Дисоціація солей, кислот і лугів. Теорія і практичне застосування

Для фізичної хімії та біохімії характерний загальний процес, в якому частинки речовини - молекули, іони (позитивно заряджені частинки, звані катіонами і негативно заряджені частинки, які називаються аніонами), радикали розпадаються на більш прості частинки. Цей процес називають дисоціацією, що в перекладі з латинської «dissociation» означає «роз`єднання». Він характеризується таким показником, як «ступінь дисоціації», що показує відношення кількості дисоційованому частинок до загального числа частинок до розпаду, тобто частку частинок, які розпалися. Процес розпаду частинок може протікати в результаті певних впливів на речовина, характер цих впливів визначає тип дисоціації. Розрізняють термічну дисоціацію, фотодисоціація, дисоціацію під впливом іонізуючого випромінювання, електролітичну дисоціацію. Дисоціація є протилежністю асоціації та рекомбінації. Цей процес часто плутають з іонізацією.

Електролітична дисоціація є різновидом дисоціації, протікає під впливом полярних молекул розчинника і носить хімічний характер. Речовини, які в розчиннику здатні диссоциировать на іони і проводити електричний струм, називаються електролітами (кислоти, солі, підстави). Речовини, які при розчиненні не розпадаються на іони (спирти, ефіри, вуглеводи та інше) не є електролітами. Найважливіший розчинник електролітів - вода. Сама вода характеризується як слабкий електроліт. Полярні розчинники (наприклад, етанол, аміак і оцтова кислота) також здатні розчиняти електроліти. Дисоціація кислот, лугів, як і дисоціація солей, протікають у водних розчинах. Солі - це клас хімічних сполук, молекули яких складаються з позитивно заряджених частинок (катіонів металів) і негативно заряджених частинок (аніонів кислотних залишків). Кислі солі, на відміну від звичайних солей, складаються з двох типів катіонів (метал і водень) і аніону кислотного залишку. При розчиненні у воді молекули солі розпадаються на іони. Сіль можна відновити, випарувати воду.

Розрізняють сильні і слабкі електроліти. У класичній теорії електролітичноїдисоціації цей процес визнано вважати оборотним, проте це твердження відноситься тільки до слабким електролітів в розведених розчинах. Електролітична дисоціація кислот, основ, солей є незворотнім процесом, так як солі (практично всі, окрім деяких комплексних), кислоти та основи (ті, що утворені лужними і лужноземельними металами) є сильними електролітами, і в слабких розчинах їх молекули повністю (на 100 %) диссоциируют на іони. Сильні електроліти: NaCl (хлорид натрію), HNO3 (Азотна кислота), HClO3 (Хлоратна кислота), CaCl2 (хлорид кальцію), NaOH (гідроксид натрію). Слабкі електроліти: NH4OH (гідроксид амонію), H2CO3 (вугільна кислота), CH3COOH (оцтова кислота) і більшість органічних кислот і підстав. Вони при розчиненні у воді здатні диссоциировать частково (зазвичай ця величина лежить в межах від 1 до 10%).

Тому справедливе твердження, що в розчині сильних електролітів містяться тільки іони, а в розчині слабких електролітів, в основному, нераспавшіхся молекули речовини. Дисоціація солей призводить до того, що в розчині містяться тільки іони металу і кислотного залишку (наприклад, катіон натрію Na + і аніон хлору Cl-), а нераспавшіхся молекул (NaCl) солі немає. Дисоціація кислих солей призводить до утворення в розчині катіона металу, катіона водню і аніону кислотного залишку. Наприклад, кисла сіль NaHCO3 (гідрокарбонат натрію) дисоціює на катіон натрію (Na +), катіон водню (Н) і аніон кислотного залишку вугільної кислоти (СО3-).

Якщо розчин (розплав) електроліту помістити в електролізер (посудину з катодом і анодом), то при подачі напруги почнеться спрямований рух заряджених частинок до електродів з протилежним зарядом: позитивні катіони - до негативно зарядженого катода, а негативні аніони - до позитивно зарядженого анода. Ця властивість електролітів, зокрема, дисоціація солей, застосовується широко в техніці. Методом електролізу здійснюється промислове виробництво алюмінію, міді (методом електролітичного рафінування). Електроліз дозволяє отримувати найчистіші речовини, такий ступеня чистоти неможливо домогтися іншими методами (ректифікацією, кристалізацією та іншими). За допомогою електролізу метали, витягнуті з руд, очищаються, так як на катоді осідає тільки катіон металу, а домішки залишаються в розчині або розплаві. Таке явище, як дисоціація солей лежить в основі отримання чистого водню і чистого хлору. У воді хлористий натрій розпадається на іони: катіон натрію і аніон хлору. На аноді буде виділятися найчистіший хлор, на катоді - побічний продукт водень, а в розчині буде утворюватися ще один важливий побічний продукт - гідроксид натрію.