Номер 4, страница 142 - гдз по химии 11 класс учебник Мычко, Прохоревич

4. Почему электролитическая диссоциация в растворах протекает самопроизвольно?

Электролитическая диссоциация — это процесс распада электролита (соли, кислоты, основания) на ионы при его растворении в полярном растворителе, например, в воде. Самопроизвольность любого процесса с точки зрения термодинамики определяется изменением энергии Гиббса ($\Delta G$). Процесс протекает самопроизвольно, если энергия Гиббса системы уменьшается, то есть ее изменение отрицательно ($\Delta G < 0$).

Изменение энергии Гиббса описывается уравнением Гиббса-Гельмгольца:

$\Delta G = \Delta H - T\Delta S$

где:

$\Delta G$ — изменение энергии Гиббса (движущая сила процесса);

$\Delta H$ — изменение энтальпии (тепловой эффект процесса);

$T$ — абсолютная температура;

$\Delta S$ — изменение энтропии (меры беспорядка системы).

Для того чтобы диссоциация была самопроизвольной, необходимо, чтобы $\Delta G$ было отрицательным. Рассмотрим, как энтальпийный и энтропийный факторы влияют на этот процесс.

Энтальпийный фактор ($\Delta H$)

Изменение энтальпии при растворении и диссоциации складывается из двух основных процессов:

Разрушение кристаллической решетки электролита. Этот процесс требует затрат энергии, чтобы преодолеть силы притяжения между ионами в кристалле. Следовательно, этот этап является эндотермическим ($\Delta H_{реш} > 0$).

Гидратация (или сольватация) ионов. Освободившиеся ионы взаимодействуют с полярными молекулами растворителя (например, воды), образуя гидратные оболочки. Этот процесс сопровождается выделением энергии, так как образуются новые связи "ион-диполь". Следовательно, этот этап является экзотермическим ($\Delta H_{гидр} < 0$).

Суммарное изменение энтальпии равно: $\Delta H_{раств} = \Delta H_{реш} + \Delta H_{гидр}$.

В зависимости от соотношения этих величин, общий процесс растворения может быть как экзотермическим ($\Delta H < 0$, например, растворение $NaOH$), так и эндотермическим ($\Delta H > 0$, например, растворение $NH_4NO_3$). Таким образом, один только энтальпийный фактор не может объяснить самопроизвольность процесса во всех случаях, так как даже эндотермические процессы растворения протекают самопроизвольно.

Энтропийный фактор ($\Delta S$)

Энтропия является мерой неупорядоченности или хаоса в системе. При диссоциации происходит переход от жестко упорядоченной структуры кристаллической решетки, где ионы имеют фиксированное положение, к состоянию, где ионы свободно и хаотично движутся в объеме раствора. Кроме того, из одной частицы (молекулы или формульной единицы) электролита образуются две или более частиц (ионов). Например:

$NaCl_{(тв)} \rightarrow Na^+_{(aq)} + Cl^-_{(aq)}$

Из одной частицы твердого вещества образуются две подвижные частицы в растворе. Это приводит к значительному увеличению беспорядка в системе. Таким образом, изменение энтропии в процессе диссоциации всегда является большой положительной величиной ($\Delta S > 0$).

Общий вывод

Возвращаясь к уравнению $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$, мы видим, что член $-T\Delta S$ вносит решающий вклад. Поскольку $\Delta S$ всегда имеет большое положительное значение, то при стандартных температурах член $-T\Delta S$ будет большим и отрицательным.

Даже если процесс диссоциации является эндотермическим ($\Delta H > 0$), значительное увеличение энтропии ($\Delta S \gg 0$) приводит к тому, что отрицательный член $-T\Delta S$ "перевешивает" положительный $\Delta H$. В результате суммарное изменение энергии Гиббса ($\Delta G$) становится отрицательным, что и делает процесс самопроизвольным.

Ответ: Электролитическая диссоциация в растворах протекает самопроизвольно, потому что, несмотря на энергетические затраты на разрушение кристаллической решетки, этот процесс приводит к значительному увеличению энтропии (беспорядка) системы. Переход от упорядоченной структуры твердого вещества к свободно движущимся гидратированным ионам в растворе настолько увеличивает энтропию ($\Delta S > 0$), что это делает изменение энергии Гиббса ($\Delta G = \Delta H - T\Delta S$) отрицательным. Отрицательное значение $\Delta G$ является термодинамическим критерием самопроизвольности процесса.