Раздел 4. РЕАКЦИИ В РАСТВОРАХ

Определения и обозначения

Электролитическая диссоциация — распад электролита на ионы при растворении в воде. Ионы могут перемещаться в растворе и участвовать в реакциях. Катионы заряжены положительно, анионы — отрицательно; эти названия помогают различать частицы и учитывать их заряд.

Ионное уравнение — запись реакции между веществами в растворе с помощью формул ионов. Оно показывает, какие частицы взаимодействуют после растворения исходных веществ. Такая запись помогает отличить химическое изменение от простого смешивания растворов.

Полное ионное уравнение записывает растворимые сильные электролиты как отдельные ионы, а осадки, газы и слабые электролиты — как формулы веществ. Оно раскрывает состав раствора до и после реакции. По нему можно увидеть все ионы, в том числе те, которые не меняются.

Сокращённое ионное уравнение получают, исключая ионы, одинаковые в левой и правой частях полного уравнения. Оставшиеся частицы непосредственно участвуют в превращении. Эта запись нужна, чтобы показать сущность реакции без ионов-наблюдателей.

Как это устроено

При растворении электролит распадается на подвижные ионы, потому что молекулы воды взаимодействуют с заряженными частицами и отделяют их друг от друга. В растворе такие частицы способны свободно перемещаться и встречаться. Поэтому при смешивании растворов реакцию часто описывают как взаимодействие ионов, а не целых молекул.

Чтобы записать реакцию обмена, сначала составляют молекулярное уравнение: оно показывает исходные вещества и возможные продукты. Затем проверяют растворимость веществ и силу электролитов, поскольку от них зависит, какие формулы можно разложить на ионы. В полном ионном уравнении растворимые сильные электролиты раскрывают на ионы, а нерастворимые ионы не образующие вещества оставляют целыми формулами.

В полном уравнении иногда одна и та же частица стоит по обе стороны без изменений. Она присутствует в растворе до и после реакции и не входит в состав нового осадка, газа или слабого электролита. Если убрать такие одинаковые частицы с обеих сторон, получится сокращённое уравнение, показывающее реальное превращение.

Обмен в растворе обычно идёт до конца, когда один из продуктов перестаёт оставаться в растворе в виде свободных ионов. Так происходит, если образуется осадок, выделяется газ или появляется слабый электролит, например вода. Удаление продукта из раствора препятствует простому обратному обмену и способствует дальнейшему протеканию реакции.

При уравнивании нужно соблюдать два закона: сохранять число атомов каждого элемента и суммарный заряд. Атомы не исчезают при превращении, а электрический заряд не возникает сам по себе. Поэтому после подбора коэффициентов отдельно сравнивают число атомов и складывают заряды всех частиц в левой и правой частях.

Как записывать реакции в растворах электролитов

Пользуйтесь таблицей сверху вниз: сначала запишите реакцию молекулярно, затем определите, какие вещества распадаются на ионы. После сокращения проверьте атомы и заряд в итоговом уравнении. Такой порядок не позволяет случайно представить осадок или воду в виде свободных ионов.

Разбор задач

Задача 1. Составьте молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения реакции растворов нитрата серебра и хлорида натрия. Нужно выяснить, какой продукт малорастворим, а затем найти ионы, которые не изменились. Для проверки используем таблицу растворимости.

1. Записываем обмен: AgNO₃ + NaCl → AgCl + NaNO₃. Хлорид серебра нерастворим, поэтому отмечаем его как осадок: AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃.
2. Растворимые соли раскладываем на ионы: Ag⁺ + NO₃⁻ + Na⁺ + Cl⁻ → AgCl↓ + Na⁺ + NO₃⁻. Осадок оставляем целой формулой, так как он не представлен свободными ионами в растворе.
3. Ионы Na⁺ и NO₃⁻ стоят с обеих сторон и не меняются, поэтому исключаем их. Остаётся Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓; заряды слева в сумме равны нулю, как и заряд осадка.

Ответ: молекулярное уравнение — AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃; полное ионное — Ag⁺ + NO₃⁻ + Na⁺ + Cl⁻ → AgCl↓ + Na⁺ + NO₃⁻; сокращённое — Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓. Осадок образуется из ионов серебра и хлорида.

Задача 2. Составьте молекулярное и сокращённое ионное уравнения реакции растворов серной кислоты и гидроксида калия. Здесь основанием для сокращённого уравнения будет образование воды. Сначала уравняем нейтрализацию с учётом двух атомов водорода в формуле кислоты.

