Электропроводность водных растворов

Электропроводность водных растворов определяет их способность проводить электрический ток.

Натуральная проводимость вод зависит от степени минерализации, т.е. содержания растворенных минеральных солей в изучаемой среде, а также от температуры.

Исходя из этой зависимости, измерение электропроводности водных растворов позволяет с определенной погрешностью определить минерализацию воды.

 

Что такое электропроводность водных растворов

Движение электрических зарядов называется электрическим током. Поэтому когда мы говорим, что через раствор проходит электрический ток, мы имеем в виду, что в растворе происходит перенос электрических зарядов.

Вода очень плохой проводник электрического токо. Но если добавить водный раствор хлористого натрия то тогда она становиться хорошим проводником. Увеличению электропроводности способствует растворенная соль.

Одним из возможных объяснений может быть предположение, что при растворении соли в воде образуются частицы, несущие электрический заряд.

В результате движения этих заряженных частиц через раствор возникает ток. В данном случае растворенная соль имеет формулу NaCl, т. е. на каждый атом натрия приходится один атом хлора.

Химики пришли к выводу, что при растворении хлористого натрия в воде атомы хлора приобретают отрицательный заряд, равный заряду электрона, а атомы натрия — положительный заряд, равный заряду протона.

Атомы или молекулы, которые несут электрический заряд, называются ионами.

Отрицательный хлор-ион обозначается Сl^— а положительный ион натрия — Na⁺. Используя эти обозначения, можно записать уравнение для процесса растворения хлористого натрия в воде:

NaCl (тв) + Н₂О → Na⁺ (водн) + Сl^— (водн) (1)

Уравнение (1) показывает, что при растворении хлористого натрия в воде в растворе образуются ионы натрия и хлор-ионы.

Химики обычно придерживаются более краткой формы записи, так как она передает суть процесса:

NaCl (тв) → Na⁺ (водн) + Сl^— (водн) (1)

Вы уже могли заметить, что вместо NaCl (твердое вещество) пишут NaCl (тв). Точно так же сокращают и выражение «в воде».

Это выражение обычно заменяют словом «водный» или сокращенно (водн).

Таким образом, процесс растворения хлористого натрия в воде с образованием проводящего раствора обычно записывается следующим образом:

NaCl (тв) → Na⁺ (водн) + Cl^— (водн)

Итак, мы построили гипотезу о растворении соли, с помощью которой можно будет рассмотреть явление электропроводности.

Почему вода проводит электрический ток

Соль растворяется, образуя в растворе заряженные частицы Na⁺ и Сl^—, которые могут независимо перемещаться в растворе.

Благодаря перемещению этих ионов через раствор может проходить электрический ток.

Ионы Сl^— двигаются в одном направлении, вызывая перемещение отрицательных зарядов в этом направлении.

Ионы Na⁺ двигаются в противоположном направлении, способствуя перемещению в этом направлении положительных зарядов.

Сахар растворяется в воде, но образующийся раствор проводит электрический ток не лучше, чем чистая вода.

Это значит, что при растворении сахара в воде не образуются заряженные частицы — ионы. Сахар сильно отличается по свойствам от хлористого натрия.

Электропроводность хлористого кальция

Хлористый кальций СаСl₂— другое кристаллическое вещество, легко растворимое в воде. Раствор хлористого кальция проводит электрический ток, подобно раствору хлористого натрия.

Следовательно, в этом отношении хлористый кальций похож на хлористый натрий и не похож на сахар.

Растворение в воде происходит по следующему уравнению:

СаСl₂ (тв) → Са²⁺ (водн) + 2Сl^— (водн) (2)

Это уравнение показывает, что при растворении хлористого кальция образуются ионы Са²⁺ и Сl^—.

В этом случае каждый ион кальция имеет положительный заряд, соответствующий двум протонам. Следовательно, заряд иона кальция вдвое больше положительного заряда иона натрия.

Хлор-ион, образующийся при растворении в воде хлористого кальция, ничем не отличается от отрицательного хлор-иона, образующегося при растворении в воде хлористого натрия.

Поскольку СаСl₂ (тв) и NaCl (тв) растворяются в воде с образованием в растворе ионов, они считаются подобными.

Электропроводность нитрата серебра

Нитрат серебра AgNO₃— третье твердое вещество, которое растворяется в воде с образованием раствора, проводящего ток.

Процесс растворения можно записать следующим образом:

AgNO₃ (тв) → Ag⁺ (водн) + NO₃^— (водн) (3)

В этом случае образуются ионы серебра, находящийся в водном растворе, представляет собой атом серебра с положительным зарядом, соответствующим протону.

