Отличить сильный электролит от слабого
Интуиция. Раствор проводит ток, только если в нём есть свободные ионы. Электролит — вещество, которое при растворении даёт ионы. Сильный электролит распался практически весь, слабый — лишь частично. Ни цвет, ни запах, ни «органический/неорганический» сами по себе силу не определяют. Единственный надёжный способ — знать константу диссоциации Kд: она измерена для сотен кислот и оснований, а для сильных электролитов диссоциацию вообще принято считать полной.
Формализация.
- Степень диссоциации: α = число распавшихся молекул / число растворённых. Для сильных α ≈ 1, для слабых α << 1.
- Константа диссоциации слабой кислоты HA ⇌ H⁺ + A⁻: Kд = [H⁺][A⁻]/[HA]. Чем меньше Kд, тем слабее кислота. Kд(CH₃COOH) = 1,75·10⁻⁵.
- Закон разбавления Оствальда: для слабого электролита α ≈ √(Kд/C). Разбавили — доля распавшихся выросла, хотя Kд не изменился.
- Правило 5 %: приближение [HA] ≈ C работает, пока α < 5 %.
Классификация.
- Сильные кислоты: HCl, HBr, HI, HNO₃, H₂SO₄ (по первой ступени), HClO₄. Остальные — слабые, включая H₃PO₄ и HF.
- Сильные основания — щёлочи: NaOH, KOH, Ca(OH)₂, Ba(OH)₂. NH₃·H₂O — слабое основание.
- Растворимые соли — сильные электролиты.
- Малорастворимые соли — отдельный случай: BaSO₄ почти не растворяется, но растворённая часть диссоциирована полностью. Сила электролита и растворимость — независимые вещи.
Типовая задача. Сравнить [H⁺] в 0,1 М HCl и 0,1 М CH₃COOH (Kд = 1,75·10⁻⁵).
1. HCl — сильная: [H⁺] = 0,1 моль/л.
2. CH₃COOH — слабая: [H⁺] ≈ √(Kд·C) = √(1,75·10⁻⁵ · 0,1) = 1,3·10⁻³ моль/л.
3. Проверка 5 %: 1,3·10⁻³ / 0,1 = 1,3 % < 5 % — приближение законно.
Разница почти в 80 раз — вот откуда разница в проводимости.
Подводные камни.
- «Сильный» ≠ «концентрированный»: сила — про полноту диссоциации, концентрация — про количество.
- H₂SO₄ сильная только по первой ступени; вторая (HSO₄⁻ ⇌ H⁺ + SO₄²⁻) имеет Kд₂ = 1,2·10⁻² — это уже слабый электролит.
- HF — слабая кислота, хотя фтор самый электроотрицательный элемент. Причина — высокая энергия связи H–F и прочная гидратация фторид-иона: разрыв связи выгоднее не становится.
Инженерный контекст. Деление на сильные/слабые — рабочий инструмент инженера, а не классификация ради классификации. Травление металла на производстве ведут сильной кислотой: она даёт максимум H⁺ на литр при той же молярности — скорость травления предсказуема. Слабые кислоты идут туда, где нужна мягкость: пищевые регуляторы кислотности (лимонная, уксусная), отпариватели извести, бытовые средства против накипи — лимонная кислота растворяет карбонат медленно и управляемо, не разъедая всё вокруг. Выбор электролита — это выбор между скоростью и контролем.
Сильный или слабый — алгоритм
1. Ищи вещество в списке сильных кислот (HCl, HBr, HI, HNO₃, H₂SO₄, HClO₄) или щёлочей (NaOH, KOH, Ca(OH)₂, Ba(OH)₂) → сильный электролит.
2. Растворимая соль → сильный электролит.
3. Всё остальное (органические кислоты, NH₃·H₂O, H₂CO₃, H₂S, HF, H₃PO₄) → слабый, считаем через Kд.
4. Для слабых: α ≈ √(Kд/C); для слабой кислоты [H⁺] ≈ √(Kд·C).
5. Проверка правила 5 %: α < 5 %? Если нет — решать через точное квадратное уравнение.
6. Малорастворимое ≠ слабое: сила и растворимость — независимые свойства.
Типовые заблуждения
- «Сильный = концентрированный» → сила определяется Kд, а не C. Контрпример: 10⁻⁶ М HCl — сильный, но очень разбавленный.
- «Все кислоты сильные» → HF, H₂S, CH₃COOH, H₃PO₄ слабые; сильных кислот шесть, список надо выучить.
- «H₂SO₄ даёт 2 H⁺ полностью» → вторая ступень слабая: Kд₂(HSO₄⁻) = 1,2·10⁻².
- «Малорастворимое — слабый электролит» → BaSO₄ малорастворим, но растворённая часть диссоциирована полностью.
- «Разбавил — кислота стала сильнее» → сила (Kд) не меняется; растёт степень диссоциации α (закон Оствальда).
Источники
- attribution: Chemistry 2e, гл. 14: Acid-Base Equilibria — OpenStax (Flowers, Theopold, Langley и др.) https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/14-acid-base-equilibria
Лицензия: CC BY-NC-SA 4.0 (сверить колонтитул на странице источника) - full_text: Acid Strength and Ka — Chemistry 2e (полная версия темы) — OpenStax https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/14-4-acid-strength-and-the-acid-dissociation-constant-ka
Лицензия: CC BY-NC-SA 4.0 - problems: Архив заданий ВсОШ по химии — региональный этап — Центр педагогического мастерства https://vserosolimp.edsoo.ru/chemistry
Лицензия: Официальная образовательная платформа; использовать с атрибуцией - dive: Эткинс, де Паула. Физическая химия, ч. 1, гл. 7 — P. Atkins, J. de Paula
Лицензия: Печатное издание (только ссылка)