов) и есть электрический ток в электролитах. Именно благодаря этому свойству растворы и расплавы электролитов проводят электрический ток. На электродах происходит процесс электролиза — окислительно-восстановительные реакции, в ходе которых ионы разряжаются, превращаясь в нейтральные атомы или молекулы.

Ответ: Основное положение теории состоит в том, что под действием электрического поля ионы в растворе или расплаве приходят в направленное движение: катионы движутся к катоду, а анионы — к аноду, что обусловливает электропроводность электролитов.

4. Из приведённых формул выберите формулы веществ, которые, на ваш взгляд, являются:

а) электролитами;

б) неэлектролитами.

$NaI$, $HBr$, $O_2$, $CH_4$, $CaCl_2$, $KOH$, $H_2SO_4$, $C_{12}H_{22}O_{11}$ (сахар).

Электролиты — это вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток, так как они диссоциируют (распадаются) на ионы. Как правило, к электролитам относятся кислоты, основания и соли.

Неэлектролиты — это вещества, которые в растворах или расплавах не диссоциируют на ионы и, соответственно, не проводят электрический ток. К ним относятся многие органические соединения (например, сахара, спирты), а также простые вещества с ковалентной неполярной связью.

а) электролитами

В представленном списке к электролитам относятся вещества, которые в водном растворе распадаются на ионы:$NaI$ (иодид натрия) – это ионное соединение, растворимая соль, диссоциирует на катионы натрия $Na^+$ и анионы иода $I^-$.$HBr$ (бромоводород) – сильная кислота, в воде полностью ионизируется на катионы водорода $H^+$ и бромид-анионы $Br^-$.$CaCl_2$ (хлорид кальция) – ионное соединение, растворимая соль, диссоциирует на катионы кальция $Ca^{2+}$ и хлорид-анионы $Cl^-$.$KOH$ (гидроксид калия) – сильное основание (щёлочь), в воде полностью диссоциирует на катионы калия $K^+$ и гидроксид-анионы $OH^-$.$H_2SO_4$ (серная кислота) – сильная кислота, диссоциирует в воде на катионы водорода $H^+$ и сульфат-анионы $SO_4^{2-}$.

Ответ: $NaI$, $HBr$, $CaCl_2$, $KOH$, $H_2SO_4$.

б) неэлектролитами

К неэлектролитам относятся вещества, которые при растворении в воде не распадаются на ионы:$O_2$ (кислород) – простое вещество с ковалентной неполярной связью, его молекулы не ионизируются.$CH_4$ (метан) – органическое вещество, углеводород с ковалентными слабополярными связями, не диссоциирует в воде.$C_{12}H_{22}O_{11}$ (сахар, сахароза) – органическое вещество (углевод), которое растворяется в воде, но его молекулы остаются целыми и не распадаются на ионы.

Ответ: $O_2$, $CH_4$, $C_{12}H_{22}O_{11}$ (сахар).

5. Сколько молей частиц образуется при растворении в воде одного моля: а) хлороводорода; б) хлорида калия; в) хлорида кальция; г) нитрата кальция? Напишите уравнения электролитической диссоциации этих веществ.

Дано:

Количество вещества каждого из соединений $n_{вещества} = 1$ моль.

Найти:

1. Уравнения электролитической диссоциации веществ.

2. Суммарное количество молей частиц (ионов) $n_{частиц}$, образующихся при растворении 1 моль каждого вещества.

Решение:

Для определения количества молей частиц, образующихся при растворении, необходимо написать уравнения электролитической диссоциации для каждого вещества. Все указанные вещества являются сильными электролитами, то есть в водном растворе они диссоциируют на ионы полностью.

а) хлороводорода ($HCl$)

Хлороводород при растворении в воде образует соляную кислоту, которая является сильной кислотой и полностью диссоциирует на катионы водорода и хлорид-анионы.

