Іонні реакції протікають за участю іонів. Іони повинні бути більш-менш рухливими. Іонні реакції не можуть протікати між зв’язаними іонами, які знаходяться у вузлах кристалічної решітки іонних сполук. Вільні, тобто досить рухливі іони необхідні щоб відбулися іонні реакції, з’являються тільки в розплавах або в розчинах внаслідок електролітичної дисоціації розплавлених або розчинених речовин.

Електролітична дисоціація – це розпад речовин в розплаві або в розчині на вільні іони, з яких вони складені.

Приклад.

Натрій хлорид в результаті електролітичної дисоціації і в розплаві, і в розчині утворює катіони натрію і хлорид-іони:

NaCl ⇄ Na⁺ + Cl^–

Сполуки з переважно іонними зв’язками, такі, як солі, в твердому стані є кристалами, у вузлах кристалічної решітки яких знаходяться зв’язані між собою іони. При нагріванні іонних кристалів, до яких відноситься натрій хлорид, енергія коливання іонів у вузлах решітки зростає до тих пір, поки не будуть подолані електростатичні сили тяжіння, що забезпечують стійкість іонної решітки. В результаті кристалічна решітка руйнується, речовина плавиться (стає рідкою), а іони які вивільняються набувають необхідної рухливості. Утворений розплав проводить електричний струм внаслідок присутності вільних заряджених іонів, іони можуть брати участь в іонних реакціях.

Механізм процесу утворення вільних іонів в розчині дещо інший, що зумовлено іншою причиною розриву хімічних зв’язків в кристалічній решітці іонних сполук. Руйнування іонів решітки відбувається під впливом розчинника, наприклад води. Полярні молекули води настільки знижують сили електростатичного тяжіння між іонами в решітці (приблизно у 80 разів), що іони стають вільними і переходять в розчин. Таким чином, процес розчинення у воді іонних речовин обов’язково супроводжується розпадом на іони. Розчини, які утворилися внаслідок розчинення іонних сполук електропровідні.

Теорія електролітичної дисоціації або іонна теорія була створена в 1884-1887 роках шведським хіміком Сванте Арреніусом. Ця класична теорія дозволила пояснити електропровідність розплавів і розчинів і протікання хімічних реакцій між розплавленими і розчиненими речовинами.

Розпад на іони можливий також для багатьох ковалентних речовин, таких як HCl (газ) або HNO₃ (рідина). Ці речовини при розчиненні в воді, хоча вони і побудовані з іонів, електролітично дисоціюють з розривом ковалентного зв’язку (H-Cl або H-O):

HCl ⇄ H⁺ + Cl^–; HNO₃ ⇄ H⁺ + NO₃^–

Електролітичну дисоціацію речовин в розчині викликає не тільки вода, але і неводні полярні розчинники, такі як рідкий амоніак і рідкий сульфур діоксид. Однак саме для води властивості послаблювати електростатичне тяжіння між іонами в решітці виражено особливо яскраво. Мірою цього впливу розчинника є його відносна діелектрична проникність, значення якої для води вельми високе.

Вільні іони, які опинилися у водному розчині внаслідок електролітичної дисоціації розчиненої речовини, охоплюються полярними молекулами води: навколо іонів в розчині з’являється гідратна оболонка в разі інших розчинників сольватна оболонка.

Гідратація – це утворення оболонки з молекул води навколо іона, обумовлене електростатичним тяжінням диполів води до іона.

Сольватація – це утворення оболонки з молекул розчинника навколо іона, обумовлене електростатичним тяжінням диполів молекул розчинника до іона.

Природно, що навколо позитивних іонів, молекули води орієнтовані негативними кінцями диполів, а навколо негативних іонів – позитивними кінцями диполів.

Катіони і аніони

Якщо через розчин або розплав, що містить достатньо рухливі іони, протікає постійний електричний струм (при зануренні в розчин або розплав двох електродів), то іони починають рухатися певним чином. За відсутності електричного поля (електричного струму) іони в розчині або розплаві рухаються хаотично.

Внаслідок дії електричного поля іони рухаються в бік електроду, який має протилежний їм за знаком заряд.

За назвою електрода, в бік якого рухаються іони, утворюється назва іонів.

Катод – це негативно заряджений електрод; Катіони – це позитивно заряджені іони.

Анод – це позитивно заряджений електрод; Аніони – це негативно заряджені іони.

Катіони мають позитивний заряд і відповідно, рухаються в бік негативно зарядженого катода; аніони мають негативний заряд і рухаються в бік позитивно зарядженого анода.

До поширених катіонів відносяться: іони металів (Na⁺, Ca²⁺, Al³⁺, Cu²⁺, Ag⁺, Au⁺ і ін.); іон гідрогену H⁺ (точніше, H₃O⁺), складні іони, наприклад, катіон амонію NH₄⁺.

До поширених аніонів відносяться всі кислотні залишки (Cl^–, SO₄^2-, NO₃^– та ін.), гідроксид-іон OH^–.

У формулах неорганічних сполук формулу катіонів вказують зліва, а формулу аніонів справа.

Наприклад: NaCl – Na⁺ – катіон; Cl^– – аніон.

