Електролітична дисоціація кислот, основ і солей

Усі речовини можна поділити на дві великі групи за здатністю їхніх розчинів або розплавів проводити електричний струм. Ця властивість визначається тим, чи є в розчині вільні заряджені частинки — йони.

Що таке електроліти й неелектроліти

Електроліти — це речовини, розчини або розплави яких проводять електричний струм. До них належать кислоти (HCl, H₂SO₄), луги (NaOH, KOH) і солі (NaCl, KNO₃). Неелектроліти — це речовини, розчини яких не проводять електричний струм. Типові приклади: цукор (сахароза C₁₂H₂₂O₁₁), глюкоза C₆H₁₂O₆, етанол C₂H₅OH, гліцерол C₃H₅(OH)₃, кисень O₂, азот N₂.

Як це перевірити на досліді

Уяви простий прилад: джерело струму, два електроди, з'єднані з лампочкою й занурені в розчин. Якщо занурити електроди в розчин кухонної солі NaCl, лампочка світитиме яскраво — розчин проводить струм. Якщо занурити в розчин цукру, лампочка не світитиме — струму немає. У дистильованій воді лампочка практично не світить, бо вода — дуже слабкий електроліт.

Чому одні речовини проводять струм, а інші — ні

Відповідь криється в будові речовини. Розчинні йонні сполуки, як-от NaCl або NaOH, уже складаються з йонів. У кристалічному стані ці йони закріплені у вузлах кристалічної ґратки й не можуть рухатися. Але коли така сполука потрапляє у воду, молекули води відривають йони один від одного, і вони стають вільними та рухливими — саме вони переносять електричний струм.

Молекулярні речовини з ковалентними зв'язками, як-от HCl, теж можуть бути електролітами, якщо під дією води їхні молекули розпадаються на йони. Однак самої полярності зв'язку недостатньо: сахароза й етанол мають полярні зв'язки, але у воді лишаються переважно молекулами, тому струму не проводять.

Важливі нюанси

• Кристал NaCl не проводить струм, бо йони закріплені у вузлах ґратки. Але розплав NaCl і розчин NaCl — проводять, бо йони стають рухливими.

• Газоподібний хлороводень HCl і рідкий HCl (без води) не проводять струм. Лише коли HCl розчиняється у воді, утворюється хлоридна кислота, яка проводить струм — йони H⁺ і Cl⁻ виникають унаслідок взаємодії з водою.

Чому ж суха кухонна сіль не проводить струм, а її водний розчин — проводить? Відповідь дає теорія електролітичної дисоціації, яку 1887 року запропонував шведський учений Сванте Арреніус.

Електролітична дисоціація — що це?

Електролітична дисоціація — це розпад електроліту на йони під дією полярних молекул води або під час плавлення. У випадку йонних сполук (NaCl, NaOH) молекули води «відривають» йони від кристалічної ґратки. У випадку молекулярних сполук із ковалентним полярним зв'язком (HCl) вода спричиняє розпад молекули на йони.

Механізм дисоціації на прикладі NaCl

Молекула води — диполь: на атомі Оксигену зосереджений частковий негативний заряд (δ⁻), а на двох атомах Гідрогену — частковий позитивний (δ⁺). Коли кристал NaCl потрапляє у воду, диполі води орієнтуються навколо йонів: до катіона Na⁺ вони повертаються атомами Оксигену (δ⁻), а до аніона Cl⁻ — атомами Гідрогену (δ⁺). Взаємодія диполів з йонами послаблює зв'язки між ними, і йони відриваються від кристала, переходять у розчин. У розчині кожен йон оточений молекулами води — такий стан називають гідратацією йонів.

Дисоціація молекулярних сполук: HCl

Молекула HCl має ковалентний полярний зв'язок. У воді диполі H₂O орієнтуються навколо молекули HCl, послаблюють зв'язок H—Cl і розривають його. Утворюються гідратовані йони H⁺ (точніше, H₃O⁺ — йон гідроксонію) та Cl⁻. У рівняннях для спрощення пишуть H⁺, пам'ятаючи, що насправді це H₃O⁺.

Йони — не атоми

Важливо розуміти: властивості йонів зовсім інші, ніж властивості відповідних атомів. Наприклад, металевий натрій бурхливо реагує з водою, а йони Na⁺ у розчині з водою не реагують. Йон Cl⁻ не отруйний і не має різкого запаху, на відміну від молекули хлору Cl₂.