Уравнение электролитической диссоциации:

$HCl \rightarrow H^+ + Cl^-$

Согласно уравнению, из 1 моль молекул $HCl$ образуется 1 моль ионов $H^+$ и 1 моль ионов $Cl^-$.

Суммарное количество молей частиц: $n_{частиц} = n(H^+) + n(Cl^-) = 1 \text{ моль} + 1 \text{ моль} = 2 \text{ моль}$.

Ответ: уравнение диссоциации: $HCl \rightarrow H^+ + Cl^-$; при растворении 1 моль хлороводорода образуется 2 моль частиц.

б) хлорида калия ($KCl$)

Хлорид калия — это соль, образованная сильным основанием ($KOH$) и сильной кислотой ($HCl$), является сильным электролитом.

Уравнение электролитической диссоциации:

$KCl \rightarrow K^+ + Cl^-$

Из 1 моль $KCl$ образуется 1 моль катионов калия ($K^+$) и 1 моль хлорид-анионов ($Cl^-$).

Суммарное количество молей частиц: $n_{частиц} = n(K^+) + n(Cl^-) = 1 \text{ моль} + 1 \text{ моль} = 2 \text{ моль}$.

Ответ: уравнение диссоциации: $KCl \rightarrow K^+ + Cl^-$; при растворении 1 моль хлорида калия образуется 2 моль частиц.

в) хлорида кальция ($CaCl_2$)

Хлорид кальция — это соль, образованная сильным основанием ($Ca(OH)_2$) и сильной кислотой ($HCl$), является сильным электролитом.

Уравнение электролитической диссоциации:

$CaCl_2 \rightarrow Ca^{2+} + 2Cl^-$

Из 1 моль $CaCl_2$ образуется 1 моль катионов кальция ($Ca^{2+}$) и 2 моль хлорид-анионов ($Cl^-$).

Суммарное количество молей частиц: $n_{частиц} = n(Ca^{2+}) + n(Cl^-) = 1 \text{ моль} + 2 \text{ моль} = 3 \text{ моль}$.

Ответ: уравнение диссоциации: $CaCl_2 \rightarrow Ca^{2+} + 2Cl^-$; при растворении 1 моль хлорида кальция образуется 3 моль частиц.

г) нитрата кальция ($Ca(NO_3)_2$)

Нитрат кальция — это соль, образованная сильным основанием ($Ca(OH)_2$) и сильной кислотой ($HNO_3$), является сильным электролитом.

Уравнение электролитической диссоциации:

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

Из 1 моль $Ca(NO_3)_2$ образуется 1 моль катионов кальция ($Ca^{2+}$) и 2 моль нитрат-анионов ($NO_3^-$).

Суммарное количество молей частиц: $n_{частиц} = n(Ca^{2+}) + n(NO_3^-) = 1 \text{ моль} + 2 \text{ моль} = 3 \text{ моль}$.

Ответ: уравнение диссоциации: $Ca(NO_3)_2 \rightarrow Ca^{2+} + 2NO_3^-$; при растворении 1 моль нитрата кальция образуется 3 моль частиц.

6. Опишите механизм электролитической диссоциации хлорида натрия. Какую роль играет вода в этом процессе?

Механизм электролитической диссоциации хлорида натрия

Электролитическая диссоциация хлорида натрия ($NaCl$) в воде — это физико-химический процесс распада ионного кристалла на свободные гидратированные ионы. Он протекает в несколько стадий:

