Диссоциация солей, кислот и щелочей. Теория и практическое применение

Для физической химии и биохимии характерен общий процесс, в котором частицы вещества — молекулы, ионы (положительно заряженные частицы, называемые катионами и отрицательно заряженные частицы, которые называются анионами), радикалы распадаются на более простые частицы. Этот процесс называют диссоциацией, что в переводе с латинского «dissociation» означает «разъединение». Он характеризуется таким показателем, как «степень диссоциации», показывающим отношение количества диссоциированных частиц к общему числу частиц до распада, то есть долю частиц, которые распались. Процесс распада частиц может протекать в результате определенных воздействий на вещество, характер этих воздействий определяет тип диссоциации. Различают термическую диссоциацию, фотодиссоциацию, диссоциацию под воздействием ионизирующего излучения, электролитическую диссоциацию. Диссоциация является противоположностью ассоциации и рекомбинации. Этот процесс часто путают с ионизацией.

Электролитическая диссоциация является разновидностью диссоциации, протекает под воздействием полярных молекул растворителя и носит химический характер. Вещества, которые в растворителе способны диссоциировать на ионы и проводить электрический ток, называются электролитами (кислоты, соли, основания). Вещества, которые при растворении не распадаются на ионы (спирты, эфиры, углеводы и прочее) не являются электролитами. Самый важный растворитель электролитов — вода. Сама вода характеризуется как слабый электролит. Полярные растворители (например, этанол, аммиак и уксусная кислота) также способны растворять электролиты. Диссоциация кислот, щелочей, как и диссоциация солей, протекают в водных растворах. Соли — это класс химических соединений, молекулы которых состоят из положительно заряженных частиц (катионов металлов) и отрицательно заряженных частиц (анионов кислотных остатков). Кислые соли, в отличие от обычных солей, состоят из двух типов катионов (металл и водород) и аниона кислотного остатка. При растворении в воде молекулы соли распадаются на ионы. Соль можно восстановить, выпарив воду.

Различают сильные и слабые электролиты. В классической теории электролитической диссоциации этот процесс признано считать обратимым, однако это утверждение относится только к слабым электролитам в разбавленных растворах. Электролитическая диссоциация кислот, оснований, солей является необратимым процессом, так как соли (практически все, кроме некоторых комплексных), кислоты и основания (те, что образованы щелочными и щелочноземельными металлами) являются сильными электролитами, и в слабых растворах их молекулы полностью (на 100 %) диссоциируют на ионы. Сильные электролиты: NaCl (хлорид натрия), HNO3 (азотная кислота), HClO3 (хлорноватая кислота), CaCl2 (хлорид кальция), NaOH (гидроксид натрия). Слабые электролиты: NH4OH (гидроксид аммония), H2CO3 (угольная кислота), CH3COOH (уксусная кислота) и большинство органических кислот и оснований. Они при растворении в воде способны диссоциировать частично (обычно эта величина лежит в пределах от 1 до 10 %).

Поэтому справедливо утверждение, что в растворе сильных электролитов содержатся только ионы, а в растворе слабых электролитов, в основном, нераспавшиеся молекулы вещества. Диссоциация солей приводит к тому, что в растворе содержатся только ионы металла и кислотного остатка (например, катион натрия Na+ и анион хлора Cl-), а нераспавшихся молекул (NaCl) соли нет. Диссоциация кислых солей приводит к образованию в растворе катиона металла, катиона водорода и аниона кислотного остатка. Например, кислая соль NaHCO3 (гидрокарбонат натрия) диссоциирует на катион натрия (Na+), катион водорода (Н-) и анион кислотного остатка угольной кислоты (СО3-).

Если раствор (расплав) электролита поместить в электролизер (сосуд с катодом и анодом), то при подаче напряжения начнется направленное движение заряженных частиц к электродам с противоположным зарядом: положительные катионы — к отрицательно заряженному катоду, а отрицательные анионы — к положительно заряженному аноду. Это свойство электролитов, в частности, диссоциация солей, применяется широко в технике. Методом электролиза осуществляется промышленное производство алюминия, меди (методом электролитического рафинирования). Электролиз позволяет получать самые чистые вещества, такой степени чистоты невозможно добиться другими методами (ректификацией, кристаллизацией и прочими). С помощью электролиза металлы, извлеченные из руд, очищаются, так как на катоде осаждается только катион металла, а примеси остаются в растворе или расплаве. Такое явление, как диссоциация солей лежит в основе получения чистого водорода и чистого хлора. В воде хлористый натрий распадается на ионы: катион натрия и анион хлора. На аноде будет выделяться чистейший хлор, на катоде — побочный продукт водород, а в растворе будет образовываться еще один важный побочный продукт — гидроксид натрия.