Для количественной характеристики способности электролита распадаться на ионы введено понятие степени диссоциации (a), т. е. отношения числа молекул, распавшихся на ионы, к общему числу молекул. Например, a=1 говорит о том, что электролит полностью распался на ионы, а a=0,2 означает, что продиссоциировала лишь каждая пятая из его молекул. При разбавлении концентрированного раствора, а также при нагревании его электропроводность повышается, так как возрастает степень диссоциации.
В зависимости от величины а электролиты условно делятся на сильные (диссоциируют практически нацело, a>0,95), средней силы (0,95 >a>0,3) и слабые (a<0,3). Cuльными электролитами являются многие минеральные кислоты (HCl, HBr, HI, H2SO4, HNO3 и др.), щёлочи (NaOH, КОН, Са(ОН)2 и др.), почти все соли. К слабым принадлежат растворы некоторых минеральных кислот (H2S, H2SO3, H2CO3, HCN, HClO), многие органические кислоты (например, уксусная СН3СООН), водный раствор аммиака (NH3•nН2О), вода, некоторые соли ртути (HgCl2). К электролитам средней силы часто относят плавиковую HF, ортофосфорную Н3РО4 и азотистую HNO2 кислоты.
В теории, разработанной американским физикохимиком Гилбертом Ньютоном Льюисом (1875—1946), кислотно-основные свойства частиц определяются, исходя из их электронного строения. Кислота, по Льюису, — это вещество, являющееся акцептором электронной пары, а основание — донором электронной пары. Так, в реакции образования иона аммония молекула аммиака служит основанием, а ион водорода — кислотой:
N••H3+Н+®NH+4
Теория Льюиса позволяет включить в число кислот и оснований вещества, не содержащие водорода. Например, бромид железа(Ш) является кислотой Льюиса, поскольку атом железа выступает акцептором (у него есть вакантные орбитали), а бромид-ион — основанием Льюиса (у него имеются электронные пары). Кислота и основание Льюиса реагируют друг с другом:
FeBr3+Br-= FeBr4-.
Понятия кислоты и основания, сформулированные Аррениусом, получили развитие в трудах других учёных. В 1923 г. датский физикохимик Иоханнес Николаус Брёнстед (1879—1947) и английский химик Томас Лоури (1874—1936) выдвинули протолитическую теорию, согласно которой кислотой является частица, отдающая протон (донор Н+). Основание в таком случае — частица, принимающая протон (акцептор Н+). Реакция между кислотой и основанием заключается в переносе протона от кислоты к основанию. Эти представления позволили расширить понятия кислоты и основания, распространив их также и на отдельные ионы. Например, аммиак в водном растворе является основанием, а вода — кислотой:
NH3+H2O«NH4++OH-. основание кислота кислота основание
В результате взаимодействия кислоты с основанием образуются новая кислота и новое основание. Как правило, такие реакции являются обратимыми, а положение равновесия смещено в сторону образования наиболее слабой кислоты и наиболее слабого основания (в приведённом примере — влево).
Некоторые ионы настолько прочно удерживают гидратную воду, что кристаллизуются из раствора в виде кристаллогидратов. Таким веществом, например, является медный купорос — пятиводный сульфат меди CuSO4•5Н2О. Интересно, что непосредственно с атомом меди связаны лишь четыре молекулы воды, а пятая находится в пустотах кристаллической решётки. При нагревании синие кристаллы медного купороса отщепляют воду, превращаясь в серый порошок — безводный сульфат меди. А если он попадёт в воду, произойдёт обратный процесс — гидратация, сопровождающаяся выделением тепла. Этот простой опыт показывает, что окраска медного купороса вызвана именно гидратированными ионами мели.
Безводный сульфат меди CuSO4 бесцветный (слева), но при соприкосновении с водой он мгновенно превращается в медный купорос CuSO4•5Н2О (справа).
Новый этап в развитии представлений о кислотах и основаниях связан с созданием теории электролитической диссоциации, разработанной в 1887 г. С. Аррениусом. Согласно этой теории, кислоты, основания и соли в водных растворах диссоциируют (от лат. dissociatio — «разлагаю»), т. е. распадаются на ионы, благодаря чему раствор становится электропроводным. Такие вещества были названы электролитами (от греч. «литос» — «растворённый»). Однако не все электролиты в водных растворах существуют исключительно в виде ионов. Так, например, в растворах уксусной кислоты количество недиссоциированных молекул во много раз превышает число молекул, которые распались на ионы.
С позиции теории Аррениуса кислотой называют электролит, диссоциирующий в водном растворе с образованием катионов лишь одного типа — ионов водорода. Аналогично, основание — это электролит, образующий при диссоциации лишь один тип анионов — гидроксид-ионы. (Более подробно о теории Аррениуса см. статью «Его Величество Раствор».)
Марка, выпушенная в Швеции в честь открытия явления электролитической диссоциации.
Сейчас грамотному химику не придёт в голову пробовать на вкус вещества, с которыми он работает, хотя в прошлом вкус являлся обязательной характеристикой при описании каждого соединения. Первоначально под кислотой понимали вещество, раствор которого имеет кислый вкус.
Главные минеральные кислоты — соляная, серная и азотная — были получены ещё алхимиками. Постепенно накапливались факты, свидетельствующие об общих свойствах кислот, например об их способности разрушать металлы. А. Л. Лавуазье попытался объяснить свойства кислот наличием в них кислорода. Однако кислородная теория кислот сдала свои позиции после того, как был доказан состав соляной кислоты: она кислорода не содержит. В итоге кислородная теория сменилась водородной, которую разработали Г. Дэви и Ю. Либих. Согласно ей, кислотами являются вещества, содержащие атомы водорода, способные замещаться на металл.
Многие простые тела существуют в различных видоизменениях, а элемент есть нечто, изменению не подлежащее. Так, углерод является в виде угля, графита и алмаза, которые суть различные тела, притом простые, а элемент один. Тот же углерод содержится и в углекислом газе, но в нём нет ни угля, ни графита, ни алмаза.
Д. И. Менделеев. «Основы химии»
Химия, как и любая другая наука, имеет свой особый язык Это язык химических символов, формул и уравнений реакций. Каждое химическое соединение записывается в виде формулы, показывающей, атомы каких элементов и в каком количестве в нём присутствуют.
В настоящее время известно около 500 тыс. неорганических веществ. Знать все их формулы и названия, не говоря уже о свойствах, практически
невозможно. Чтобы легче ориентироваться в мире химии, всё это многообразие веществ подразделено на отдельные классы, включающие соединения, сходные по строению и свойствам.