Блок 1. Теоретические основы химии
1.4. Химическая реакция
1.4.6. Реакции ионного обмена
Реакции ионного обмена — реакции в водных растворах между электролитами, протекающие без изменений степеней окисления образующих их элементов
Необходимым условием протекания реакции между электролитами (солями, кислотами и основаниями) является образование малодиссоциирующего вещества (вода, слабая кислота, гидроксид аммония), осадка или газа.
Расcмотрим реакцию, в результате которой образуется вода. К таким реакциям относятся все реакции между любой кислотой и любым основанием. Например, взаимодействие азотной кислоты с гидроксидом калия:
HNO3 + KOH = KNO3 + H2O (1)
Исходные вещества, т.е. азотная кислота и гидроксид калия, а также один из продуктов, а именно нитрат калия, являются сильными электролитами, т.е. в водном растворе они существуют практически только в виде ионов. Образовавшаяся вода относится к слабым электролитам, т.е. практически не распадается на ионы. Таким образом, более точно переписать уравнение выше можно, указав реальное состояние веществ в водном растворе, т.е. в виде ионов:
H+ + NO3− + K+ + OH- = K+ + NO3− + H2O (2)
Как можно заметить из уравнения (2), что до реакции, что после в растворе находятся ионы NO3−и K+ . Другими словами, по сути, нитрат-ионы и ионы калия никак не участвовали в реакции. Реакция произошла только благодаря объединению частиц H+ и OH− в молекулы воды. Таким образом, произведя алгебраически сокращение одинаковых ионов в уравнении (2):
H+ + NO3− + K+ + OH- = K+ + NO3− + H2O
мы получим:
H+ + OH- = H2O (3)
Уравнения вида (3) называют сокращенными ионными уравнениями, вида (2) — полными ионными уравнениями, а вида (1) — молекулярными уравнениями реакций.
Фактически ионное уравнение реакции максимально отражает ее суть, именно то, благодаря чему становится возможным ее протекание. Следует отметить, что одному сокращенному ионному уравнению могут соответствовать множество различных реакций. Действительно, если взять, к примеру, не азотную кислоту, а соляную, а вместо гидроксида калия использовать, скажем, гидроксид бария, мы имеем следующее молекулярное уравнение реакции:
2HCl+ Ba(OH)2 = BaCl2 + 2H2O
Соляная кислота, гидроксид бария и хлорид бария являются сильными электролитами, то есть существуют в растворе преимущественно в виде ионов. Вода, как уже обсуждалось выше, – слабый электролит, то есть существует в растворе практически только в виде молекул. Таким образом, полное ионное уравнение данной реакции будет выглядеть следующим образом:
2H+ + 2Cl− + Ba2+ + 2OH− = Ba2+ + 2Cl− + 2H2O
Сократим одинаковые ионы слева и справа и получим:
2H+ + 2OH− = 2H2O
Разделив и левую и правую часть на 2, получим:
H+ + OH− = H2O,
Полученное сокращенное ионное уравнение полностью совпадает с сокращенными ионным уравнением взаимодействия азотной кислоты и гидроксида калия.
При составлении ионных уравнений в виде ионов записывают только формулы:
1) сильных кислот (HCl, HBr, HI, H2SO4, HNO3, HClO4 ) (список сильных кислот надо выучить!)
2) сильных оснований (гидроксиды щелочных (ЩМ) и щелочно-земельных металлов(ЩЗМ))
3) растворимых солей
В молекулярном виде записывают формулы:
1) Воды H2O
2) Слабых кислот (H2S, H2CO3, HF, HCN, CH3COOH (и др. практически все органические))
3) Слабых оcнований (NH4OH и практически все гидроксиды металлов кроме ЩМ и ЩЗМ
4) Малорастворимых солей (↓) («М» или «Н» в таблице растворимости).
5) Оксидов (и др. веществ, не являющихся электролитами)
Попробуем записать уравнение между гидроксидом железа (III) и серной кислотой. В молекулярном виде уравнение их взаимодействия записывается следующим образом:
2Fe(OH)3+ 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 6H2O
Гидроксиду железа (III) соответствует в таблице растворимости обозначение «Н», что говорит нам о его нерастворимости, т.е. в ионном уравнении его надо записывать целиком, т.е. как Fe(OH)3 . Серная кислота растворима и относится к сильным электролитам, то есть существует в растворе преимущественно в продиссоциированном состоянии. Сульфат железа (III), как и практически все другие соли, относится к сильным электролитам, и, поскольку он растворим в воде, в ионном уравнении его нужно писать в виде ионов. Учитывая все вышесказанное, получаем полное ионное уравнение следующего вида:
2Fe(OH)3 + 6H+ + 3SO42- = 2Fe3+ + 3SO42- + 6H2O
Сократив сульфат-ионы слева и справа, получаем:
2Fe(OH)3 + 6H+ = 2Fe3+ + 6H2O
разделив обе части уравнения на 2 получаем сокращенное ионное уравнение:
Fe(OH)3 + 3H+ = Fe3+ + 3H2O
Теперь давайте рассмотрим реакцию ионного обмена, в результате которой образуется осадок. Например, взаимодействие двух растворимых солей :
Na2CO3 + CaCl2 = CaCO3↓+ 2NaCl
Все три соли – карбонат натрия, хлорид кальция, хлорид натрия и карбонат кальция (да-да, и он тоже) – относятся к сильным электролитам и все, кроме карбоната кальция, растворимы в воде, т.е. есть участвуют в данной реакции в виде ионов:
2Na+ + CO32- + Ca2+ + 2Cl− = CaCO3↓+ 2Na+ + 2Cl−
Сократив одинаковые ионы слева и справа в данном уравнении, получим сокращенное ионное:
CO32- + Ca2+ = CaCO3↓
Последнее уравнение отображает причину взаимодействия растворов карбоната натрия и хлорида кальция. Ионы кальция и карбонат-ионы объединяются в нейтральные молекулы карбоната кальция, которые, соединяясь друг с другом, порождают мелкие кристаллы осадка CaCO3 ионного строения.
