"Химия. Базовый и углублённый уровни", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Реакция ионного обмена происходит в растворе, когда ионы электролитов образуют новые сочетания: катионы меняются партнёрами с анионами. Чтобы понять, действительно ли идёт реакция, проверяют, появляется ли осадок, газ или слабый электролит, например вода. Молекулярное уравнение показывает вещества, полное ионное — частицы в растворе, а сокращённое оставляет только участников превращения. Такой способ записи помогает объяснять наблюдаемые признаки и проверять ход реакции.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Реакция ионного обмена — взаимодействие электролитов в растворе, при котором их катионы и анионы меняются партнёрами. Например, ионы Ag⁺ и Cl⁻ могут соединиться и образовать осадок AgCl. Это понятие помогает увидеть, какие частицы действительно превращаются в новые вещества.
Полное ионное уравнение показывает растворимые сильные электролиты в виде отдельных ионов, а осадки, газы и слабые электролиты — формулами веществ. Так становится видно, какие частицы присутствуют в растворе до и после реакции. По этому уравнению находят ионы, не участвующие в превращении.
Сокращённое ионное уравнение — запись, в которой оставлены только частицы, непосредственно участвующие в реакции. Оно показывает химическую сущность процесса без повторения неизменившихся ионов. По нему удобно сравнивать реакции, даже если исходные вещества разные.
Ионы-наблюдатели — ионы, которые не изменяются в ходе реакции и присутствуют по обе стороны полного ионного уравнения. При сокращении их убирают, поскольку они не влияют на превращение. Их поиск позволяет получить краткую запись реакции, не теряя её химического смысла.
Растворимые электролиты в воде распадаются на катионы и анионы, которые могут свободно перемещаться. Поэтому при смешивании растворов взаимодействуют прежде всего заряженные частицы, а не целые молекулы растворённых веществ. Уравнение обмена отражает, какие из этих частиц соединяются или превращаются.
Чтобы составить молекулярное уравнение, сначала запишите ионы каждого реагента и обменяйте между ними партнёров: катион первого вещества соедините с анионом второго и наоборот. Формулы продуктов должны быть электронейтральными: суммарные положительный и отрицательный заряды в каждой формульной единице уравновешиваются. Затем расставьте коэффициенты, чтобы число атомов каждого элемента совпало слева и справа.
При переходе к полному ионному уравнению растворимые сильные электролиты разделяют на ионы, указывая их заряды и коэффициенты. Это делают для водных растворов солей, сильных кислот и сильных оснований. Твёрдые осадки, газы, воду и другие слабые электролиты оставляют молекулами: такое представление точнее показывает, что они не находятся в растворе как свободные ионы.
В полном уравнении одинаковые ионы, стоящие по обе стороны, можно сократить: они остаются неизменными и не участвуют в превращении. После сокращения получается сокращённое ионное уравнение. Проверьте его: количество атомов каждого элемента и суммарный заряд должны быть одинаковыми слева и справа; это обнаруживает пропущенные коэффициенты или ошибочные формулы.
Обмен в растворе практически протекает до конца, если один из продуктов выводится из раствора или почти не распадается на ионы. Так происходит при образовании осадка, выделении газа либо появлении слабого электролита, например воды. Если все продукты остаются растворимыми сильными электролитами, исходные ионы сохраняются, и самостоятельной реакции обмена нет.
| Условие протекания | Что образуется | Пример сокращённого ионного уравнения | Наблюдаемый признак |
|---|---|---|---|
| Образование осадка | Нерастворимое твёрдое вещество | Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓ | Раствор мутнеет или появляется осадок |
| Образование газа | Газ, покидающий раствор | CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑ | Выделяются пузырьки газа |
| Образование слабого электролита | Слабодиссоциирующее вещество, например вода | H⁺ + OH⁻ → H₂O | Образуется вода; обычно заметного внешнего признака нет |
Таблица помогает установить движущую силу реакции и выбрать подходящую запись её результата. Сначала проверьте, возникает ли один из указанных продуктов, а затем сопоставьте наблюдение с сокращённым уравнением. Если ни одного такого продукта нет, обмен между растворёнными ионами обычно не происходит.