Этот ион несет такой же заряд, что и ион натрия в растворе. Нитрат-ион обладает отрицательным зарядом, равным заряду электрона,— таким же, как и хлор-ион.

Однако в случае нитрат-иона отрицательный заряд переносится четырьмя атомами — атомом азота и тремя атомами кислорода.

Поскольку группа NO₃ устойчива и вступает в реакции как единое целое, мы даем ей определенное название — нитрат-ион.

Эти три твердых вещества — хлористый натрий, хлористый кальций и нитрат серебра — обладают сходными свойствами, поэтому их объединяют в одну группу.

Все они растворяются в воде с образованием ионов и растворов, проводящих электрический ток. Такие вещества называются ионными.

Легкость, с которой водный раствор соли проводит электрический ток, определяется количеством растворенной соли, а также самим фактом образования ионов.

Раствор с концентрацией 0,1 М обладает значительно большей электропроводностью, чем раствор с концентрацией 0,01 М.

Таким образом, электропроводность определяется как концентрацией ионов, так и самим фактом их существования.

Электропроводность хлористого серебра

Хлористое серебро — твердое вещество, которое также проявляет свойство. Хлористое серебро плохо растворяется в воде.

При внесение в воду растворяется очень небольшое его количество и наблюдается незначительное увеличение электропроводности.

Однако увеличение электропроводности таково, что поддается измерению; значит, в этом растворе образуются ионы.

Как показывают точные измерения, даже несмотря на то, что хлористое серебро гораздо менее растворимое воде, чем хлористый натрий.

Оно подобно хлористому натрию тем, что все количество хлористого серебра, перешедшего в раствор, образует ионы.

Растворение происходит в соответствии с уравнением:

AgCl (тв) → Ag⁺ (водн) + CI^— (водн) (4)

Хлористое серебро, как и хлористый натрий, — ионное вещество.

Реакции осаждения в водных растворах

В то время как нитрат серебра и хлористый натрий хорошо растворимы в воде, хлористое серебро растворяется в воде очень слабо.

Что же произойдет, если смешать растворы нитрата серебра и хлористого натрия? Мы уже знаем, что хлористое серебро незначительно растворяется в воде, образуя ионы Ag+ и Сl^—.

Однако в нашем растворе эти ионы присутствуют в очень высоких концентрациях.

Концентрации ионов Ag⁺ и Сl^— намного превышают концентрации этих ионов, образующихся при растворении хлористого серебра. В результате из раствора выпадает осадок хлористого серебра.

Такой процесс называется осаждением:

Ag+ (водн) + Сl^— (водн) → AgCl (тв) (5)

Это уравнение показывает превращение, которое происходит при смешивание растворов нитрата серебра и хлористого натрия. Более полное уравнение имеет следующий вид:

Ag⁺ (водн) + NO₃^— (водн) + Na⁺ (водн) + Cl^— (водн) → AgCl(тв) + NO₃^— (водн) + Na⁺ (водн).

Однако ионы NO₃^— и Na⁺ не участвуют в реакции и не влияют на ее ход. Поэтому они не включены в уравнение реакции.

В уравнении химической реакции должны быть указаны только те вещества, которые принимают участие в этой реакции.

Такие вещества называются реагирующими веществами или реагентами.

Уравнения реакций (1)—(5) включают заряженные частицу — ионы.

При составлении уравнений химических реакций мы имели дело с реакциями, в которых принимали участие электрически нейтральные частицы.

Тогда мы руководствовались правилом, что атомы сохраняются в ходе химической реакции. Этот же принцип применим и к реакциям, включающим ионы.

Однако необходимо также соблюдать и баланс зарядов. При химических реакциях электрические заряды не возникают и не исчезают.

Следовательно, сумма электрических зарядов реагирующих веществ должна быть равна сумме электрических зарядов продуктов реакции.

В реакция (2) хлористый кальций растворяется, образуя ионы Са²⁺ и Cl^—.

Как показывает сбалансированное уравнение реакции, при растворении нейтрального твердого вещества СаСl₂ на каждый ион кальция Са²⁺ приходится два иона Сl^—.

В сбалансированном уравнении химической реакции заряд сохраняется.

Электропроводность твердых веществ

Одни твердые вещества растворяются в воде, образуя растворы, проводящие электрический ток (например, хлористый натрий), другие растворяются в воде, но образующийся раствор не проводит ток (например, сахар).

Некоторые твердые вещества растворяются в этиловом спирте, но нерастворимы в воде (например, иод). Твердые вещества различаются также по внешнему виду.