Електронейтральність розчину

Будь-який розчин електроліту залишається електронейтральним: сума зарядів усіх катіонів дорівнює сумі зарядів усіх аніонів. Наприклад, у розчині H₂SO₄ на кожні два H⁺ (сумарний заряд +2) припадає один SO₄²⁻ (заряд −2).

Тепер, коли ти розумієш, що таке електролітична дисоціація, настав час навчитися записувати її рівняння для різних класів речовин: кислот, основ і солей.

Дисоціація кислот

Кислоти — це електроліти, які під час дисоціації утворюють катіони Гідрогену H⁺ (інших катіонів немає) й аніони кислотного залишку. Сильні кислоти дисоціюють необоротно (знак →):

HCl → H⁺ + Cl⁻

HNO₃ → H⁺ + NO₃⁻

H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄²⁻ (спрощено — сульфатна кислота дисоціює повністю за двома ступенями)

Слабкі багатоосновні кислоти дисоціюють ступінчасто й оборотно (знак ⇄). Переважно дисоціація відбувається лише за першим ступенем:

H₂CO₃ ⇄ H⁺ + HCO₃⁻

HCO₃⁻ ⇄ H⁺ + CO₃²⁻ (другий ступінь — дуже слабко)

H₂S ⇄ H⁺ + HS⁻

Дисоціація основ

Основи — це електроліти, які дисоціюють з утворенням гідроксид-аніонів OH⁻ (інших аніонів немає). Луги (розчинні основи) дисоціюють необоротно:

NaOH → Na⁺ + OH⁻

Ba(OH)₂ → Ba²⁺ + 2OH⁻

Слабка основа — водний розчин амоніаку:

NH₃·H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻

Нерозчинні основи, як-от Cu(OH)₂ або Fe(OH)₃, практично не дисоціюють, тому рівнянь дисоціації для них не записують.

Дисоціація солей

Солі дисоціюють на катіони металічних елементів (або амонію NH₄⁺) й аніони кислотних залишків. Розчинні солі дисоціюють необоротно:

Al₂(SO₄)₃ → 2Al³⁺ + 3SO₄²⁻ (разом 5 йонів)

K₃PO₄ → 3K⁺ + PO₄³⁻ (разом 4 йони)

NH₄NO₃ → NH₄⁺ + NO₃⁻

Кислі солі, як-от NaHCO₃, дисоціюють з утворенням катіона металу та гідрогенаніона:

NaHCO₃ → Na⁺ + HCO₃⁻

Нерозчинні солі (BaSO₄, CaCO₃, AgCl) на йони не розписують — вони практично не дисоціюють.

Лічба йонів і кількості речовини

Індекс у формулі стає коефіцієнтом перед йоном у рівнянні дисоціації. Наприклад, з 1 моль Fe₂(SO₄)₃ утворюються 2 моль Fe³⁺ і 3 моль SO₄²⁻ — разом 5 моль йонів. З 0,2 моль Na₂SO₄ утворюються 0,4 моль Na⁺ і 0,2 моль SO₄²⁻ — разом 0,6 моль йонів. Заряди йонів можна знайти в таблиці розчинності довідки НМТ.

Не всі електроліти дисоціюють однаковою мірою. Одні розпадаються на йони майже повністю, інші — лише частково. Щоб кількісно описати цю відмінність, використовують поняття ступеня дисоціації.

Ступінь дисоціації

Ступінь дисоціації α — це відношення числа (або кількості речовини) молекул, що розпалися на йони, до загального числа розчинених молекул:

α = n(дис.) / n(заг.)

Ступінь дисоціації виражають у частках одиниці або у відсотках. Наприклад, якщо з 500 розчинених молекул слабкої кислоти на йони розпалися 15, то α = 15 / 500 = 0,03, тобто 3 %.

Сильні електроліти

Сильні електроліти мають ступінь дисоціації, близький до 1 (тобто 100 %). У рівняннях дисоціації для них використовують знак необоротної реакції →. До сильних електролітів належать:

• кислоти: HCl, HBr, HI, HNO₃, H₂SO₄;

• луги: NaOH, KOH, Ba(OH)₂, Ca(OH)₂;

• майже всі розчинні солі.

