Электрические свойства веществ — это совокупность их способностей проводить или не проводить электрический ток в разных состояниях: в твердом виде, в расплавах и в водных растворах. С точки зрения школьной химии важно понимать, какие частицы несут заряд, как они образуются и почему в одних веществах ток идет легко, а в других практически не проходит. Главная идея проста: электричество переносится свободными заряженными частицами — электронами или ионами. Значит, чтобы предсказать электропроводность, нужно разобраться в типе химической связи и в том, облегчают ли условия (растворение, нагревание) появление свободных носителей заряда.

Начнем с фундаментального различия: электронная проводимость и ионная проводимость. В металлах связь особая — металлическая связь. Валентные электроны здесь делокализованы, образуя так называемое «электронное облако», которое свободно перемещается по кристаллической решетке. Поэтому металлы — медь, алюминий, железо — отличные проводники в твердом и жидком состоянии. Совсем другой механизм у растворов кислот, оснований и солей: они проводят ток не за счет электронов, а благодаря движению ионов (положительных катионов и отрицательных анионов). Такая проводимость называется ионной. Ее источник — процесс электролитической диссоциации, то есть распада частиц на ионы при растворении в воде или при плавлении. Если ионов нет или они «заперты» в узлах кристаллической решетки, ток не идет.

Теперь — о типах веществ и связи. Ионные кристаллы (например, NaCl, KBr, CaCl2) состоят из ионов, сильно притягивающихся друг к другу. В твердом состоянии они не проводят ток: ионы жестко закреплены в решетке и не могут перемещаться. Но при плавлении или растворении в воде ионы становятся подвижными — расплавы и растворы таких веществ становятся электропроводными. Вещества с ковалентной неполярной связью (метан, водород, сахароза) обычно неэлектролиты: молекулы целиком нейтральны, и при растворении в воде ионы не образуются — ток практически не идет. Вещества с ковалентной полярной связью ведут себя по-разному: если молекулы способны распадаться на ионы в воде (например, HCl, HNO3, CH3COOH), то растворы будут проводить ток; если нет (например, этанол C2H5OH, глюкоза), то это неэлектролиты. Наконец, особый случай — ковалентные кристаллические решетки: алмаз — прекрасный диэлектрик, а графит проводит ток благодаря слоистой структуре и наличию делокализованных электронов. Это лучший пример того, как строение решетки влияет на электрические свойства.

Чтобы на практике распознать, проводит ли вещество ток, используют простейший опыт с индикаторной лампочкой или измерителем проводимости. Возьмем три раствора одинаковой концентрации: поваренная соль (NaCl), соляная кислота (HCl) и сахар. Лампочка ярко горит в растворах NaCl и HCl — это электролиты и сильные проводники: NaCl → Na+ + Cl−; HCl → H+ + Cl−. В растворе сахара свет не загорается: молекулы не распадаются на ионы, значит, передавать заряд некому. Похожий опыт можно провести с уксусной кислотой CH3COOH: лампа светится тускло — это слабый электролит, он диссоциирует лишь частично: CH3COOH ⇄ CH3COO− + H+. По яркости свечения легко сравнить способность растворов проводить ток и сделать вывод о доле ионов, присутствующих в растворе.

В школьной химии выделяют две большие группы: электролиты и неэлектролиты. К электролитам относятся водные растворы и расплавы кислот, оснований и солей. Они бывают сильными (почти полная диссоциация: HCl, HNO3, H2SO4, NaOH, KOH, NaCl, KNO3) и слабыми (частичная диссоциация: CH3COOH, H2CO3, H2S, NH3·H2O). Чем выше доля частиц, распавшихся на ионы, тем выше электропроводность. Неэлектролиты — это вещества, которые в воде не создают ионов: сахара, спирты, многие органические соединения с ковалентной неполярной связью. Отдельно отметим воду. Дистиллированная вода — очень слабый проводник, поскольку почти не содержит ионов; однако водопроводная вода и природные воды содержат растворенные соли и кислоты, поэтому проводят заметно лучше. Этот факт важен для техники безопасности: вода с примесями — опасный проводник.

Электропроводность зависит не только от природы вещества, но и от условий. Есть несколько ключевых факторов, о которых нужно помнить.

• Температура. В электролитах повышение температуры обычно увеличивает проводимость: раствор становится менее вязким, ионы двигаются быстрее. В металлах наоборот: при нагревании усиливаются колебания решетки, рассеивая электроны, поэтому проводимость снижается.
• Концентрация. Для растворов электролитов при малых и умеренных концентрациях увеличение концентрации значит больше ионов — проводимость возрастает. Однако при очень высоких концентрациях рост вязкости и явления межионного взаимодействия могут уменьшать подвижность ионов, и рост проводимости замедляется.
• Природа растворителя. Полярные растворители (вода) хорошо стабилизируют ионы (гидратация), способствуя диссоциации. Неполярные растворители (бензин, гексан) почти не поддерживают образование ионов — даже соляная кислота в них будет слабее диссоциировать.
• Размер и заряд ионов. Чем легче ион и чем меньше его гидратная оболочка, тем выше подвижность ионов. Например, H+ и OH− в воде имеют очень высокую подвижность из-за «перескакивания» протона по цепочке молекул воды.
• Строение кристаллической решетки. В твердых телах наличие свободных электронов или слоистых структур (как у графита) сильно влияет на способность проводить ток.