Мало общего между прозрачным куском стекла и блестящим куском алюминиевой фольги или между куском угля и прозрачным кристаллом хлористого натрия.

Огромное разнообразие твердых веществ привело к необходимости их классификации.

Высокая электропроводность таких веществ, как медь или серебро, известна всем.

Измерения электропроводности многих других твердых веществ показывают, что все вещества, которые проводят электрический так же хорошо, как медь и серебро, напоминают их и но внешнему виду.

Почти все эти хорошие проводники — металлы.

Наиболее характерным свойством металла является высокая электропроводность.

Изучая твердые вещества, не имеющие характерного металлического блеска, мы замечаем, что их электропроводность очень низкая.

К ним относятся вещества, которые мы называем ионными,— хлористый натрий, хлористый кальций, нитрат серебра и хлористое серебро, а также молекулярные кристаллы, например лед.

Лед, изображенный на рис., состоит из тех же молекул, которые существуют в газовой фазе, но упорядочение расположенных в кристаллической решетке.

Эти плохие проводники электрического тока сильно отличаются от металлов почти по всем свойствам.

Таким образом, электропроводность может быть использована для классификации веществ, которая является одной из наиболее обоснованных.

Твердые ионные вещества

Хлористый натрий и медь имеют очень высокие температуры плавления и температуры кипения.

У этих твердых веществ мало других общих свойств. Хлористый натрий не обладает свойствами, характерными для металла.

Он ив имеет блеска, образует прозрачные кристаллы. Хлористый натрий не проводит электрический ток и плохо проводит тепло.

Силы, удерживающие ионы в кристалле, отличаются от сил, действующих в металле.

Кристалл хлористого натрия состоит из равного числа атомов натрия и хлора, но они не объединены в молекулы.

На основании многочисленных экспериментальных данных химики пришли к выводу, что кристаллы хлористого натрия построены из ионов натрия Na⁺ и ионов хлора Сl^—, а не из нейтральных атомов или молекул.

Числа ионов Na⁺ и Сl^—должны быть равны, так как кристалл в целом электрически нейтрален. Между противоположно заряженными частицами существует электростатическое притяжение.

Это притяжение между положительными и отрицательными ионами обусловливает образование ионного твердого вещества.

Чтобы представить состав такого вещества, рассмотрим формулу NaCl. Разумеется, эта формула не указывает на присутствие в кристалле молекул NaCl, это не молекулярная формула.

Поскольку формула NaCl показывает только состав, она называется эмпирической формулой.

На рис. изображено расположение ионов в кристалле хлористого натрия. Ионы располагаются слоями.

Слой внутри кристалла имеет такой же слой перед собой и такой же слой позади. Эти слои расположены так, что перед каждым ионом Na⁺ и за ним расположены ионы Сl^—.

Таким образом, каждый ион окружен шестью ионами противоположного знака.

Это расположение ионов мы называем решеткой хлористого натрия.

Вследствие близкого расположения противоположно заряженные ионы в этой решетке взаимно притягиваются, поэтому решетка весьма устойчива и кристалл обладает высокой температурой плавления.

Расплав ионного твердого вещества, подобного хлористому натрию, проводит электрический ток.

Природа электропроводности расплава та же, что и природа электропроводности водного раствора соли:

в расплаве присутствуют ионы Na⁺ и Сl^—.

Очень высокая температура плавления (808° С) свидетельствует о том, что на разрушение упорядоченной кристаллической решетки NaCl с освобождением образующих ее ионов необходимо затратить значительное количество энергии.

В отличие от этого хлористый натрий хорошо растворяется в воде при комнатной температуре, причем при растворении выделяется лишь небольшое количество тепла.

Это значит, что вода сильно взаимодействует с ионами — настолько сильно, что гидратированные ионы почти так же устойчивы, как ионы в кристалле.

Поэтому при растворении некоторых молекулярных кристаллов образуются растворы, проводящие ток.

Например, хлористый водород в твердом состоянии НСl (тв) представляет собой молекулярные кристаллы, сходные с кристаллами льда.

Кристалл состоит из молекул НСl, а не из ионов, как кристалл ионного вещества — хлористого натрия. Тем не менее твердый хлористый водород растворяется в воде, образуя проводящий раствор, в котором содержатся ионы Н⁺ и ионы Сl^—.

Следовательно, проводимость водного раствора нельзя с уверенностью объяснить тем, что растворенное вещество в твердом состоянии обладало ионными связями.

Можно утверждать лишь обратное:

При растворении в воде ионного твердого вещества получается раствор, проводящий электрический ток.

Быстрые ответы?