§ 15. Реакции в водных растворах электролитов

Определения и обозначения

Электролит — вещество, растворы или расплавы которого проводят электрический ток благодаря подвижным ионам. В воде многие электролиты распадаются на положительно заряженные катионы и отрицательно заряженные анионы; этот процесс называют диссоциацией. Поэтому свойства раствора зависят не только от формулы исходного вещества, но и от того, какие ионы в нём появились.

Реакция ионного обмена — взаимодействие электролитов в растворе, при котором их ионы обмениваются партнёрами. Например, катион одного вещества может соединиться с анионом другого. Сам факт обмена ещё не означает, что реакция завершится: она идёт до конца, если образуется осадок, газ или слабый электролит.

Полное ионное уравнение показывает состав раствора во время реакции: сильные растворимые электролиты в нём записывают отдельными ионами. Осадки, газы, воду и слабые электролиты оставляют в молекулярной форме, потому что они не существуют в растворе преимущественно как свободные ионы. Такая запись позволяет увидеть частицы, реально присутствующие до и после взаимодействия.

Сокращённое ионное уравнение описывает только частицы, которые непосредственно вступают в реакцию или образуются в результате неё. Его получают из полного уравнения, убирая одинаковые ионы из обеих частей. Эти неизменившиеся частицы называют ионами-наблюдателями: они находятся в растворе, но не влияют на химическое превращение.

Как это устроено

Растворимые сильные электролиты распадаются на ионы, поэтому в воде нет отдельных «молекул соли», которые могли бы целиком обмениваться частями. Например, при растворении NaCl появляются ионы Na⁺ и Cl⁻. Именно ионы сталкиваются и взаимодействуют, а формулы веществ в молекулярном уравнении лишь условно показывают, какие растворы смешали.

При смешивании растворов катионы и анионы могут составить новые пары, однако обмен сам по себе не меняет состояние системы. Если новые вещества тоже хорошо растворимы и полностью диссоциируют, в растворе остаётся прежний набор ионов. Поэтому прежде чем записывать реакцию как состоявшуюся, проверяют, есть ли среди продуктов осадок, газ или слабый электролит.

Малорастворимое вещество образует осадок, потому что его частицы почти не остаются в виде свободных ионов в воде. Ионы, вошедшие в кристаллическую структуру осадка, удаляются из раствора, поэтому равновесие смещается в сторону его образования. В уравнении осадок обозначают формулой вещества и при необходимости стрелкой вниз, например AgCl↓.

Газ покидает раствор, и его концентрация в жидкой фазе уменьшается. Один из типичных случаев — действие кислоты на карбонат: сначала образуется угольная кислота H₂CO₃, затем она распадается на CO₂ и H₂O. Выделение CO₂ отмечают стрелкой вверх; уход газа делает превращение практически необратимым в данных условиях.

Слабый электролит образует мало ионов, поэтому его появление уменьшает количество свободных частиц в растворе. При нейтрализации ионы H⁺ и OH⁻ соединяются в молекулы воды. Чтобы составить уравнение, сначала записывают вещества молекулами, затем сильные растворимые электролиты раскрывают на ионы и, наконец, сокращают одинаковые ионы по обе стороны записи.

Условия протекания реакций ионного обмена в растворах

Пользуйтесь таблицей после того, как составили предполагаемые продукты обмена: проверьте растворимость веществ, возможность выделения газа и образование слабого электролита. Затем запишите сокращённое ионное уравнение, оставив только участвующие частицы. Если ни одного из трёх условий нет, обмен обычно не приводит к реакции, и сокращённого уравнения с превращением частиц не получается.

Разбор задач

Задача 1. Составьте молекулярное уравнение реакции растворов нитрата серебра и хлорида натрия и укажите признак её протекания.

1. Запишите формулы исходных веществ: AgNO₃ и NaCl. При обмене партнёрами получаются AgCl и NaNO₃.
2. Проверьте растворимость продуктов: нитрат натрия растворим, а хлорид серебра малорастворим. Значит, он выпадает в осадок и обеспечивает протекание реакции.
3. Уравнение сбалансировано коэффициентами 1: AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃.

Ответ: образуется белый осадок AgCl. Сокращённая запись процесса: Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓.

