Kimyo · Eritmalar va elektrolitlar · 9-sinf

Elektrolitik dissotsiatsiya

Nega tuzli suvda lampa yorqin yonadi, shakarli suvda — yo‘q, sirkada esa xira?

Vaziyat

Toshkentdagi maktab kimyo xonasida o‘qituvchi stol ustiga sakkizta stakan qo‘ydi: distillangan suv, shakarli suv, osh tuzi eritmasi, xlorid kislota, ishqor, sirka, nashatir spirti va quruq tuz. Lampali asbobning ikkita grafit elektrodi galma-galdan stakanlarga botiriladi: lampa ba’zan yorqin yonadi, ba’zan zo‘rg‘a qizaradi, ba’zan esa umuman yonmaydi — hatto quruq tuzda ham. Suyuqlikda tokni nima tashiydi, u qayerdan paydo bo‘ladi va nega ba’zi moddalar bir-biri bilan reaksiyaga kirishadi-yu, boshqalari kirishmaydi?

Mavzu

Elektrolitik dissotsiatsiya va ion almashinish reaksiyalari. Elektr o‘tkazuvchanlik asbobi: tuzli suvda lampa yonadi, shakarli suvda yo‘q, sirkada xira — ionlar qayerdan keladi

Asosiy tushunchalar

Elektrolit va noelektrolit
Dissotsiatsiyalanish darajasi α
Ion almashinish reaksiyalari

Formulalar

NaCl \overset{}{\to} Na^{+} + Cl^{-} CH_{3} COOH \overset{}{⇌} CH_{3} COO^{-} + H^{+}

Kuchli elektrolit to‘liq, kuchsiz elektrolit qisman va qaytar dissotsiatsiyalanadi.

α = \frac{n_{ionlangan}}{n_{umumiy}} \cdot 100 %

Dissotsiatsiyalanish darajasi: ionlarga ajralgan molekulalar ulushi.

K = \frac{α^{2} c}{1 - α} \Rightarrow α \approx \sqrt{K / c}

Ostvaldning suyultirish qonuni (kuchsiz elektrolit): suyultirilsa α ortadi. CH₃COOH uchun $K = 1,75 \cdot 10^{- 5}$ .

κ = c α (λ_{+} + λ_{-}), R = \frac{K_{yach}}{κ}

Eritmaning solishtirma elektr o‘tkazuvchanligi ionlar konsentratsiyasi va harakatchanligiga bog‘liq; $R$ — elektrodlar orasidagi qarshilik.

Ag^{+} + Cl^{-} \overset{}{\to} AgCl ↓

Qisqa ionli tenglama: reaksiyada faqat cho‘kma, gaz yoki suv hosil qiluvchi ionlar qatnashadi.

Nazariya

Elektrolitlar va noelektrolitlar

Eritmasi yoki suyuqlanmasi elektr tokini o‘tkazadigan moddalar — elektrolitlar: tuzlar, kislotalar, ishqorlar. O‘tkazmaydiganlari — noelektrolitlar: shakar, glyukoza, spirt, ko‘pchilik organik moddalar, kislorod, azot. Lampali asbobda zanjir eritma orqali tutashadi: tokni metalldagidek elektronlar emas, eritmadagi ionlar tashiydi — musbat ionlar (kationlar) bir elektrodga, manfiy ionlar (anionlar) ikkinchisiga siljiydi. Quruq tuz kristalida ham ionlar bor, lekin ular panjarada qotib turadi, shuning uchun lampa yonmaydi; tuz suvda eritilsa yoki suyuqlantirilsa, ionlar erkinlashadi. Distillangan suv tokni juda yomon o‘tkazadi: unda ionlar juda oz. Laboratoriya ishi (tuzning konsentrlangan eritmasidan tok o‘tishi): «Daraja α» rejimida osh tuzini tanlang, konsentratsiyani to‘yingan eritmagacha (≈ 5,3 mol/l) oshirib, har safar tok kuchini jurnalga yozing — ionlar ko‘paygan sari tok ortadi, lekin konsentrlangan eritmada o‘sish sekinlashadi.

