Przypomnijcie sobie: prąd elektryczny - to uporządkowany ruch cząstek naładowanych.
Definicja elektrolitów
W końcu XIX wieku zostało eksperymentalnie udowodnione, że roztwory większości związków nieorganicznych, na przykład soli kuchennej, sody, saletry potasowej, dobrze przewodzą prąd elektryczny. Takie substancje nazywamy elektrolitami. A czysta, ściślej, destylowana, woda i roztwory wielu substancji organicznych, na przykład cukru, alkoholu etylowego, nie przewodzą prądu - są one nieelektrolitami (rys. 8.1). Wiele soli, nawet tych nierozpuszczalnych w wodzie, na przykład siarczan baru, przewodzą prąd elektryczny w stanie stopionym.
Substancje, roztwory albo substancje roztopione, które przewodzą prąd elektryczny, nazywamy elektrolitami, a które nie przewodzą prądu ani w roztworze, ani w stanie stopionym - nieelektrolitami.
Rys. 8.1. Roztwory kwasu, zasady i soli przewodzą prąd elektryczny, a czysta woda - nie
Przynależność substancji do elektrolitów lub nieelektrolitów określa się rodzajem jej wiązania chemicznego. Elektrolitami są związki chemiczne z jonowym lub bardzo spolaryzowanym wiązaniem kowalencyjnym, a nieelektrolitami są substancje z niespolaryzowanym lub słabo spolaryzowanym wiązaniem kowalencyjnym (schemat 4).
Schemat 4. Klasyfikacja substancji na elektrolity i nieelektrolity
Elektrolity mają wielkie znaczenie w przyrodzie i w życiu człowieka. Mieszczą się we wszystkich organizmach żywych, w których zapewniają funkcjonowanie ważnych procesów. Płyny biologiczne organizmu człowieka są roztworami, które zawierają jony, na które rozpadają się elektrolity - sole, zasady, kwasy. Różne jony wykonują pewne funkcje biologiczne: biorą udział w procesach odżywiania i wydalania, przepływu impulsów nerwowych, kurczeniu się mięśni. Bez udziału elektrolitów niemożliwe jest istnienie w roztworach molekuł białek oraz DNA, tak więc niemożliwe byłoby i życie na naszej planecie.
Dysocjacja elektrolityczna
Już wiecie, że w substancjach o budowie jonowej, na przykład w soli kuchennej, są cząsteczki naładowane - jony. Wiecie również, że prąd elektryczny - to uporządkowany ruch cząstek naładowanych. Dlaczego twarda sól kuchenna nie przewodzi prądu elektrycznego, a jej roztwór lub forma stopiona przewodzi? Odpowiedź na te pytania dał szwedzki uczony Arrhenius Svante. Zakładał on, że niektóre substancje (elektrolity) podczas rozpuszczania w wodzie (albo topnienia) ropadają się na jony, które mogą swobodnie się poruszać. W razie topnienia cząsteczki substancji stają się ruchliwe (rys. 8.2, a), a w razie rozpuszczenia są one równomiernie rozłożone w wodzie (rys. 8.2, b), czyli w obu przypadkach mogą się swobodnie poruszać. Dzięki temu roztwory i substancje roztopione przewodzą prąd elektryczny. Jony, które znajdują się w twardej soli kuchennej, są rozłożone w węzłach sieci krystalicznych i nie mogą się przemieszczać, dlatego elektrolity stałe nie przewodzą prądu elektrycznego (rys. 8.2, c). W wodzie destylowanej jonów nie ma, dlatego nie przewodzi ona prądu (rys. 8.2. d).
Proces rozpadu substancji na jony podczas rozpuszczania w wodzie albo topnienia nazywamy dysocjacją elektrolityczną.
