Механизм образования ионов

Ионы в растворах возникают в результате процессов двух типов.

1. Растворение веществ с кристаллической ионной структурой. Ионы, имевшиеся в кристаллах твердого вещества, переходят в раствор и получают возможность хаотически перемещаться в растворе или направленно двигаться в электрическом поле. В процессе растворения ионы соединяются с полярными молекулами воды, т. е. гидратируются. Модель процесса растворения представлена на рис. 13.1. Гидратация способствует отрыву иона от поверхности кристалла и препятствует сближению ионов в растворе. Катионы непосредственно взаимодействуют с отрицательно заряженными атомами кислорода воды, а анионы — с положительно заряженными атомами водорода (рис. 13.2). В растворах сильных электролитов лишь небольшая часть имеющихся ионов соединяется между собой, образуя ионные пары. Под ионными парами подразумеваются неустойчивые частицы, состоящие из двух гидратированных ионов, быстро возникающие и распадающиеся в процессе движения ионов.

Рис. 13.1. Механизм растворения соли.

Рис. 13.2. Гидратация ионов в растворе.

Итак, вода действует как хороший растворитель благодаря способности к химическому взаимодействию с ионами. Кроме того, жидкая вода имеет высокую диэлектрическую проницаемость: в = 80,3. Это означает, что водная среда в 80,3 раза уменьшает силу притяжения между ионами с противоположными зарядами. Другие жидкости, часто применяемые в качестве растворителей, имеют значительно меньшие значения диэлектрической проницаемости (табл. 13.3) и проявляют меньшее ионизирующее воздействие на вещества.

Таблица 133

Диэлектрическая проницаемость некоторых растворителей при 20 °C.

Образование ионов в растворах веществ ионного типа записывают в виде реакций диссоциации:

Под этими реакциями подразумевается, что кристаллическое вещество переходит в раствор в виде ионов. Это можно выразить, указывая состояние частиц (но обычно этого не делают):

2. Ионы образуются в растворах также в результате диссоциации молекул растворенных веществ. Диссоциацией называются процессы, приводящие к увеличению числа частиц. Распад молекул на ионы в растворе называется электролитической диссоциацией. При тщательном анализе природы электролитов выясняется, что понятие электролитической диссоциации применимо почти исключительно к кислотам, так как они имеют молекулярные структуры, а у солей и гидроксидов металлов ионные структуры. Но и у кислот диссоциация фактически не идет как распад на две заряженные частицы, так как ион Н⁺ (протон) не существует в свободном виде, а обязательно присоединяется к какой-то молекуле. В водном растворе кислоты он присоединяется к молекуле воды (с. 262).

В водном растворе основания происходил бы перенос протона в обратном направлении — от воды к молекуле основания:

Таким образом, электролитическая диссоциация в значительной мере является традиционным понятием. Взамен термина «диссоциация» часто используется термин «ионизация».

Ионизация — это образование свободных ионов, вне зависимости от того, по какому механизму эти ионы образуются.

При решении различных задач, связанных с растворами кислот и оснований, запись уравнения обычно упрощают, исключая из него воду и представляя процесс в виде реакции диссоциации:

Как ионизация молекул, так и растворение ионных веществ требуют затраты энергии на увеличение расстояний между электрическими зарядами разного знака. Это процессы эндотермические, возможные только при участии растворителя — среды, окружающей как молекулы, так и ионы растворенных веществ.