1. Хлорид натрия в твердом состоянии представляет собой кристаллическую решетку, в узлах которой находятся положительно заряженные ионы натрия ($Na^+$) и отрицательно заряженные хлорид-ионы ($Cl^-$). Эти ионы прочно связаны между собой силами электростатического притяжения (ионной связью).
2. Молекулы воды ($H_2O$) являются полярными, то есть представляют собой диполи. На атоме кислорода сосредоточен частичный отрицательный заряд ($\delta-$), а на атомах водорода — частичные положительные заряды ($\delta+$).
3. При погружении кристалла $NaCl$ в воду полярные молекулы воды начинают взаимодействовать с ионами на поверхности кристалла. Они ориентируются вокруг ионов в соответствии со своими зарядами: отрицательными полюсами (атомами кислорода) притягиваются к положительным ионам $Na^+$, а положительными полюсами (атомами водорода) — к отрицательным ионам $Cl^-$.
4. Это электростатическое взаимодействие между диполями воды и ионами приводит к ослаблению ионных связей внутри кристалла. Энергия, выделяющаяся при взаимодействии ионов с молекулами воды (энергия гидратации), становится сопоставимой с энергией, необходимой для разрушения кристаллической решетки (энергия решетки).
5. В результате ионы $Na^+$ и $Cl^-$ отрываются от решетки и переходят в раствор. Там они немедленно окружаются плотной оболочкой из молекул воды — гидратной оболочкой. Этот процесс называется гидратацией, а сами ионы — гидратированными.

Уравнение диссоциации в общем виде выглядит так: $$ NaCl_{(тв)} \xrightarrow{H_2O} Na^+_{(aq)} + Cl^-_{(aq)} $$ где индекс $(тв)$ означает твердое вещество, а $(aq)$ означает, что ион гидратирован (находится в водной среде).

Какую роль играет вода в этом процессе?

Вода играет ключевую, активную роль в процессе диссоциации, а не является просто пассивной средой. Ее роль заключается в следующем:

• Вода — полярный растворитель. Именно дипольная структура молекул воды позволяет ей эффективно взаимодействовать с заряженными частицами — ионами.
• Вода ослабляет ионные связи. Вода обладает очень высокой диэлектрической проницаемостью ($\epsilon \approx 80$). Это свойство означает, что вода способна ослаблять электростатическое взаимодействие между зарядами примерно в 80 раз. В результате сила притяжения между ионами $Na^+$ и $Cl^-$ в водной среде становится достаточно слабой для разрыва.
• Вода гидратирует и стабилизирует ионы. Процесс гидратации, то есть окружения ионов молекулами воды, является экзотермическим (выделяется энергия). Выделившаяся энергия гидратации компенсирует энергетические затраты на разрушение кристаллической решетки. Образовавшиеся гидратные оболочки изолируют ионы друг от друга, предотвращая их обратное соединение (ассоциацию) и стабилизируя их в растворе.

Таким образом, без активного участия воды диссоциация ионного соединения $NaCl$ была бы невозможна.

Ответ: Механизм электролитической диссоциации хлорида натрия заключается в ориентации диполей воды вокруг ионов $Na^+$ и $Cl^-$ на поверхности кристалла, ослаблении ионных связей за счет высокой диэлектрической проницаемости воды, отрыве ионов от решетки и их последующей гидратации (образовании гидратных оболочек). Роль воды в этом процессе является решающей: она выступает как полярный растворитель, который активно разрушает кристаллическую решетку и стабилизирует образующиеся ионы в растворе, обеспечивая их существование в свободном виде.

7. Какие ионы называют гидратированными?

Гидратированными называют ионы, которые в растворе (чаще всего водном) связаны с молекулами воды. Этот процесс взаимодействия ионов с молекулами воды называется гидратацией, а ионы, окруженные водной оболочкой, — гидратированными ионами или аквакомплексами.

Причиной гидратации является полярность молекулы воды ($H_2O$). В молекуле воды атом кислорода несет на себе частичный отрицательный заряд ($\delta-$), а атомы водорода — частичные положительные заряды ($\delta+$). Благодаря этому молекула воды представляет собой диполь.