1. Молекулярное уравнение: H₂SO₄ + 2KOH → K₂SO₄ + 2H₂O. Коэффициент 2 перед KOH нужен, чтобы нейтрализовать два атома водорода и получить два моля воды.
2. В полном ионном виде сильные электролиты представлены ионами: 2H⁺ + SO₄²⁻ + 2K⁺ + 2OH⁻ → 2K⁺ + SO₄²⁻ + 2H₂O. Воду оставляем молекулой, потому что это слабый электролит.
3. Ионы K⁺ и SO₄²⁻ сокращаются. Получаем 2H⁺ + 2OH⁻ → 2H₂O, или после сокращения коэффициентов H⁺ + OH⁻ → H₂O.

Ответ: молекулярное уравнение — H₂SO₄ + 2KOH → K₂SO₄ + 2H₂O; сокращённое ионное — H⁺ + OH⁻ → H₂O. Проверка показывает одинаковое число атомов и нулевой суммарный заряд с обеих сторон.

Задача 3. Составьте молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения реакции растворов карбоната натрия и соляной кислоты. При взаимодействии сначала образуется угольная кислота, но она неустойчива. Поэтому её разложение на воду и углекислый газ учитывают в итоговом уравнении.

1. Составляем уравнение с учётом двух атомов натрия и двух ионов водорода: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂CO₃. Угольная кислота разлагается, поэтому окончательно записываем Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑.
2. Раскладываем растворимые сильные электролиты: 2Na⁺ + CO₃²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → 2Na⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + CO₂↑. Воду и газ записываем формулами веществ.
3. Ионы Na⁺ и Cl⁻ присутствуют по обе стороны без изменений. После их исключения остаётся CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑; слева общий заряд равен нулю, справа вещества нейтральны.

Ответ: молекулярное уравнение — Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑; полное ионное — 2Na⁺ + CO₃²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → 2Na⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + CO₂↑; сокращённое — CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑. Проверка подтверждает сохранение атомов и заряда.

Типичные ошибки

Ошибка — раскладывать на ионы осадки, газы и слабые электролиты. Так делают по аналогии с растворимыми сильными электролитами, забывая, что осадок не существует преимущественно как свободные ионы, а вода и слабые кислоты диссоциируют мало. Проверяйте растворимость и силу электролита: эти вещества оставляют формулами.

Ошибка — не сокращать ионы-наблюдатели или удалять частицу, которая есть только с одной стороны. Первое делает запись избыточной, второе нарушает состав уравнения. Сверьте полное ионное уравнение: сокращать можно только одинаковые ионы с одинаковыми зарядами, присутствующие слева и справа.

Ошибка — считать, что любая реакция обмена обязательно идёт до конца. Сам факт обмена формулами не означает, что один из продуктов покидает раствор или слабо диссоциирует. Проверьте, образуются ли осадок, газ или слабый электролит; если нет, оснований считать реакцию необратимой в растворе нет.

Ошибка — подбирать коэффициенты только по атомам и забывать о заряде. Её допускают, когда воспринимают ионную запись как обычное молекулярное уравнение. Для самопроверки отдельно сосчитайте атомы и сложите заряды частиц слева и справа: оба баланса должны совпасть.

Связь с другими темами

Для работы с ионными уравнениями нужны формулы и названия ионов, их заряды, понятия электролита и неэлектролита, а также умение пользоваться таблицей растворимости. Эти знания позволяют определить состав раствора и предсказать, выпадет ли осадок. Уравнивание опирается на закон сохранения массы веществ и закон сохранения электрического заряда.

Ионный подход пригодится при изучении кислот, оснований и солей: он помогает описывать нейтрализацию и другие реакции в воде. Он также используется при разборе гидролиза солей и качественных реакций на ионы. В последних по характерному осадку или газу распознают присутствие определённых частиц.

Что запомнить

• В растворах электролитов реакция протекает между ионами.
• Растворимые сильные электролиты в ионном уравнении записывают в виде ионов.
• Осадки, газы и слабые электролиты записывают формулами веществ.
• Сокращённое ионное уравнение показывает, какие частицы действительно изменяются.
• Ионы-наблюдатели исключают из обеих частей полного ионного уравнения.
• Образование осадка, газа или слабого электролита может быть движущей силой реакции обмена.