Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki
bg‑azure

Rozpad na jony

Pamiętasz, że woda jest dipolemdipoldipolem, dlatego posiada zdolność do oddziaływania na substancje o wiązaniach jonowych, co z kolei powoduje ich rozpad na jony. Proces ten nazwany został przez Arrheniusa (czyt. arenjusa) dysocjacją elektrolitycznądysocjacja elektrolitycznadysocjacją elektrolityczną (lub dysocjacją jonową), a związki, które ulegają temu procesowi, są nazywane elektrolitami. Elektrolity, rozpuszczając się w wodzie, dysocjują na jony, a tak powstałe roztwory przewodzą prąd elektryczny. Elektrolity również po stopieniu stają się cieczami zdolnymi do przewodzenia prądu. Przyjęto, że w równaniach dysocjacji jonowej mocnych elektrolitówmocny elektrolitmocnych elektrolitów strzałkę piszemy w jedną stronę. Natomiast w przypadku słabych elektrolitówsłaby elektrolitsłabych elektrolitów zapisujemy dwie strzałki, skierowane w przeciwne strony.

Substancje o wiązaniach jonowych można podzielić na kilka grup, w zależności od budowy chemicznej.

R1NXmXmHmgR1K1
Mapa myśli. Lista elementów:
  • Nazwa kategorii: związki o budowie jonowej
    • Elementy należące do kategorii związki o budowie jonowej
    • Nazwa kategorii: sole jonowe
    • Nazwa kategorii: wodorotlenki
    • Nazwa kategorii: tlenki metali
    • Nazwa kategorii: wodorki (litowców[br]i berylowców[br]z wyjątkiem[br]berylu i magnezu)
    • Nazwa kategorii: azotki[br](litowców i berylowców)
    • Nazwa kategorii: węgliki metali[br]grup 1, 2 oraz 13
    • Nazwa kategorii: nadtlenki [br]i ponadtlenki [br] niektórych metali[br] (np. potasu)
    • Koniec elementów należących do kategorii związki o budowie jonowej
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
bg‑azure

Czy wszystkie spośród wymienionych związków dysocjują w wodzie?

Co istotne, wśród wymienionych grup związków, dysocjacji elektrolitycznej ulegają jedynie sole jonowewodorotlenki rozpuszczalne w wodzie. Pozostałe związki nie dysocjują w wodzie, a z nią reagują.

Przykładem są wodorki metali pierwszej i drugiej grupy układu okresowego, które reagują z wodą gwałtownie z wydzieleniem wodoru.

CaH2+2 H2OCaOH2+2 H2

Azotki litowców i berylowców reagują z wodą z wydzieleniem amoniaku, np:

2 Li3N+6 H2O6 LiOH+2 NH3

Z kolei węgliki metali grup pierwszej, drugiej oraz grupy trzynastej, tworzą z wodą związki organiczne. Przykładem jest reakcja węgliku wapnia z wodą, w wyniku której powstaje, oprócz wodorotlenku wapnia, także etyn (acetylen).

CaC2+2 H2OCaOH2+C2H2

Dysocjacja związków jonowych zachodzi, gdy cząsteczki wody „rozbijają” kryształ jonowy. Dzieje się tak ze względu na silne przyciąganie między odpowiednimi biegunami cząsteczek wody, a dodatnimi i ujemnymi jonami w krysztale. Następnie cząsteczki wody otaczają kationy i aniony, co określane jest mianem hydratacjihydratacjahydratacji. Podczas gdy w krysztale jony zajmowały ściśle określone miejsce, w roztworze mogą się swobodnie poruszać, przez co znajdują się w bardziej nieuporządkowanym stanie.

Poniżej opisano sposób dysocjacji elektrolitycznej soli oraz wodorotlenków.

bg‑azure

Dysocjacja soli

Sole rozpuszczalne w wodzie dysocjują całkowicie na kation metalu (lub inny, np. kation amonu NH4+) i anion reszty kwasowej. Zaliczane są do mocnych elektrolitówmocny elektrolitmocnych elektrolitów, a proces ich dysocjacji można zapisać schematycznie:

MemRnH2Om Men++n Rm-

gdzie:

  • Men+ – kation metalu, kation amonu (NH4+) lub kation organiczny;

  • R – reszta kwasowa;

  • m – wartościowość reszty kwasowej;

  • n – wartościowość Me.