Еще несколько важных ситуаций, которые часто встречаются в заданиях и реальной жизни. Твердая поваренная соль не проводит ток, но ее расплав и раствор — хорошие проводники: в расплаве и растворе ионы свободны. Алмаз не проводит ток, а графит проводит — оба состоят из углерода, но их кристаллические решетки различны. Этанол и сахар плохо проводят ток даже в растворах — нет ионов. Соляная кислота — сильный электролит, ее растворы проводят ток очень хорошо, в то время как уксусная кислота — слабый электролит: часть молекул остается недиссоциированной. Аммиак в воде (нашатырный спирт) — слабое основание: образует ионы NH4+ и OH−, но степень диссоциации невелика, поэтому лампочка светится слабо.

Рассмотрим, как на практике рассуждать в задачах. Допустим, нужно определить, какие из перечисленных веществ будут проводить ток: NaCl(тверд.), NaCl(расплав), раствор NaCl, сахарный раствор, H2SO4(раствор), раствор CH3COOH, графит, алмаз. Действуем пошагово:

1. Определяем тип связи и состояние вещества. Ионные соединения в твердом состоянии — не проводят; их расплавы и растворы — проводят. Молекулярные неэлектролиты — не проводят в растворах. Кристаллическая форма углерода зависит от строения.
2. Применяем: NaCl(тверд.) — нет движущихся зарядов, не проводит; NaCl(расплав) и раствор NaCl — ионы подвижны, проводят.
3. Сахарный раствор — молекулярный неэлектролит, не проводит.
4. H2SO4(раствор) — сильный электролит, проводит очень хорошо.
5. Раствор CH3COOH — слабый электролит, проводит слабо.
6. Графит — наличие делокализованных электронов, проводит; алмаз — прочная ковалентная решетка без свободных носителей, не проводит.

Отдельно обсудим явление электролиза — протекание химических реакций под действием электрического тока через расплав или раствор электролита. На электродах происходят окислительно-восстановительные реакции, что подтверждает движение ионов. Классический пример: раствор CuSO4 с медными электродами. При пропускании тока медь осаждается на катоде (Cu2+ + 2e− → Cu), а на аноде атомы меди переходят в раствор (Cu → Cu2+ + 2e−). Этот опыт не только демонстрирует ионную проводимость, но и показывает практическую значимость электролитов: гальваностегия (нанесение покрытий), очистка металлов, работа аккумуляторов.

Знание электрических свойств веществ важно в быту и технике. Аккумуляторы и батареи основаны на движении ионов в электролите между электродами. Соляной раствор хорошо проводит ток — поэтому мокрые и соленые дорожные покрытия усиливают коррозию автомобилей (замыкаются микроэлементы из разных металлов, и в присутствии электролита идет ток). В организме человека электролиты (Na+, K+, Ca2+, Cl−) обеспечивают передачу нервных импульсов и работу мышц — концентрации ионов строго регулируются. И, конечно, правила безопасности: водопроводная вода и растворы кислот/щелочей — хорошие проводники, поэтому любые манипуляции с электричеством в сырой среде опасны. Это прямое следствие их электрических свойств.

Чтобы уверенно решать задачи и прогнозировать поведение веществ, используйте удобный алгоритм.

• Определите тип связи и состав: кислота, основание, соль обычно — электролит; молекулярные органические соединения без сильнополярных групп чаще — неэлектролиты.
• Уточните агрегатное состояние: ионные твердые тела не проводят, их расплавы и растворы — проводят; металлы проводят и в твердом, и в жидком состоянии.
• Оцените силу электролита: сильные (HCl, HNO3, NaOH, KCl) — высокая проводимость; слабые (CH3COOH, NH3·H2O) — низкая.
• Учтите температуру и концентрацию: повышение температуры обычно увеличивает проводимость растворов, а рост концентрации повышает число ионов до определенного предела.
• Помните об исключениях, связанных со структурой: графит — проводник, алмаз — нет; дистиллированная вода почти не проводит, хотя это все та же H2O.

Наконец, разберем распространенные заблуждения и тонкости. Нередко считают, что «если вещество содержит ионы, то оно всегда проводит ток» — это неверно: твердая соль ионна по строению, но ионы закреплены и неподвижны. Другая ошибка: «чем больше соли насыпать, тем сильнее проводимость» — на практике при очень высоких концентрациях раствор становится вязким, движение ионов затрудняется, поэтому рост проводимости замедляется. Также важно помнить, что «вода — хороший проводник» — верно лишь для природной или водопроводной воды; чистая дистиллированная вода — плохой проводник, потому что в ней крайне мало ионов. Еще одна тонкость — роль растворителя: раствор HCl в воде проводит отлично, а в неполярном бензине — практически нет, ведь ионы в таком растворителе не стабилизируются.

Подводя итог, электрические свойства веществ определяются наличием и подвижностью носителей заряда. В металлах это электроны — поэтому они хорошие проводники в твердом и жидком состоянии. В растворах кислот, оснований и солей ток переносят ионы — электролиты, образующиеся благодаря диссоциации. Молекулярные неэлектролиты (сахар, этанол) не дают ионов — их растворы ток не проводят. На проводимость влияют связь, структура, состояние, температура, концентрация и природа растворителя. Понимая эти закономерности, вы легко объясните результаты опытов, предскажете поведение веществ в реальных системах — от лабораторной электролизной ванны до аккумулятора в телефоне — и безопасно примените знания о электропроводности веществ в учебе и повседневной жизни.