У водному розчині всі іони гідратовані певним числом молекул води, наприклад, Na⁺*nH₂O, SO₄^2-*nH₂O, H⁺*nH₂O або H₃O⁺*(h-1)H₂O. Щоб не ускладнювати запис рівнянь хімічних реакцій за участю іонів в розчині, зазвичай гідратна оболонка не вказується (крім особливих випадків); в записах Na⁺, SO₄^2-, H⁺ мається на увазі, що ці іони в розчині гідратовані.

Електроліти і неелектроліти

За здатністю речовин розпадатися або не розпадатися в розплаві або в розчині на катіони і аніони розрізняють електроліти і неелектроліти.

Електроліти – це речовини, які піддаються електролітичній дисоціації, внаслідок чого їх розплави або розчини проводять електричний струм.

До електролітів належать всі солі, а також кислотні, основні та амфотерні гідроксиди.

Слід розрізняти істинні електроліти (справжні електроліти) і потенційні електроліти.

Істинні електроліти складені з іонів вже в індивідуальному стані, тобто до того, як вони будуть розплавлені або переведені в розчин. До істинних електролітів належать всі типові солі, наприклад, NaNO₃, K₂SO₄, CaCl₂ і ін., які в твердому стані утворюють іонну кристалічну решітку.

Потенційні електроліти в індивідуальному стані іонів не містять, але утворюють їх при переході речовини в розчин. До потенційних електролітів належать речовини, що складаються з молекул з сильно полярними ковалентними зв’язками. У водному розчині такі ковалентні зв’язки під впливом полярних молекул розчинника розриваються, або у всіх молекул, або дисоціює лише частина молекул.

Приклад.

При розчиненні газоподібного гідрогенхлориду у воді сильно полярні ковалентні зв’язки H-Cl розриваються, і утворюються катіони гідрогену H⁺ (H₃O⁺) і хлорид-іони Cl^–:

HCl ⇄ H⁺ + Cl^–; H⁺ + H₂O = H₃O⁺

Водний розчин гідрогенхлориду через наявність катіонів H+ має кислотну реакцію, тому розчин гідроген хлориду називають хлоридна кислота або соляна кислота.

Речовини, побудовані з молекул з неполярними або слабо полярними ковалентними зв’язками, у водному розчині не дисоціюють на іони, а залишаються в ньому у вигляді гідратованих молекул. Їх називають неелектроліти.

Неелектроліти – це речовини, які не піддаються електролітичній дисоціації, і внаслідок чого їх розплави та розчини не проводять електричний струм.

До неелектролітів належить більшість органічних сполук, наприклад діетиловий ефір, бензен, глюкоза, крохмаль, сахароза (звичайний цукор), етиловий спирт. Виняток становлять органічні кислоти і основи, і їх солі.

Між електричними властивостями металів (провідники першого роду), і розплавів або розчинів електролітів (провідники другого роду) є істотні відмінності.

Властивість	Метал	Розчин/розплав
Носії електричного заряду	Електрони	Іони
Електропровідність	Відмінна	Незначна
Зміна електропровідності при підвищенні температури	Зменшується	Збільшується
Перетворення сполуки при протіканні електричного струму	Немає	Розкладається

Рівняння електролітичної дисоціації

Для складання рівнянь іонних реакцій, що протікають в розчині, необхідно вміти записувати рівняння їх дисоціації.

Для істинних електролітів рівняння дисоціації відображає тільки факт переходу зв’язаних іонів з вузлів кристалічної решітки у вільні гідратовані іони в розчині.

Приклад.

Натрій гідроксид дисоціює у водному розчині відповідно до рівняння:

NaOH ⇄ Na⁺ + OH^–

Натрій гідроксид практично повністю дисоціює на іони і в водному розчині (маються на увазі розбавлені <0,1M розчини істинних електролітів, тому що в більш концентрованих розчинах присутні також квазімолекулярні іонні пари типу Na⁺Cl^– і більш складні асоціати – трійники, квадруполі) він знаходиться виключно у вигляді іонів Na⁺ і OH^–.

Для потенційних електролітів рівняння дисоціації відображає факт розриву ковалентних зв’язків в їх молекулах. Якщо такий розрив відбувається повністю для всіх розчинених молекул (тобто молекул у водному розчині не існує), то рівняння дисоціації записується аналогічно рівнянню дисоціації справжніх електролітів.

Приклад.

Гідрогенхлорид має сильно полярний (але не іонний зв’язок), тому він відноситься до потенційних електролітів. Розчинений гідрогенхлорид дисоціює у відповідності з наступним рівнянням:

HCl ⇄ H⁺ + Cl^–; H⁺ + H₂O ⇄ H₃O⁺

У розбавлених (<0.1M) водних розчинах гідрогенхлорид дисоціює на іони практично повністю.

В рівняннях дисоціації слід враховувати склад електролітів і вказувати стехіометричні коефіцієнти перед формулами іонів.

Приклад.

Al₂(SO₄)₃ ⇄ 2Al³⁺ + 3SO₄^2-

Цей запис означає, що одна формульна одиниця амоній сульфату у водному розчині розпадається на два катіона алюмінію Al³⁺ і три аніона сульфат-іона SO₄^2-.

---