Przykład 1

Sole prostesole proste (sole obojętne)Sole proste (sole obojętne) dysocjują jednostopniowo (w roztworach nie wykryto pośrednich produktów dysocjacji elektrolitycznej):

R4M9fC0yM5bWm
KClsH2O Możliwe odpowiedzi: 1. Kaq++NO3aq-, 2. Cuaq2++SO4aq2-, 3. Kaq++Claq-, 4. Naaq++Claq- NaClsH2O Możliwe odpowiedzi: 1. Kaq++NO3aq-, 2. Cuaq2++SO4aq2-, 3. Kaq++Claq-, 4. Naaq++Claq- KNO3sH2O Możliwe odpowiedzi: 1. Kaq++NO3aq-, 2. Cuaq2++SO4aq2-, 3. Kaq++Claq-, 4. Naaq++Claq- CuSO4sH2O Możliwe odpowiedzi: 1. Kaq++NO3aq-, 2. Cuaq2++SO4aq2-, 3. Kaq++Claq-, 4. Naaq++Claq-

Na przykład chlorek potasu (KCl) dysocjuje na kationy sodu i aniony chlorkowe. W indeksie dolnym często zapisuje się skrót (aq), który oznacza hydratację jonów.

Przykład 2

Sól podczas dysocjacji elektrolitycznej rozpada się na aniony i kationy. W wyniku dysocjacji elektrolitycznej jednego mola chlorku wapnia powstaje jeden mol kationów wapnia i dwa mole anionów chlorkowych.

CaCl2schlorek wapniaH2OCa2+aqkation wapnia+2 Cl-aqanion chlorkowy

Bilans ładunków po stronie substratów i produktów:

0=+2+2·-1

W chlorku wapnia, na jeden mol kationów wapnia przypadają dwa mole anionów chlorkowych. W takim przypadku, w zapisie równań procesów dysocjacji elektrolitycznej, należy pamiętać o zasadzie zachowania ładunku. Oznacza to, że suma ładunków po stronie substratów musi być równa sumie ładunków po stronie produktów.

Bilans ładunków po stronie substratów:

Po stronie substratów ładunek wynosi 0.

Bilans ładunków po stronie produktów:

Po stronie produktów mamy jeden mol dwudodatnich kationów wapnia +2 i dwa mole jednoujemnych anionów chlorkowych 2·-1=-2.

Bilans ładunków po stronie produktów wynosi zatem 0.

Przykład 3

Wśród soli szczególne miejsce zajmują wodorosole oraz hydroksosole, które, w przeciwieństwie do soli prostych, dysocjują wieloetapowo. Przyjrzymy się dysocjacji soli – diwodoroortofosforanu(V) sodu.

I etap dysocjacji wodorosoli:

NaH2PO4H2ONa++H2PO4-

II etap dysocjacji wodorosoli:

H2PO4-+H2O HPO42-+H3O+

III etap dysocjacji wodorosoli:

HPO42-+H2OPO43-+H3O+

Odszczepienie jonów wodoru od jonu diwodoroortofosforanowego(V) (H2PO4) i jonu wodoroortofosforanowego(V) (HPO42-) zachodzi tylko w pewnym stopniu (symbol dwóch strzałek), ponieważ atomy wodoru łączą się z atomami tlenu wiązaniem kowalencyjnym, a nie wiązaniem jonowym.

bg‑azure

Dysocjacja wodorotlenków

Wśród elektrolitówelektrolitelektrolitów możemy wyróżnić także wodorotlenki. Podczas rozpuszczania w wodzie, związki te dysocjują na aniony wodorotlenkowe OH- i kationy metali. Dysocjację elektrolityczną wodorotlenków przedstawia się równaniem:

MemOHmH2OMem++m OH-

gdzie:

  • Me – symbol metalu;

  • m – wartościowość metalu równa liczbie anionów wodorotlenkowych.

Przykład 4

Dysocjacji w wodzie ulegają wodorotlenki metali aktywnych, np. KOH. Dla tego związku dysocjację zapisujemy zgodnie z równaniem:

KOH(s)wodorotlenek potasu  H2O K(aq)+kation potasu + OH(aq)-jon wodorotlenkowy

Podobnie jak w przypadku soli jonowych, powstałe jony są hydratowane przez cząsteczki wody, co przedstawiono na poniższej ilustracji. Całkowita dysocjacja oznacza, że mamy do czynienia z elektrolitem mocnymmocny elektrolitelektrolitem mocnym.