Слабкі електроліти

Слабкі електроліти мають ступінь дисоціації, значно менший за 1 (у розведених розчинах — від кількох відсотків до часток відсотка). У рівняннях дисоціації для них використовують знак оборотної реакції ⇄. До слабких електролітів належать:

• кислоти: H₂S, H₂CO₃, H₂SO₃, HNO₂, HF, CH₃COOH та інші карбонові кислоти;

• основи: NH₃·H₂O (амоніак водний);

• вода H₂O.

Окремо варто згадати H₃PO₄ — це електроліт середньої сили. Зверни увагу: HF, на відміну від HCl, HBr, HI, є слабкою кислотою, хоча всі вони — галогеноводневі кислоти.

Від чого залежить ступінь дисоціації

Ступінь дисоціації залежить від:

• природи електроліту — одні речовини дисоціюють краще за інші;

• концентрації розчину — під час розведення α зростає;

• температури — зазвичай підвищення температури збільшує α.

Вплив добавок на рівновагу дисоціації розглянуто в уроці про принцип Ле Шательє.

Розв'яжемо кілька типових завдань, які трапляються на НМТ, щоб закріпити знання на практиці.

Приклад 1. Вибір слабкого електроліту

Завдання: Яка з перелічених речовин є слабким електролітом?

А) KOH Б) HCl В) H₂S Г) сахароза C₁₂H₂₂O₁₁

Розв'язання: Слабкі електроліти — це речовини, які дисоціюють частково, зі ступенем дисоціації значно меншим за 1. KOH і HCl — сильні електроліти (луг і сильна кислота відповідно). Сахароза — неелектроліт, її розчин не проводить струм взагалі. H₂S (сульфідна кислота) — слабка кислота, дисоціює оборотно: H₂S ⇄ H⁺ + HS⁻.

Відповідь: H₂S (варіант В).

Чому інші варіанти неправильні: KOH — луг, сильний електроліт; HCl — сильна кислота, сильний електроліт; сахароза — неелектроліт, а не слабкий електроліт.

Приклад 2. Кількість речовини йонів

Завдання: Скільки моль йонів утворюється під час повної дисоціації 0,4 моль ферум(III) сульфату?

Розв'язання: Записуємо рівняння дисоціації: Fe₂(SO₄)₃ → 2Fe³⁺ + 3SO₄²⁻. З однієї формульної одиниці утворюється 2 + 3 = 5 йонів. Отже, з 0,4 моль Fe₂(SO₄)₃ утворюється 0,4 · 5 = 2,0 моль йонів.

Відповідь: 2.

Поширені помилки: 0,8 (пораховано лише катіони Fe³⁺: 0,4 · 2 = 0,8), 1,2 (пораховано лише аніони SO₄²⁻: 0,4 · 3 = 1,2), 0,4 (сіль вважали однією частинкою, не помноживши на число йонів).

Приклад 3. Правильне рівняння дисоціації

Завдання: Яке рівняння електролітичної дисоціації записано правильно?

А) Cu(OH)₂ → Cu²⁺ + 2OH⁻ Б) Ba(OH)₂ → Ba²⁺ + 2OH⁻ В) Al₂(SO₄)₃ → Al₂³⁺ + 3SO₄²⁻ Г) K₂SO₄ → K₂⁺ + SO₄²⁻

Розв'язання: Перевіряємо кожен варіант. А) Cu(OH)₂ — нерозчинна основа, її дисоціацію не записують. Б) Ba(OH)₂ — луг, розчинна основа, дисоціює правильно: Ba²⁺ + 2OH⁻. В) Індекс 2 перенесено в йон Al₂³⁺ — це груба помилка, правильно 2Al³⁺. Г) Індекс 2 перенесено в йон K₂⁺ — правильно 2K⁺.

Відповідь: Ba(OH)₂ → Ba²⁺ + 2OH⁻ (варіант Б).

Приклад 4. Ступінь дисоціації

Завдання: У розчині слабкої кислоти з кожних 400 розчинених молекул 12 розпалися на йони. Обчисліть ступінь дисоціації у відсотках.

Розв'язання: Ступінь дисоціації α = n(дис.) / n(заг.) = 12 / 400 = 0,03. У відсотках: 0,03 · 100 % = 3 %.

Відповідь: 3.

Поширені помилки: 0,03 (правильне значення в частках одиниці, але умова вимагала у відсотках), 3,1 (12 поділили на 388 — число молекул, що не розпалися, замість загального числа 400).

Під час вивчення електролітичної дисоціації учні часто припускаються однотипних помилок. Розгляньмо їх, щоб ти знав, на що звернути особливу увагу.