Arrenius nazariyasi: ionlar qayerdan keladi

Svante Arrenius (1887) elektrolitlar suvda eriganda tok o‘tkazilmasa ham o‘z-o‘zidan ionlarga ajraladi, degan nazariyani — elektrolitik dissotsiatsiya nazariyasini ilgari surdi. Suv molekulasi qutbli: kislorod tomoni manfiy, vodorod tomonlari musbat. Ionli kristall (NaCl) suvga tushganda suv molekulalari Na⁺ ga kislorod tomoni bilan, Cl⁻ ga vodorod tomoni bilan yopishadi va ionni panjaradan «sug‘urib» oladi; ion suv molekulalaridan iborat gidrat qobiq bilan o‘ralib harakatlanadi (gidratlanish). Qutbli molekulalar (HCl) ham suvda ionlanadi: proton suv molekulasiga o‘tib, gidroksoniy ioni $H_{3} O^{+}$ hosil qiladi: $HCl + H_{2} O \overset{}{\to} H_{3} O^{+} + Cl^{-}$ (soddaroq yozuvda $HCl \overset{}{\to} H^{+} + Cl^{-}$ ). Kuchsiz elektrolitda (sirka kislota) dissotsiatsiya qaytar: molekulalar ionlanadi va ionlar yana molekulaga birikadi — dinamik muvozanat. Ionlar xossasi atomlarnikidan butunlay farq qiladi: Na⁺ ioni natriy metalidek suv bilan reaksiyaga kirishmaydi, Cl⁻ ioni esa xlor gazi ( $Cl_{2}$ ) kabi zaharli emas va rangsiz.

Kislota, ishqor va tuzlarning dissotsiatsiyalanishi

Dissotsiatsiya nazariyasi bo‘yicha kislota — suvda kation sifatida faqat vodorod ionlari H⁺ beradigan elektrolit: $HCl \overset{}{\to} H^{+} + Cl^{-}$ . Ko‘p negizli kislotalar bosqichli dissotsiatsiyalanadi: $H_{2} SO_{4} \overset{}{\to} H^{+} + HSO_{4}^{-}$ , $HSO_{4}^{-} \overset{}{⇌} H^{+} + SO_{4}^{2 -}$ ; fosfat kislotada birinchi bosqich $H_{3} PO_{4} \overset{}{⇌} H^{+} + H_{2} PO_{4}^{-}$ eng kuchli. Kislotalarning umumiy xossalari (nordon ta’m, indikator rangi, metallar bilan reaksiya) H⁺ ionlariga bog‘liq. Ishqor — anion sifatida faqat gidroksid ionlari OH⁻ beradigan elektrolit: $NaOH \overset{}{\to} Na^{+} + OH^{-}$ , $Ba (OH)_{2} \overset{}{\to} Ba^{2 +} + 2 OH^{-}$ . Tuzlar metall kationlari (yoki $NH_{4}^{+}$ ) va kislota qoldig‘i anionlariga ajraladi: $Na_{2} SO_{4} \overset{}{\to} 2 Na^{+} + SO_{4}^{2 -}$ , $Al_{2} (SO_{4})_{3} \overset{}{\to} 2 Al^{3 +} + 3 SO_{4}^{2 -}$ . Eritmada musbat va manfiy zaryadlar yig‘indisi teng — eritma elektroneytral.

Kuchli va kuchsiz elektrolitlar, daraja α

Dissotsiatsiyalanish darajasi $α$ — ionlarga ajralgan molekulalarning umumiy soniga nisbati. Kuchli elektrolitlar suyultirilgan eritmada amalda to‘liq ( $α \to 1$ ) ajraladi: HCl, HNO₃, H₂SO₄, HBr, HI, ishqorlar (NaOH, KOH, Ba(OH)₂) va deyarli barcha tuzlar. Kuchsiz elektrolitlarda $α$ kichik: CH₃COOH, H₂CO₃, H₂S, HF, NH₃·H₂O, suvning o‘zi. Darsliklarda ko‘pincha 0,1 mol/l eritma uchun shartli chegara olinadi: $α$ > 30 % — kuchli, < 3 % — kuchsiz. Sirka kislotaning 0,1 mol/l eritmasida $α$ ≈ 1,3 %; suyultirilsa ortadi (Ostvald qonuni, $α \approx \sqrt{K / c}$ ): 0,001 mol/l da ≈ 12 %. Lekin ionlar konsentratsiyasi ( $c α$ ) kamayadi — shuning uchun suyultirilganda tok baribir kamayadi. Harorat ko‘tarilsa ham α odatda ortadi. Kuchli elektrolitlarda o‘tkazuvchanlikdan topilgan «ko‘rinma» daraja $Λ / Λ^{\circ}$ birdan kichik (0,1 mol/l NaCl da ≈ 0,85): ionlar to‘liq ajralgan, ammo qarama-qarshi ionlar bir-birini tormozlaydi.