RzoWYRzuzq6HJ
Dysocjacja elektrolityczna wodorotlenku potasu. Każdy z powstałych w procesie dysocjacji elektrolitycznej jonów jest otoczony przez sześć cząsteczek wody. Aby nie zaciemniać obrazu, cząsteczki wody zostały przedstawione w płaszczyźnie. Należy jednak pamiętać, że w rzeczywistości cząsteczki wody układają się przestrzennie.
Źródło: GroMar Sp. z o.o. na podstawie epodreczniki.pl, dostępny w internecie: https://epodreczniki.pl/a/electrolytic-dissociation-of-hydroxides/D3vZcWAL0, licencja: CC BY-SA 3.0.
Przykład 5

Niektóre wodorotlenki ulegają dysocjacji elektrolitycznej w kilku etapach. Przykładem jest wodorotlenek wapnia, który dysocjuje dwuetapowo:

R1AhcXnFwX0fF
CaOH2sH2O

I etap dysocjacji
Możliwe odpowiedzi: 1. Ca2+aq+2 OH-aq

zapis sumaryczny
, 2. CaOH+aq+OH-aq

I etap dysocjacji
, 3. Ca2+aq+OH-aq

II etap dysocjacji CaOH+aqH2O

II etap dysocjacji
Możliwe odpowiedzi: 1. Ca2+aq+2 OH-aq

zapis sumaryczny
, 2. CaOH+aq+OH-aq

I etap dysocjacji
, 3. Ca2+aq+OH-aq

II etap dysocjacji CaOH2sH2O

zapis sumaryczny
Możliwe odpowiedzi: 1. Ca2+aq+2 OH-aq

zapis sumaryczny
, 2. CaOH+aq+OH-aq

I etap dysocjacji
, 3. Ca2+aq+OH-aq

II etap dysocjacji
Ważne!

Wodorotlenki metali pierwszej i drugiej grupy układu okresowego (z wyjątkiem wodorotlenku berylu) są zaliczane do mocnych elektrolitówmocny elektrolitmocnych elektrolitów, a ich roztwory wodne nazywane są zasadami. Ulegają one praktycznie całkowitej dysocjacji w wodzie. Oczywiście ich rozpuszczalność w wodzie jest różna, np. wodorotlenek magnezu i wodorotlenek wapnia rozpuszczają się w wodzie słabo, niemniej całość rozpuszczonego ciała stałego ulega dysocjacji na jony. Chociaż wszystkie te wodorotlenki zaliczamy do mocnych, to również w tej grupie możemy wyznaczyć pewne tendencje. Najmocniejsze są bowiem te wodorotlenki, które są zbudowane z jonów metali o najmniejszej elektroujemności. Moc wodorotlenków metali pierwszej i drugiej grupy układu okresowego zmienia się zgodnie ze schematem:

R6IIoVqQRIccy
Źródło: GroMar Sp. z o.o., ilustracja na podstawie: Litwin M., Styka-Wlazło Sz., Szymońska J., To jest Chemia 1, Warszawa 2013., licencja: CC BY-SA 3.0.

Co ważne, o mocy wodorotlenku decyduje różnica elektroujemności pomiędzy metalem a tlenem. Im ta różnica jest większa, tym słabsze wiązanie występuje pomiędzy anionem OH- a kationem metalu. Im słabsze wiązanie, tym łatwiejszy rozpad na jony. Zatem dysocjacja elektrolityczna zachodzi w większym stopniu.

Podsumowując, wodorotlenki metali 1.2. grupy to mocne wodorotlenki, dlatego w zapisie ich dysocjacji stosujemy zawsze strzałkę w jedną stronę. Najmocniejszym z tych wodorotlenków, jak możesz wywnioskować ze schematu, jest wodorotlenek cezu.