• Записують дисоціацію нерозчинних основ і солей. Наприклад, пишуть Cu(OH)₂ → Cu²⁺ + 2OH⁻ або BaSO₄ → Ba²⁺ + SO₄²⁻. Насправді нерозчинні речовини практично не дисоціюють, тому рівнянь дисоціації для них не складають.

• Переносять індекс формули в йон. Помилка: Al₂(SO₄)₃ → Al₂³⁺ + 3SO₄²⁻ замість правильної форми 2Al³⁺ + 3SO₄²⁻. Індекс у формулі стає коефіцієнтом перед йоном, а не частиною заряду.

• Плутають слабкий електроліт з неелектролітом. Сахароза й етанол — неелектроліти, їхні розчини взагалі не проводять струм. А H₂S і CH₃COOH — слабкі електроліти, вони проводять струм, хоч і слабко.

• Вважають HF сильною кислотою за аналогією з HCl, HBr, HI. Насправді флуоридна кислота HF — слабка, на відміну від інших галогеноводневих кислот.

• Пишуть знак → для слабких електролітів або записують дисоціацію слабкої багатоосновної кислоти одним ступенем до кінця. Правильно: H₂CO₃ ⇄ H⁺ + HCO₃⁻, а не H₂CO₃ → 2H⁺ + CO₃²⁻.

• Вважають, що кристал NaCl чи рідкий хлороводень проводять струм. Насправді кристал NaCl не проводить струм (йони закріплені), а газоподібний і рідкий HCl — молекулярні речовини без вільних йонів.

Тема «Електролітична дисоціація» входить до розділу 1.6 програми НМТ з хімії. Розберімо, як саме її перевіряють на тестуванні.

Що треба знати за програмою

Програма НМТ (тема 1.6) вимагає: знати визначення електроліту, неелектроліту, електролітичної дисоціації, ступеня дисоціації; уміти наводити приклади сильних і слабких електролітів, розрізняти електроліти й неелектроліти, складати рівняння дисоціації основ, кислот і солей.

Формат завдань

У першій частині тесту (завдання № 1–18, по 1 балу) трапляються завдання з вибором однієї правильної відповіді з чотирьох. Наприклад: «Яка речовина є слабким електролітом?» або «Яке рівняння дисоціації записано правильно?». У демоваріанті 2026 року завдання № 7 (1 бал) перевіряло зміщення рівноваги дисоціації слабкої кислоти — таке завдання спирається на розуміння того, що слабка кислота дисоціює оборотно.

Довідкові матеріали

Під час НМТ ти отримуєш довідку, яка містить таблицю розчинності. У ній показано катіони (від H⁺ до Hg²⁺) й аніони (від OH⁻ до CH₃COO⁻) із зарядами та розчинність сполук. Поділу на сильні й слабкі електроліти в довідці немає — цей перелік треба знати напам'ять.

Завдання з короткою відповіддю

У завданнях № 21–24 (коротка відповідь) записують лише число. З цієї теми можуть, наприклад, попросити обчислити кількість речовини йонів, що утворюються під час дисоціації певної кількості солі. Ступінь дисоціації програма вимагає знати як поняття; якщо ж у задачі його треба обчислити, подавай відповідь у тих одиницях, яких вимагає умова. Уважно читай, що саме просять: «у відсотках» чи «в частках одиниці».

Тут зібрано відповіді на найпоширеніші запитання, які виникають під час вивчення електролітичної дисоціації.

• Електроліти — кислоти, луги, солі. Неелектроліти — цукор (сахароза), спирт (етанол), гліцерол, O₂, N₂.

• Кислота → H⁺ + кислотний залишок. Луг → катіон металічного елемента + OH⁻. Сіль → катіон металічного елемента (або NH₄⁺) + кислотний залишок.

• Індекс у формулі стає коефіцієнтом перед йоном: Al₂(SO₄)₃ → 2Al³⁺ + 3SO₄²⁻.

• Нерозчинні основи й солі на йони не розписують (Cu(OH)₂, BaSO₄, CaCO₃, AgCl).

• Сильні електроліти: HCl, HNO₃, H₂SO₄, луги, розчинні солі. Слабкі: H₂S, H₂CO₃, HF, CH₃COOH, NH₃·H₂O.

• Ступінь дисоціації α = n(дис.) / n(заг.), у частках одиниці або у відсотках.