Составим молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения. При обмене возможны AgCl и NaNO₃; по таблице растворимости AgCl нерастворим, значит, он выпадет в осадок. Именно образование твёрдого продукта показывает, что реакция имеет движущую силу.
При обмене карбонат-ион соединяется с ионами водорода, сначала образуется угольная кислота H₂CO₃. Она неустойчива и разлагается на воду и углекислый газ, который выходит из раствора. Поэтому итоговое сокращённое уравнение должно показывать сразу образование H₂O и CO₂.
Формальный обмен дал бы KCl и NaNO₃, но обе соли растворимы в воде. Значит, ни осадка, ни газа, ни слабого электролита не появляется, а все ионы остаются в растворе. Перестановка ионов в молекулярной записи сама по себе не означает, что химическая реакция произошла.
Записывать все вещества в виде ионов — ошибка: тогда на частицы распадаются даже осадок, газ или вода. Её допускают, механически применяя правило для растворимых сильных электролитов ко всем формулам. Проверьте агрегатное состояние и силу электролита: осадки, газы и слабые электролиты оставляйте молекулами.
Нельзя сокращать любые ионы, похожие по записи: сокращают только одинаковые частицы, стоящие по обе стороны уравнения. Ионы разных зарядов или входящие в состав образовавшегося вещества не являются наблюдателями. Сверьте формулы, заряды и коэффициенты слева и справа, прежде чем зачёркивать частицы.
Предполагать, что любые два раствора обязательно реагируют, неверно: продукты могут остаться растворимыми сильными электролитами. Такая ошибка возникает, если ориентироваться только на формальную перестановку ионов. Проверьте растворимость возможных продуктов и наличие газа или слабого электролита; без них обмен не имеет движущей силы.
Нарушать баланс атомов или заряда в сокращённом уравнении нельзя. При сокращении иногда случайно убирают разные количества частиц или забывают коэффициент. Посчитайте атомы каждого элемента и сложите заряды с учётом коэффициентов: результаты слева и справа должны совпасть.
Для этой темы нужны понятия электролита, катиона и аниона, умение определять заряды ионов и составлять формулы веществ. Таблица растворимости помогает предсказать, выпадет ли осадок, а сведения о сильных и слабых электролитах — решить, что расписывать на ионы. Эти навыки применяются при изучении кислот, оснований и солей, качественных реакций на ионы и расчётов по уравнениям реакций.
Почему реакции ионного обмена рассматривают именно для растворов электролитов?
В воде растворимые электролиты распадаются на подвижные катионы и анионы. Именно эти частицы взаимодействуют и образуют новые вещества, поэтому реакцию описывают как обмен ионов.
Какие вещества в полном ионном уравнении не расписывают на ионы?
Формулами оставляют осадки, газы и слабые электролиты, включая воду. В растворе они не представлены свободными ионами в достаточном количестве, чтобы записывать их как отдельные частицы.
Как определить, какие ионы нужно сократить?
Сравните левую и правую части полного ионного уравнения. Сокращают только одинаковые ионы с одинаковыми зарядами и коэффициентами, которые остаются неизменными.
Почему смешивание двух растворов солей не всегда приводит к реакции?
После обмена могут получиться только растворимые сильные электролиты. Если не образуются осадок, газ или слабый электролит, частицы остаются в растворе в виде тех же ионов, и видимого превращения нет.
Как проверить правильность сокращённого ионного уравнения?
Посчитайте атомы каждого элемента слева и справа, а затем сложите заряды ионов с учётом коэффициентов. Число атомов и суммарный заряд должны совпадать в обеих частях.
§ 26. В реакциях ионного обмена происходит обмен катионами и анионами