Z uwagi na dużo mniejszą różnicę elektroujemności pomiędzy metalem a tlenem dla wodorotlenków metali grup od 3. do 13., wodorotlenki te zaliczamy do słabych wodorotlenków. Co ważne, większość z nich jest również słabo rozpuszczalna w wodzie. Wszystko to sprawia, że wodorotlenki te są słabymi elektrolitamisłaby elektrolitsłabymi elektrolitami. Przykładem słabego elektrolitu jest np. wodorotlenek żelaza(II).

bg‑gray1 1

Rozpuszczalność wodorotlenków i soli można odczytać z tablicy rozpuszczalności, w której znajdują się dane obrazujące charakter rozpuszczalności powstającego związku (osadu) w wodzie. Jeśli powstająca substancja jest:

  • (R) rozpuszczalna – jej rozpuszczalność w wodzie jest większa niż 1 gram na 100 gramów wody, co jest równoznaczne z tym, że substancja ta występuje w roztworze w postaci jonów;

  • (T) trudno rozpuszczalna – strąca się w postaci osadu przy odpowiednim stężeniu roztworów (zazwyczaj z roztworów stężonych); jej rozpuszczalność w wodzie mieści się w granicach od 0,1 do 1 grama na 100 gramów wody;

  • (N) nierozpuszczalna – strąca się w postaci osadu z roztworów rozcieńczonych; jej rozpuszczalność w wodzie leży powyżej 0,1 grama na 100 gramów wody.

Indeks dolny Źródło: wikipedia.org, data dostępu: 16.03.2020 r. Indeks dolny koniec

RfmzOsqFaEhe61
Rozpuszczalność soli i wodorotlenków w wodzie w temperaturze <math aria‑label="dwudziestu pięciu stopni Celsjusza">25°C
Źródło: GroMar Sp. z o.o., rozpuszczalność na podstawie: Mizerski W., Tablice chemiczne, Warszawa 2004; kolory osadów na podstawie: White W. E., A Table of solubilities and colors of precipitates for use in a course in qualitative analysis, „J. Chem. Educ.” 1931., licencja: CC BY-SA 3.0.
  • Rozpuszczanie związku jonowego jest ułatwione przez przyciąganie między jonami związku a cząsteczkami wody.

  • Gdy substancje jonowe dysocjują całkowicie lub prawie całkowicie, mówimy, że są mocnymi elektrolitamimocny elektrolitmocnymi elektrolitami. Podczas niecałkowitej dysocjacji mamy do czynienia ze słabymi elektrolitamisłaby elektrolitsłabymi elektrolitami.

  • Im więcej jonów w roztworze po rozpuszczeniu substancji, tym silniejszy elektrolit.

  • Solewodorotlenki, które są rozpuszczalne w wodzie, w roztworze występują w postaci jonów.

  • Podczas pisania równań dysocjacji elektrolitycznej związków jonowych należy pamiętać o zasadzie zachowania ładunku.

Słownik

dysocjacja elektrolityczna
dysocjacja elektrolityczna

(łac. dissociatio „rozdzielenie”) samorzutny proces rozpadu związków chemicznych będących elektrolitami (kwasów, wodorotlenków, soli) w roztworach, na dodatnio i ujemnie naładowane cząstki, tj. jony pod wpływem działania rozpuszczalnika

dipol
dipol

cząsteczka polarna, w której można wyróżnić biegun ujemny i biegun dodatni

elektrolit
elektrolit

(gr. ḗlektron „bursztyn”, lytós „rozpuszczalny”) związek chemiczny, który ulega procesowi rozpadu na jony pod wpływem wody i jest zdolny do przewodzenia prądu elektrycznego; gdy jest całkowicie zdysocjowany, mówimy o elektrolicie mocnym

hydratacja
hydratacja

inaczej: uwodnienie – proces, podczas którego, na skutek oddziaływań międzycząsteczkowych lub w wyniku tworzenia wiązań chemicznych, cząsteczki wody otaczają i przyłączają się do cząsteczek innych substancji lub jonów

mocny elektrolit
mocny elektrolit

substancja, która całkowicie dysocjuje po rozpuszczeniu w wodzie

słaby elektrolit
słaby elektrolit

substancja, która dysocjuje tylko częściowo po rozpuszczeniu w wodzie

sole proste (sole obojętne)
sole proste (sole obojętne)

zawierają jeden rodzaj kationu i jeden rodzaj anionu

Bibliografia

Douglas W., Skoog A., West D. M., Holler J. F., Crouch S. R., Podstawy chemii analitycznej, Warszawa 2006, t. 1, s. 232.

Encyklopedia PWN

Hejwowska S., Marcinkowski R., Staluszka J., Chemia 3. Równowagi i procesy jonowe, Gdynia 2006.

Litwin M., Styka‑Wlazło Sz., Szymońska J., To jest chemia 1, Warszawa 2013.