Ion almashinish reaksiyalari

Elektrolitlar eritmalari orasidagi reaksiyalar aslida ionlar orasida boradi. Reaksiya oxirigacha boradi, agar ionlardan cho‘kma ( $Ag^{+} + Cl^{-} \overset{}{\to} AgCl ↓$ ), gaz ( $CO_{3}^{2 -} + 2 H^{+} \overset{}{\to} H_{2} O + CO_{2} ↑$ ) yoki kam dissotsiatsiyalanadigan modda, masalan suv ( $H^{+} + OH^{-} \overset{}{\to} H_{2} O$ ) hosil bo‘lsa. Tenglama yozish tartibi: 1) molekulyar tenglama; 2) to‘liq ionli tenglama — kuchli elektrolitlar ionlar ko‘rinishida, cho‘kma, gaz, suv va kuchsiz elektrolitlar molekula ko‘rinishida yoziladi; 3) ikkala tomondagi bir xil ionlar (kuzatuvchi ionlar) qisqartiriladi — qisqa ionli tenglama qoladi. U reaksiyaning mohiyatini ko‘rsatadi: Ag⁺ bilan Cl⁻ qaysi tuzdan kelishidan qat’i nazar AgCl cho‘kmasi tushadi. NaCl va KNO₃ aralashtirilganda hech qaysi ion juftligi cho‘kma, gaz yoki suv bermaydi — barcha ionlar eritmada qoladi, reaksiya bormaydi.

Xavfsizlik va model

Xavfsizlik: elektr o‘tkazuvchanlik asbobini faqat xavfsiz past kuchlanishli (12 V) manbadan ishlating, elektrodlar va eritmaga qo‘l tekkizmang, eritmani almashtirishdan oldin elektrodlarni ko‘taring va distillangan suv bilan yuving. Kislota va ishqorlar bilan himoya ko‘zoynagida ishlang; kislotani suvga quying, aksincha emas. AgNO₃ terini qoraytiradi, bariy tuzlari zaharli — qo‘lqop taqing, ichimlik va ovqatdan uzoq tuting. Model: 25 °C; kuchli 1:1 elektrolitlar o‘tkazuvchanligi Debay–Hyukkel–Onsager tenglamasidan, NaCl ning konsentrlangan eritmalari CRC ma’lumotnomasi jadvalidan; kuchsiz elektrolitlar $α$ si $K$ dan aniq hisoblanadi, konsentrlangan sirka kislotada muhit o‘zgarishi empirik ko‘paytuvchi $(1 - 0,12 c)$ bilan hisobga olingan (u o‘lchangan maksimumni — ≈ 1,85 mS/sm, ≈ 17 % — beradi). Manba o‘zgaruvchan kuchlanishli — elektrodlarda elektroliz deyarli bormaydi. Lampa: 12 V / 0,1 A, cho‘g‘lanma tola (tok ∝ U^0,55, yorug‘lik ∝ U^3,4). «Tomchi» modeli taxminan $10^{8}$ marta kattalashtirilgan, harakat esa juda sekinlashtirilgan; suv molekulalarining faqat bir qismi ko‘rsatilgan.

Bilasizmi?

Svante Arrenius elektrolitik dissotsiatsiya nazariyasini 1887-yilda e’lon qilgan va 1903-yilda shu nazariya uchun kimyo bo‘yicha Nobel mukofotini olgan.
Juda toza suvning solishtirma elektr o‘tkazuvchanligi 25 °C da atigi ≈ 0,055 mkS/sm, dengiz suviniki esa ≈ 50 mS/sm — taxminan million marta katta: farqni suvda erigan tuz ionlari beradi.

Tajribada nima bor

Tajriba hayotiy vaziyatdan boshlanadi: natijani taxmin qilasiz, boshqaruvlarni o‘zgartirib tajriba o‘tkazasiz va xulosa chiqarasiz. Ichida topshiriqlar, nazariya, test va ekskursiya bor — kamera o‘zi harakatlanib, eng muhim joylarni tushuntiradi.