Когда ионное соединение, например, поваренная соль ($NaCl$), попадает в воду, происходит его диссоциация на ионы ($Na^+$ и $Cl^-$). Эти ионы вступают в электростатическое взаимодействие с диполями воды:

• Положительно заряженные ионы (катионы), такие как $Na^+$, $Cu^{2+}$, притягивают к себе отрицательные полюсы молекул воды, то есть атомы кислорода.
• Отрицательно заряженные ионы (анионы), такие как $Cl^-$, $SO_4^{2-}$, притягивают положительные полюсы молекул воды, то есть атомы водорода.

В результате вокруг каждого иона образуется одна или несколько упорядоченных оболочек из молекул воды. Эти оболочки называют гидратными оболочками. Количество молекул воды, наиболее прочно связанных с ионом в первой оболочке, называют координационным числом гидратации.

Например, ион меди(II) в водном растворе существует в виде гидратированного иона (аквакомплекса) состава $[Cu(H_2O)_6]^{2+}$, который и придает раствору солей меди(II) характерный голубой цвет.

Процесс гидратации обычно сопровождается выделением тепла (энергия гидратации). Эта энергия компенсирует затраты энергии на разрушение кристаллической решетки вещества, что и делает возможным растворение многих ионных соединений в воде.

Ответ: Гидратированными называют ионы, находящиеся в водном растворе и окруженные оболочкой из полярных молекул воды, которые удерживаются вокруг иона за счет электростатических сил.

8. Приведите по одному примеру веществ, при растворении которых в воде наблюдается:

а) сильное разогревание раствора;

б) сильное охлаждение раствора.

Объясните эти явления.

Процесс растворения вещества в воде — это сложный физико-химический процесс, который включает в себя две основные стадии с противоположными тепловыми эффектами. Первая стадия — это разрушение связей между частицами растворяемого вещества (например, разрушение кристаллической решетки соли). Этот процесс требует затрат энергии, то есть является эндотермическим (протекает с поглощением тепла). Вторая стадия — это взаимодействие частиц растворяемого вещества с молекулами воды, называемое гидратацией. Этот процесс сопровождается выделением энергии, то есть является экзотермическим.

Общий тепловой эффект растворения зависит от соотношения этих двух величин. Если энергия гидратации (выделяемая) больше энергии, необходимой для разрушения связей (поглощаемой), то суммарный процесс является экзотермическим, и раствор нагревается. Если же на разрушение связей затрачивается больше энергии, чем выделяется при гидратации, то суммарный процесс является эндотермическим, и раствор охлаждается.

а) сильное разогревание раствора

Примером вещества, растворение которого в воде сопровождается сильным разогреванием, является концентрированная серная кислота ($H_2SO_4$) или твердый гидроксид натрия ($NaOH$). При смешивании серной кислоты с водой выделяется очень большое количество теплоты. Это объясняется тем, что энергия, выделяющаяся в процессе гидратации молекул $H_2SO_4$ и образующихся ионов ($H^+$ и $HSO_4^-$), значительно превосходит энергию, которая тратится на разрыв связей между молекулами кислоты. Процесс гидратации настолько бурный, что раствор может раскалиться и даже закипеть, что требует особой осторожности при приготовлении растворов серной кислоты (необходимо лить кислоту в воду, а не наоборот).

Ответ: Серная кислота ($H_2SO_4$).

б) сильное охлаждение раствора

Примером вещества, растворение которого вызывает сильное охлаждение, является нитрат аммония ($NH_4NO_3$), известный также как аммиачная селитра. При растворении этой соли в воде температура раствора резко падает. В данном случае энергия, необходимая для разрушения очень прочной кристаллической решетки нитрата аммония, значительно превышает энергию, которая выделяется при гидратации ионов аммония ($NH_4^+$) и нитрат-ионов ($NO_3^-$). Поскольку на разрушение решетки затрачивается больше энергии, чем выделяется при взаимодействии ионов с водой, общий процесс поглощает теплоту из окружающей среды, что и приводит к сильному охлаждению. Это свойство нитрата аммония используется в быстродействующих охлаждающих пакетах.

Ответ: Нитрат аммония ($NH_4NO_3$).