Ионные реакции, как следует из их названия, протекают при участии ионов, причем такие ионы должны быть более или менее подвижными. Ионные реакции не могут протекать между связанными ионами, которые находятся в узлах кристаллической решетки ионных соединений. Свободные, т. е. достаточно подвижные ионы необходимые для проведение ионных реакций, появляются только в расплавах или в растворах вследствие электролитической диссоциации расплавленных или растворенных веществ.

Электролитическая диссоциация – это распад веществ в расплаве или в растворе на свободные составляющие их ионы.

Пример.

Хлорид натрия в результате электролитической диссоциации и в расплаве, и в растворе образует катионы натрия и хлорид-ионы:

NaCl ⇄ Na⁺ + Cl^–

Соединение с преимущественно ионными связями, такие, как соли, в твердом состоянии представляют собой кристаллы, в узлах кристаллической решетки которых находятся связанные между собой ионы. При нагревании ионных кристаллов к которым относится хлорид натрия энергия колебания ионов в узлах решетки возрастает до тех пор, пока не будут преодолены электростатические силы притяжения, обеспечивающие устойчивость ионной решетки. В результате кристаллическая решетка разрушается, вещество плавится (становится жидким), а высвобождающиеся ионы приобретают подвижность. Образующийся расплав проводит электрический ток вследствие присутствия свободных заряженных ионов, ионы могут участвовать в ионных реакциях.

Механизм процесса появления свободных ионов в растворе несколько иной, что обусловлено другой причиной разрыва связей в кристаллической решетке ионных соединений. Разрушение ионов решетки происходит под воздействием растворителя, например воды. Полярные молекулы воды настолько снижают силы электростатического притяжения между ионами в решетке (примерно в 80 раз), что ионы становятся свободными и переходят в раствор. Таким образом, процесс растворении в воде ионных веществ обязательно сопровождается распадом на составляющие их ионы. Получающиеся растворы также обладают электропроводностью.

Теория электролитической диссоциации также называемая ионная теория была создана в 1884–1887 году шведским химиком Сванте Аррениусом. Это классическая теория позволила объяснить как электропроводность расплавов и растворов так и протекание химических реакций между расплавленными и растворенными веществами.

Распад на ионы возможен также для многих ковалентных веществ, таких как HCl (газ) или HNO₃ (жидкость). Эти вещества при растворении в воде, хотя они и построены из ионов, электролитически диссоциируют с разрывом ковалентной связи (H-Cl или H-O):

HCl ⇄ H⁺ + Cl^–; HNO₃ ⇄ H⁺ + NO₃^–

Электролитическую диссоциацию веществ в растворе вызывает не только вода, но и неводные полярные растворители, такие как жидкий аммиак и жидкий диоксид серы. Однако именно для воды свойства ослаблять электростатическое притяжение между ионами в решетке выражено особенно ярко. Мерой этого воздействия растворителя является его относительная диэлектрическая проницаемость, значение которой для воды весьма высоко.

Свободные ионы, оказавшиеся в водном растворе вследствие электролитической диссоциации растворенного вещества, окружаются полярными молекулами воды: вокруг ионов в растворе появляется гидратная оболочка в случае других растворителей сольватная оболочка.

Гидратация – это образование оболочки из молекул воды вокруг иона, обусловленное электростатическим притяжением диполей воды к иону.

Сольватация – это образование оболочки из молекул растворителя вокруг иона, обусловленное электростатическим притяжением диполей молекул растворителя к иону.

Естественно, что вокруг положительных ионов, молекулы воды ориентированы отрицательными концами диполей, а вокруг отрицательных ионов – положительными концами диполей.

Катионы и анионы

Если через раствор или расплав, содержащий достаточно подвижные ионы, протекает постоянный электрический ток (при погружении в раствор или расплав двух электродов), то ионы начинают двигаться определенным образом. В отсутствие электрического поля (электрического тока) ионы в растворе или расплаве двигаются хаотически.

Вследствие воздействия электрического поля ионы перемещаются к тому электроду, который обладает противоположным им по знаку зарядом.

По названию электрода, к которому перемещаются ионы, строится название ионов.

Катод – это отрицательно заряженный электрод; Катионы – это положительно заряженные ионы.

Анод – это положительно заряженный электрод; Анионы – это отрицательно заряженные ионы.

Катионы несут положительный заряд и соответственно, перемещаются к отрицательно заряженному катоду; анионы несут отрицательный заряд и перемещаются к положительно заряженному аноду.

К распространенным катионам относятся: ионы металлов (Na⁺, Ca²⁺, Al³⁺, Cu²⁺, Ag⁺, Au⁺ и др.); ион водорода H⁺ (точнее, H₃O⁺), сложные ионы типа катиона аммония NH₄⁺.

К распространенным анионам относятся все кислотные остатки (Cl^–, SO₄^2-, NO₃^– и др.), гидроксид-ион OH^–.

В формулах неорганических соединений формулу катионов указывают слева, а формулу анионов справа.

Например: NaCl – Na⁺ – катион; Cl^– – анион.

