Dysocjacja elektrolityczna kwasów, zasad i soli

Dysocjacja elektrolityczna to rozpad substancji na jony pod wpływem wody. Zjawisko to dotyczy elektrolitów, czyli takich substancji, których roztwory wodne lub stopione postacie przewodzą prąd elektryczny. Przewodnictwo wynika z obecności swobodnie poruszających się cząstek naładowanych dodatnio i ujemnie.

Do elektrolitów zaliczamy przede wszystkim kwasy, zasady i sole. Przeciwieństwem elektrolitu jest nieelektrolit — substancja, która po rozpuszczeniu w wodzie pozostaje w postaci cząsteczek i nie tworzy jonów. Dlatego roztwór nieelektrolitu nie przewodzi prądu albo przewodzi go bardzo słabo.

W zapisie równań dysocjacji trzeba zwracać uwagę na poprawne ładunki jonów oraz ich liczbę, zgodną ze wzorem związku. To częsty typ zadań na sprawdzianach i maturze.

Elektrolity dzielimy na mocne i słabe. Mocny elektrolit ulega dysocjacji prawie całkowicie, dlatego w jego roztworze znajduje się bardzo dużo jonów. Taki roztwór dobrze przewodzi prąd. Do tej grupy należą zwykle mocne kwasy, mocne zasady i dobrze rozpuszczalne sole.

Słaby elektrolit dysocjuje tylko częściowo. Oznacza to, że w roztworze obok jonów występują także liczne niezdysocjowane cząsteczki. Skutkiem jest słabsze przewodzenie prądu niż w roztworze mocnego elektrolitu o podobnym stężeniu.

Z pojęciem tym wiąże się stopień dysocjacji, który informuje, jaka część cząsteczek substancji rozpadła się na jony. Im większy stopień dysocjacji, tym więcej jonów znajduje się w roztworze i tym wyraźniejsze są właściwości elektrolitu.

W praktyce szkolnej warto łączyć te pojęcia z obserwacją: im więcej jonów powstaje w roztworze, tym silniejsze jego przewodnictwo elektryczne.

Kwasy w roztworze wodnym dysocjują z wytworzeniem jonów $H^+$ oraz anionów reszty kwasowej. Dla kwasu jednoprotowego zapis jest prosty, np. $$HCl \rightarrow H^+ + Cl^-$$

W kwasach tlenowych i beztlenowych anion może być prosty albo złożony. Przykładowo: $$HNO_3 \rightarrow H^+ + NO_3^-$$

$$H_2S \rightarrow 2H^+ + S^{2-}$$

Szczególną uwagę trzeba zwrócić na kwasy wieloprotonowe, czyli takie, które mogą oddać więcej niż jeden jon $H^+$. Należą do nich m.in. $H_2SO_4$, $H_2CO_3$ i $H_3PO_4$. Dla takich kwasów można zapisać zarówno równanie sumaryczne, jak i kolejne etapy rozpadu.

Zasady to wodorotlenki rozpuszczalne w wodzie. W roztworze rozpadają się na kation metalu oraz aniony $OH^-$. Przykłady:

$$NaOH \rightarrow Na^+ + OH^-$$

$$Ca(OH)_2 \rightarrow Ca^{2+} + 2OH^-$$

Liczba jonów $OH^-$ zależy od liczby grup wodorotlenkowych w cząsteczce. Dlatego z jednej jednostki wzoru $Al(OH)_3$ powstałyby trzy jony $OH^-$.

Sole dysocjują na kation metalu lub jonu $NH_4^+$ oraz anion reszty kwasowej. Przykłady:

$$NaCl \rightarrow Na^+ + Cl^-$$

$$K_2SO_4 \rightarrow 2K^+ + SO_4^{2-}$$

$$NH_4NO_3 \rightarrow NH_4^+ + NO_3^-$$

W tych równaniach ważne są dwa elementy: zachowanie poprawnych ładunków oraz zgodność liczby jonów ze współczynnikami wynikającymi ze wzoru chemicznego.

Dysocjacja stopniowa zachodzi wtedy, gdy substancja nie oddaje wszystkich możliwych jonów jednocześnie, lecz etapami. W liceum dotyczy to przede wszystkim kwasów wieloprotonowych. W każdym kolejnym etapie odłączany jest jeden jon $H^+$.

Dla kwasu siarkowego(VI) można zapisać:

$$H_2SO_4 \rightarrow H^+ + HSO_4^-$$

$$HSO_4^- \rightarrow H^+ + SO_4^{2-}$$

Dla kwasu fosforowego(V):

$$H_3PO_4 \rightarrow H^+ + H_2PO_4^-$$

$$H_2PO_4^- \rightarrow H^+ + HPO_4^{2-}$$

$$HPO_4^{2-} \rightarrow H^+ + PO_4^{3-}$$

Można też zapisać równanie sumaryczne, np. $$H_3PO_4 \rightarrow 3H^+ + PO_4^{3-}$$ ale zapis stopniowy lepiej pokazuje przebieg procesu. W zadaniach trzeba odróżniać zapis sumaryczny od zapisu etapowego.

Dysocjacja wyjaśnia, dlaczego roztwory mają określony odczyn. Jeżeli w roztworze przeważają jony $H^+$, odczyn jest kwasowy. Jeżeli przeważają jony $OH^-$, odczyn jest zasadowy. Gdy ilości tych jonów są sobie równe, roztwór ma odczyn obojętny.

Do opisu odczynu używa się wielkości pH. Im mniejsze pH, tym roztwór jest bardziej kwasowy. Im większe pH, tym bardziej zasadowy. W temperaturze pokojowej roztwór obojętny ma $pH = 7$.

Odczyn można badać za pomocą wskaźników kwasowo-zasadowych, które zmieniają barwę zależnie od środowiska. Wiedza o dysocjacji pomaga przewidywać, jaki charakter będzie miał roztwór danej substancji.

Na poziomie licealnym bardzo ważna jest umiejętność łączenia trzech elementów: wzoru substancji, rodzaju powstających jonów oraz wpływu tych jonów na właściwości roztworu.