Примечание важное для сдачи ЕГЭ по химии
Чтобы реакция соли1 с солью2 протекала, помимо базовых требований к протеканиям ионных реакций (газ, осадок или вода в продуктах реакции), на такие реакции накладывается еще одно требование – исходные соли должны быть растворимы. То есть, например,
CuS + Fe(NO3)2 ≠ FeS + Cu(NO3)2
реакция не идет, хотя FeS – потенциально мог бы дать осадок, т.к. нерастворим. Причина того что реакция не идет – нерастворимость одной из исходных солей (CuS).
А вот, например,
Na2CO3 + CaCl2 = CaCO3↓+ 2NaCl
протекает, так как карбонат кальция нерастворим и исходные соли растворимы.
То же самое касается взаимодействия солей с основаниями. Помимо базовых требований к протеканию реакций ионного обмена, для того чтобы соль с основанием реагировали необходима растворимость их обоих. Таким образом:
Cu(OH)2 + Na2S – не протекает,
т.к. Cu(OH)2 нерастворим, хотя потенциальный продукт CuS был бы осадком.
А вот реакция между NaOH и Cu(NO3)2 протекает, так оба исходных вещества растворимы и дают осадок Cu(OH)2:
2NaOH + Cu(NO3)2 = Cu(OH)2 ↓+ 2NaNO3
Внимание! Ни в коем случае не распространяйте требование растворимости исходных веществ дальше реакций соль1+ соль2 и соль + основание.
Например, с кислотами выполнение этого требование не обязательно. В частности, все растворимые кислоты прекрасно реагируют со всеми карбонатами, в том числе нерастворимыми.
Другими словами:
1)Соль1+ соль2 — реакция идет если исходные соли растворимы, а в продуктах есть осадок
2) Соль + гидроксид металла – реакция идет, если в исходные вещества растворимы и в продуктах есть садок или гидроксид аммония.
Рассмотрим третье условие протекания реакций ионного обмена – образование газа. Строго говоря, только в результате ионного обмена образование газа возможно лишь в редких случаях, например, при образовании газообразного сероводорода:
K2S + 2HBr = 2KBr + H2S↑
В большинстве же остальных случаев газ образуется в результате разложения одного из продуктов реакции ионного обмена. Например, нужно точно знать в рамках ЕГЭ, что образованием газа в виду неустойчивости разлагаются такие продукты, как H2CO3, NH4OH и H2SO3:
H2CO3 = H2O + CO2 ↑
NH4OH = H2O + NH3 ↑
H2SO3 = H2O + SO2 ↑
Другими словами, если в результате ионного обмена образуются угольная кислота, гидроксид аммония или сернистая кислота, реакция ионного обмена протекает благодаря образованию газообразного продукта:
Na2CO3 + H2SO4 = Na2SO4 + H2O + CO2 ↑
NH4NO3 + KOH = KNO3 + H2O + NH3 ↑
Na2SO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + SO2 ↑
Запишем ионные уравнения для всех указанных выше реакций, приводящих к образованию газов.
1) Для реакции:
K2S + 2HBr = 2KBr + H2S↑
В ионном виде будут записываться сульфид калия и бромид калия, т.к. являются растворимыми солями, а также бромоводородная кислота, т.к. относится к сильным кислотам. Сероводород же, являясь малорастворимым и плохо диссоциирцющим на ионы газом, запишется в молекулярном виде:
2K+ + S2- + 2H+ + 2Br- = 2K+ + 2Br- + H2S↑
Сократив одинаковые ионы получаем:
S2- + 2H+ = H2S↑
2) Для уравнения:
Na2CO3 + H2SO4 = Na2SO4 + H2O + CO2 ↑
В ионном виде запишутся Na2CO3, Na2SO4 как хорошо растворимые соли и H2SO4 как сильная кислота. Вода является малодиссоциирующим веществом, а CO2 и вовсе неэлектролит, поэтому их формулы будут записываться в молекулярном виде:
2Na+ + CO32- + 2H + + SO42- = 2Na+ + SO42- + H2O + CO2 ↑
CO32- + 2H+ = H2O + CO2↑
3) для уравнения:
NH4NO3 + KOH = KNO3 + H2O + NH3↑
Молекулы воды и аммиака запишутся целиком, а NH4NO3, KNO3 и KOH запишутся в ионном виде , т.к. все нитраты являются хорошо растворимыми солями, а KOH является гидроксидом щелочного металла, т.е. сильным основанием:
NH4+ + NO3−+ K+ + OH− = K+ + NO3− + H2O + NH3↑
NH4+ + OH− = H2O + NH3↑
Для уравнения:
Na2SO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + SO2 ↑
Полное и сокращенное уравнение будут иметь вид:
2Na+ + SO32- + 2H+ + 2Cl− = 2Na+ + 2Cl− + H2O + SO2 ↑
SO32- + 2H+ = H2O + SO2 ↑ |
Меню сайта
Категории раздела
Вход
Поиск
Друзья сайта
Наш опрос
Статистика