Rys. 8.2. W roztworach i elektrolitach roztopionych jony swobodnie przemieszczają się, dlatego mogą one przewodzić prąd elektryczny: a - sól kuchenna w stanie stopionym; b - roztwór soli kuchennej; c - sól kuchenna w stanie stałym; d - czysta woda
Podczas rozpuszczania soli i zasad (substancji o budowie jonowej) do roztworu przedostają się jony, które znajdują się w jego składzie. Substancje molekularne dysocjują trochę inaczej. Chlorowodór - to gaz, który składa się z spolaryzowanych molekuł HC1. Każda molekuła, która trafia do roztworu, od razu jest otoczona dipolami wody, przyciągając się do niej przeciwstawnie naładowanymi bokami. W wyniku takiego
oddziaływania wiązanie polarne w molekule HC1 przechodzi w wiązanie jonowe, a jony, które się tworzą, przechodzą do roztworu (rys. 8.3).
Kwasy - to elektrolity ze spolaryzowanymi wiązaniami kowalencyjnymi. Dlatego kwasy mogą dysocjować na jony tylko w roztworze wodnym pod wpływem molekuł wody. Czyste kwasy nie przewodzą prądu elektrycznego.
Tak więc, główna różnica pomiędzy elektrolitami i nieelektrolitami polega na tym, że elektrolity rozpadają się (dysocjują) na jony naładowane dodatnio i ujemnie. Pod wpływem pola elektrycznego jony naładowane dodatnio (kationy) podążają do elektrody ujemnej (katody), a jony naładowane ujemnie (aniony) - do elektrody dodatniej (anody) (rys. 8.4). Te wnioski, do których doszedł Arrhenius, są podstawą sformułowanej przez niego teorii dysocjacji elektrolitycznej.
Substancje albo ich mieszaniny, które mogą przewodzić prąd elektryczny, nazywamy przewodnikami prądu elektrycznego. Dzielimy je na dwa rodzaje: przewodniki I i II typu. Różnią się one zasadniczo cząsteczkami, które są nośnikami ładunku elektrycznego, czyli tymi cząsteczkami, które swobodnie kierunkowo poruszają się w polu elektrycznym. W przewodnikach I typu nośnikami ładunku są elektrony, takimi przewodnikami są wszystkie metale i ich stopy. A roztwory i elektrolity roztopione -to przewodniki II typu, w których nośnikami ładunku są jony. Dlatego metale, jak również roztwory elektrolitów są przewodnikami prądu elektrycznego, ale nie można nazwać ich elektrolitami, ponieważ metale zawsze przewodzą prąd elektryczny dzięki obecności wolnych elektronów, a elektrolity - tylko w roztworach albo substancjach roztopionych, w których odbywa się dysocjacja elektrolityczna.
Równanie dysocjacji elektrolitycznej
Dysocjacja elektrolityczna nie jest reakcją chemiczną, ponieważ nie zachodzi przemiana jednych substancji w inne. Ale, żeby było wygodniej dysocjację elektrolityczną zapisujemy w formie równania, w którym zamiast znaku równości piszemy strzałkę. Zapisując wzory jonów w roz
tworze, ładunek jonów oznaczamy trochę inaczej, niż w zapisach stopnia utlenienia: najpierw zapisujemy wartość liczbową, a potem znak ładunku (w jonach z ładunkiem pojedynczym cyfry 1 najczęściej nie zapisujemy).
Na przykład równanie dysocjacji elektrolitycznej chlorku sodu jest następujące:
W ten sam sposób zapisujemy równania dysocjacji chlorku wapnia:
W roztworach wodnych elektrolitów woda jest najważniejszym elementem procesu dysocjacji. Ale woda - to środowisko, w którym odbywa się dysocjacja. Podczas reakcji wody nie ubywa i nie wydziela się ona, dlatego w równaniach dysocjacji elektrolitycznej wody nie zaznaczamy.