Задача 2. Для реакции растворов серной кислоты и гидроксида калия запишите молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения.

1. При обмене образуются сульфат калия и вода. Учитывая, что H₂SO₄ двухосновная, расставьте коэффициенты: H₂SO₄ + 2KOH → K₂SO₄ + 2H₂O.
2. Разделите сильные растворимые электролиты на ионы. Полное уравнение: 2H⁺ + SO₄²⁻ + 2K⁺ + 2OH⁻ → 2K⁺ + SO₄²⁻ + 2H₂O.
3. Ионы K⁺ и SO₄²⁻ не меняются, поэтому уберите их из обеих частей. Оставшиеся коэффициенты можно сократить на два.

Ответ: сокращённое уравнение — H⁺ + OH⁻ → H₂O. Реакция идёт за счёт образования воды, слабого электролита.

Задача 3. Определите, произойдёт ли реакция при смешивании растворов карбоната натрия и соляной кислоты; составьте молекулярное, полное и сокращённое уравнения.

1. Обмен даёт хлорид натрия и угольную кислоту. Она неустойчива и распадается на воду и углекислый газ, поэтому итоговая запись: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + CO₂↑ + H₂O.
2. Сильные растворимые электролиты разделите на ионы: 2Na⁺ + CO₃²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → 2Na⁺ + 2Cl⁻ + CO₂↑ + H₂O.
3. Сократите неизменившиеся Na⁺ и Cl⁻. Карбонат-ион и ионы водорода оставьте, поскольку они превращаются в газ и воду.

Ответ: реакция происходит с выделением CO₂; сокращённое уравнение — CO₃²⁻ + 2H⁺ → CO₂↑ + H₂O.

Типичные ошибки

Считать любой обмен ионов состоявшейся реакцией — значит не проверить продукты. Ошибка возникает, когда новые формулы принимают за достаточное доказательство превращения, хотя все вещества могут остаться растворёнными. Проверьте, появляется ли осадок, газ или слабый электролит; если нет, оснований считать обмен реакцией до конца нет.

Запись сильных растворимых электролитов молекулами в ионном уравнении скрывает реальные частицы раствора. Так часто делают по привычке, перенося молекулярную запись без изменений. Сверьте каждое вещество с правилами растворимости и силой электролита: растворимые соли, сильные кислоты и основания нужно раскрыть на ионы.

Нельзя разделять на свободные ионы осадки, газы, воду и слабые электролиты. Это происходит, если забывают, что ионная запись показывает частицы, существующие в растворе, а не просто формальные составные части формулы. Проверьте состояние и свойства продукта: вода и осадок должны остаться в молекулярном виде.

Если не сократить ионы-наблюдатели, уравнение не будет сокращённым; если убрать участвующие ионы, исчезнет сама суть реакции. Такая ошибка появляется при сокращении по внешнему сходству, без сравнения зарядов и формул. Сопоставьте обе части полного уравнения и удаляйте только одинаковые ионы, сохраняя баланс атомов и заряда.

Связь с другими темами

Для составления ионных уравнений нужны знания о формулах веществ, катионах и анионах, а также о диссоциации кислот, оснований и солей. Правила растворимости помогают определить, появится ли осадок, а знание свойств кислот и карбонатов — предсказать выделение газа. Поэтому полезно сначала уверенно читать формулы и определять заряд ионов.

Ионные уравнения применяют при составлении уравнений реакций и анализе качественных реакций на ионы: по осадку или газу можно распознать некоторые частицы в растворе. Эта тема также подготавливает к изучению химического равновесия. Удаление продукта из раствора помогает понять, почему некоторые превращения смещаются в сторону продуктов.

Что запомнить

• В растворе электролита реакцию описывают с учётом присутствующих ионов.
• Ионный обмен протекает до конца, если образуется осадок, газ или слабый электролит.
• Растворимые сильные электролиты в ионном уравнении записывают в виде ионов.
• Осадки, газы, воду и слабые электролиты обычно оставляют в молекулярной форме.
• Сокращённое ионное уравнение получают удалением одинаковых ионов из обеих частей полного уравнения.
• Число атомов и суммарный заряд должны сохраняться в каждом уравнении.