NaCl电离所需能量谁提供?
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教育
2024-09-20 06:13
北京
发表于《高中数理化》,也是山东科技出版社《用原子的眼睛看世界——中学化学关键知识解读》的一篇。
1.同样是电解质,为什么熔融状态下离子化合物电离而共价化合物不易电离?离子化合物由阴阳离子按照一定的规律堆积形成,离子间的作用力是离子键。随着温度的升高,阴阳离子振动幅度不断加大,待离子振动幅度极大,以至于可离开晶格位置自由移动时,晶体状态就不复存在,它熔化为液态。共价化合物在晶体状态下,分子间通过范德华力结合在一起,这些分子也是在晶格结点上振动,随着温度升高振动幅度也是不断加大的,待到分子获得足够能量可以离开晶格结点自由移动时,该共价化合物处于熔融状态。在液体状态的共价化合物中,自由移动的微粒是分子而非阴阳离子。需要指出的是,液体状态下,共价化合物的电解质并非绝对不能电离,有时它们通过分子间碰撞也可能发生某些带电粒子的传递过程,发生自偶电离。比如:水:H2O
+ H2O ⇌ H3O+ + OH-(传递质子)H2SO4:H2SO4+ H2SO4 ⇌ H3SO4+ + HSO4-(传递质子)液态SO3:SO3+ SO3 ⇌ SO42- + SO22+(传递O2-)液态PCl5:PCl5+ PCl5 ⇌ PCl6- + PCl4+(传递Cl-)但是这些自耦电离过程都是微弱、可逆的,因为共价键强度大,而分子晶体熔点又较低,该熔点温度下,破坏共价键比较困难。如下图所示,将NaCl晶体放入水中,具有极性的H2O分子因静电作用靠近晶体,分别跟正电性的Na+与负电性的Cl-作用,形成水合离子,将它们“拉下水”。这个过程显示,离子晶体溶解的过程就是其电离的过程。当然,溶液中游弋的水合钠离子、水合氯离子碰撞到晶体表面,也有可能回到晶体状态(结晶过程),当水合的速率跟结晶的速率相等时,即达到溶解平衡状态(溶液饱和)。水也可以使共价化合物电解质电离:首先是H2O的极化作用,也包含水对电离后所得离子的水合作用。如:
首先,是H2O以电性不同的端分别靠近极性分子HCl不同电性的一极,对HCl分子进行极化(拉扯),导致H—Cl极性键的极性进一步加剧,进而键被拉断(HCl分子发生异裂),这个过程就是HCl的电离;然后,电离所得H+、Cl-分别跟H2O发生水合作用,形成水合离子。这个问题,在历史上曾经令科学家困惑不解,甚至影响到电离理论的及时问世。电离现象发现的早期,法拉第等著名科学家就是因为找不到电离所需能量来源,而坚持认为电解质只有在通电后才会发生电离,对于溶解过程即发生电离持怀疑态度。通过前面的分析我们可以看到,无论哪一类电解质,其电离过程均可认为包含2个步骤:键的断裂(吸收能量)和离子的水合(释放能量)。电解质电离总过程中吸收能量还是释放能量,取决于这两个过程的相对强弱。也就是说,电解质电离,未必一定需要从外界吸收能量。实验事实表明,像H2SO4、NaOH、HCl等电解质,其溶解过程是释放能量的。这说明,后期离子的水合作用所释放的能量,要大于断键电离所需要能量。像KNO3等电解质电离过程需要吸收能量,该能量可以来自周围环境。其代价就是溶液的温度下降,环境的能量支持了电离。