§ 20. Взаимодействие электролитов в растворах

Определения и обозначения

Электролит — вещество, растворы или расплавы которого проводят электрический ток благодаря наличию подвижных ионов. В воде частицы такого вещества распадаются на положительные и отрицательные ионы. Это понятие нужно, чтобы понимать, почему растворы некоторых веществ проводят ток и какие частицы участвуют в реакциях.

Реакция ионного обмена — взаимодействие растворов электролитов, при котором ионы обмениваются партнёрами. Например, катион одного вещества может соединиться с анионом другого. Такое определение помогает предсказать возможные продукты смешивания растворов.

Полное ионное уравнение показывает растворимые сильные электролиты в виде ионов, а осадки, газы и слабые электролиты — в молекулярном виде. Оно раскрывает состав раствора до реакции и после неё. По нему можно увидеть, какие ионы изменили своё состояние, а какие остались без изменений.

Сокращённое ионное уравнение — запись только тех частиц, которые непосредственно участвуют в реакции. Одинаковые ионы с обеих сторон уравнения сокращают, если их количество совпадает. Такая запись показывает химическую суть превращения и позволяет не отвлекаться на ионы-наблюдатели.

Как это устроено

Растворимые сильные электролиты при растворении распадаются на ионы, и эти ионы могут свободно перемещаться в растворе. Поэтому при смешивании растворов реагируют не целые молекулы солей, а частицы, которые способны встретиться и образовать новые вещества. Представление состава раствора через ионы и лежит в основе ионных уравнений.

Сам обмен партнёрами не гарантирует, что реакция действительно завершится. Если продукты тоже хорошо растворимы и являются сильными электролитами, они остаются в виде ионов, а состав раствора по существу не меняется. Реакция идёт до конца, когда один из продуктов удаляется из раствора или почти не распадается на ионы.

Осадок отделяется от раствора и выпадает на дно, поэтому участвующие в его образовании ионы перестают свободно находиться в растворе. Газ покидает раствор в виде пузырьков, унося часть вещества. Слабый электролит, например вода, образует мало ионов, поэтому соответствующие частицы связываются в молекулы и тоже выводятся из ионного равновесия.

Чтобы перейти от молекулярного уравнения к полному ионному, сначала правильно записывают формулы веществ и подбирают коэффициенты. Затем проверяют по таблице растворимости, какие соли растворимы, и учитывают, что растворимые сильные электролиты записываются в виде ионов. Нерастворимые вещества, газы и слабые электролиты оставляют молекулами, поскольку в растворе они не представлены в значительном количестве свободных ионов.

В полном ионном уравнении находят ионы, которые одинаковы слева и справа и не меняют своего состояния. Их называют ионами-наблюдателями: они обеспечивают состав раствора, но не участвуют в самом превращении. После их сокращения проверяют, равны ли числа атомов каждого элемента и совпадают ли суммарные заряды левой и правой частей; иначе в записи есть ошибка.

Условия протекания реакций ионного обмена

Сначала определите возможные продукты обмена, затем выясните, появляется ли среди них осадок, газ или слабый электролит. Для осадка сверяйтесь с таблицей растворимости, а для газа учитывайте возможное разложение неустойчивых продуктов. Если ни одно из условий не выполняется, обмен обычно не имеет заметного результата в растворе.

Разбор задач

Задача 1. Составьте молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения реакции растворов AgNO₃ и NaCl. Пары ионов дают AgCl и NaNO₃, а по таблице растворимости AgCl нерастворим. Поэтому реакция протекает с выпадением осадка.

1. Записываем молекулярное уравнение: AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃.
2. Растворимые соли слева и справа разделяем на ионы: Ag⁺ + NO₃⁻ + Na⁺ + Cl⁻ → AgCl↓ + Na⁺ + NO₃⁻.
3. Сокращаем одинаковые Na⁺ и NO₃⁻. Получаем Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓.

Ответ: AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃; сокращённое уравнение: Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓.

Задача 2. Составьте ионные уравнения реакции растворов Na₂CO₃ и HCl с учётом выделения газа. Сначала кислота и карбонат дают H₂CO₃, но угольная кислота неустойчива и распадается на воду и углекислый газ. Это удаляет продукт из раствора и обеспечивает протекание реакции.

1. Записываем молекулярное уравнение: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑.
2. Разделяем растворимые сильные электролиты на ионы: 2Na⁺ + CO₃²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → 2Na⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + CO₂↑.
3. Сокращаем Na⁺ и Cl⁻. Остаётся CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑.

Ответ: сокращённое ионное уравнение — CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑.

Задача 3. Для смешивания растворов BaCl₂ и Na₂SO₄ определите, протекает ли реакция до конца, и запишите три уравнения. По таблице растворимости BaSO₄ нерастворим, значит, образуется осадок. Коэффициент 2 перед NaCl нужен для сохранения числа ионов натрия и хлора.

1. Молекулярное уравнение: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl.
2. Полное ионное уравнение: Ba²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻.
3. Сокращаем Na⁺ и Cl⁻. Проверяем, что по обе стороны остаются два атома кислорода, один атом серы, один атом бария и суммарный заряд равен нулю.

Ответ: реакция протекает до конца; сокращённое уравнение: Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓.

Типичные ошибки

Записывать в виде ионов нерастворимые вещества, газы и воду — ошибка: они не представлены в растворе большим количеством свободных ионов. Её допускают, когда механически разделяют на ионы все формулы уравнения. Проверка простая: растворимость и силу электролита уточняют до записи полного уравнения, а осадок, газ и слабый электролит оставляют молекулами.

Считать, что любой обмен ионами обязательно идёт до конца, неверно, потому что растворимые сильные электролиты могут остаться теми же свободными ионами. Часто ориентируются только на формальное появление новых формул продуктов. Перед выводом о реакции найдите причину её завершения: осадок, газ или слабый электролит.

Нельзя сокращать частицы, которые различаются зарядом или составом, либо встречаются только с одной стороны. Обычно так происходит при поиске визуально похожих, но не одинаковых записей. Сверяйте формулу и заряд иона, а затем убедитесь, что сокращаемая частица присутствует слева и справа в одинаковом количестве.

Если после сокращения не проверены коэффициенты и заряд, уравнение может нарушать закон сохранения атомов или электрического заряда. Ошибку легко пропустить, сосредоточившись только на удалении ионов-наблюдателей. Пересчитайте атомы каждого элемента и сложите заряды частиц отдельно в левой и правой частях.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания об электролитической диссоциации, ионах и их зарядах, а также умение составлять формулы солей, кислот и оснований. Без этих навыков трудно правильно записать частицы, образующиеся при растворении. Таблица растворимости помогает определить, выпадет ли осадок и возможно ли протекание реакции обмена.

Ионные уравнения применяют при изучении качественных реакций на ионы: по появлению осадка или газа можно распознать некоторые вещества. Эти умения также нужны в задачах о реакциях в растворах. Сокращённая запись позволяет быстро увидеть, какие именно частицы отвечают за наблюдаемое превращение.

Что запомнить

• В растворах сильные растворимые электролиты существуют преимущественно в виде ионов.
• Реакции ионного обмена протекают до конца, если образуется осадок, газ или слабый электролит.
• Осадки, газы и воду в ионных уравнениях записывают молекулярными формулами.
• В полном ионном уравнении растворимые сильные электролиты записывают в виде ионов.
• Ионы, не участвующие в реакции и присутствующие с обеих сторон, сокращают.
• В сокращённом ионном уравнении должны сохраняться атомы и суммарный заряд.