В водном растворе все ионы гидратированы некоторым числом молекул воды, например, Na⁺*nH₂O, SO₄^2-*nH₂O, H⁺*nH₂O или H₃O⁺*(h-1)H₂O. Чтобы не усложнять запись уравнений химических реакций с участием ионов в растворе, обычно гидратная оболочка не указывается (кроме особых случаев); записи Na⁺, SO₄^2-, H⁺ подразумевают, что эти ионы в растворе гидратированы.

Электролиты и неэлектролиты

По способности веществ распадаться или не распадаться в расплаве или в растворе на катионы и анионы различают электролиты и неэлектролиты.

Электролиты – это вещества, которые подвергаются электролитической диссоциации, и вследствие чего их расплавы или растворы проводят электрический ток.

К электролитам принадлежат все соли, а также кислотные, основные и амфотерные гидроксиды.

Следует различать истинные электролиты (настоящие) и потенциальные электролиты.

Истинные электролиты находятся в виде ионов уже в индивидуальном состоянии, т.е. до того, как они будут расплавлены или переведены в раствор. К истинным электролитам относятся все типичные соли, например, NaNO₃, K₂SO₄, CaCl₂ и др., которые в твердом состоянии образуют ионную кристаллическую решетку.

Потенциальные электролиты в индивидуальном состоянии ионов не содержат, но образуют их при переходе вещества в раствор. К потенциальным электролитам относятся вещества, состоящие из молекул с сильно полярными ковалентными связями. В водном растворе такие ковалентные связи под влиянием полярных молекул растворителя разрываются, либо у всех молекул, либо у некоторой их части.

Пример.

При растворении газообразного хлороводорода в воде сильно полярные ковалентные связи H-Cl разрываются, и образуются катионы водорода H⁺ (H₃O⁺) и хлорид ионы Cl^–:

HCl ⇄ H⁺ + Cl^–; H⁺ + H₂O = H₃O⁺

Водный раствор хлороводорода из-за наличия катионов H+ имеет кислотную реакцию, поэтому раствор называется хлороводородная кислота или соляная кислота.

Вещества, построенные из молекул с неполярными или слабо полярными ковалентными связями, в водном растворе не диссоциируют на ионы, а остаются в нем в виде гидратированных молекул. Их называют неэлектролиты.

Неэлектролиты – это вещества, которые не подвергаются электролитической диссоциации, и вследствие чего их расплавы и растворы не проводят электрический ток.

К неэлектролитам относится большая часть органических соединений, например диэтиловый эфир, бензол, глюкоза, крахмал, сахароза (обычный сахар), этиловый спирт. Исключение составляют органические кислоты и основания, и их соли.

Между электрическими свойствами металлов (проводники первого рода), и расплавов или растворов электролитов (проводники второго рода) имеются существенные различия.

Свойство	Метал	Раствор/расплав
Носители электрического заряда	Электроны	Ионы
Электропроводность	Отличная	Незначительная
Изменение электропроводности при повышении температуры	Уменьшается	Увеличивается
Превращение вещества при протекании електрического тока	Нет	Разлагается

Уравнения электролитической диссоциации

Для составления уравнений ионных реакций, протекающих в растворе, необходимо уметь записывать уравнения их диссоциации.

Для истинных электролитов уравнение диссоциации отражает только факт перехода связанных ионов из узлов кристаллической решетки в свободные гидратированные ионы в растворе.

Пример.

Гидроксид натрия диссоциирует в водном растворе в соответствии с уравнением:

NaOH ⇄ Na⁺ + OH^–

Гидроксид натрия практически полностью диссоциирует на ионы и в водном растворе (имеются в виду разбавленные < 0,1M растворы истинных электролитов, т.к. в более концентрированных растворах присутствуют также квазимолекулярные ионные пары типа Na⁺Cl^– и более сложные ассоциаты – тройники, квадруполи) он находится исключительно в виде ионов Na⁺ и OH^–.

Для потенциальных электролитов уравнение диссоциации отражает факт разрыва ковалентных связей в их молекулах. Если такой разрыв происходит полностью для всех растворенных молекул (т.е. молекул в водном растворе не существует), то уравнение диссоциации записывается аналогично уравнению диссоциации истинных электролитов.

Пример.

Хлороводород имеет сильно полярную (но не ионную связь), поэтому он относится к потенциальным электролитам. Растворенный хлороводород диссоциирует в соответствии со следующим уравнением:

HCl ⇄ H⁺ + Cl^–; H⁺ + H₂O ⇄ H₃O⁺

В разбавленных (< 0.1M) водных растворах хлороводород диссоциирует на ионы практически полностью.

В уравнениях диссоциации следует учитывать состав электролитов и указывать стехиометрические коэффициенты перед формулами ионов.

Пример.

Al₂(SO₄)₃ ⇄ 2Al³⁺ + 3SO₄^2-

Эта запись означает, что одна формульная единица сульфата алюминия в водном растворе распадается на два катиона алюминия Al³⁺ и три аниона сульфат-иона SO₄^2-.

---