Zadanie lingwistyczne
Chociaż w języku greckim elektron oznacza „bursztyn", to obecnie słowo to wykorzystywane jest do oznaczenia wszystkiego, co jest związane z elektrycznością. Według różnych źródeł, drugi temat słowa „elektrolit" pochodzi od greckiego słowa „litos" które oznacza „kamień" albo „lytos", które oznacza „ten, który może się rozpuścić". Biorąc pod uwagę te informacje, wytłumaczcie znaczenie terminu „elektrolit". Dlaczego, według was, grecka nazwa bursztynu jest wykorzystywana do oznaczenia zjawisk elektrycznych?
Wybitny chemik i fizyk szwedzki, laureat Nagrody Nobla w 1903 roku, jeden z twórców chemii fizycznej. W wieku 17 lat wstąpił na Uniwersytet w Uppsali i już po dwóch latach otrzymał stopień bakaławra (Bachelor's degree). Następnie pracował w Instytucie Fizyki Akademii Nauk w Sztokholmie. Za opracowanie teorii dysocjacji elektrolitycznej w 1903 roku otrzymał Nagrodę Nobla. Arrhenius jest znany nie tylko jako uczony, ale również jako autor licznych podręczników, artykułów popularnonaukowych oraz książek z geofizyki, astronomii, biologii oraz medycyny. Przez długie lata Arrhenius zajmował stanowisko kierownika Instytutu Nobla w Sztokholmie.
Aby ogłosić teorię dysocjacji eiektrolitycznyej Arrhenius musiał zdobyć się na nietuzinkową odwagę. Pomysł był całkiem dziwny: niewiarygodnym było to, że jony powstają nie bezpośrednio pod wpływem prądu elektrycznego, a po prostu podczas rozpuszczania. Do tego, wiele osób współczesnych Arrheniusowi nie rozumiało różnicy między „atomem" i „jonem" i, słysząc, że w roztworze wodnym potasu obecne są jony potasu, od razu stanowczo zaprzeczało: jakby do czegoś takiego doszło, to utworzony potas miałby burzliwie reagować z wodą.
Myśl główna
Istnienie elektrolitów jest uwarunkowane możliwością niektórych substancji rozpadania się na jony (kationy i aniony) podczas rozpuszczania albo roztapiania.
Pytania kontrolne
92. Określcie definicję elektrolitów i nieelektrolitów. Podajcie przykłady substancji.
93. Czym jest dysocjacja elektrolityczna? Czy podczas rozpuszczania elektrolitu w wodzie mogą się utworzyć wyłącznie kationy albo wyłącznie aniony? Dlaczego?
94. Wypiszcie z tekstu paragrafu główne tezy teorii dysocjacji elektrolitycznej: 1) o rozpadzie elektrolitów na jony; 2) o ruchu jonów w polu elektrycznym.
Zadania utrwalające wiedzę
95. Z podanych wzorów substancji wypiszcie te, które są: a) elektrolitami;
b) nieelektrolitami.
Nal, HBr, 02, CH4, CaCI2, KOH, H2S04, C12H22011 (cukier).
96. Jaka ilość substancji cząstek utworzy się, jeżeli rozpuścić w wodzie takie substancje o ilości substancji 1 mola: a) chlorowodoru, b) jodku potasu,
c) bromku wapnia; d) azotanu magnezu? Ułóżcie równania dysocjacji elektrolitycznej tych substancji.
97. Dlaczego nie można remontować przewodu elektrycznego, stojąc w wodzie albo na mokrej podłodze?
98. Jak uważacie, dlaczego roztwór chlorowodoru w wodzie przewodzi prąd elektryczny, a roztwór chlorowodoru w benzynie - nie?
99*. W przypadku niektórych zachorowań lekarze rekomendują „napełnić organizm elektrolitami". O jakich elektrolitach jest mowa? W jaki sposób można to zrobić? W jakich chorobach i z jakiego powodu potrzebna jest taka procedura?
Źródło: Chemia podręcznik dla klasy 9 Hryhorowycz