"Химия (базовый уровень)", Журин А.А.
Реакции в растворах электролитов — это превращения, в которых взаимодействуют подвижные ионы. Чтобы понять, произойдёт ли реакция, нужно выяснить, какие вещества растворимы и сильны как электролиты, а какие образуют осадок, газ или воду. Ионные уравнения помогают увидеть участников реакции и убрать ионы, которые не изменяются. Этот способ записи упрощает анализ реакций кислот, оснований и солей в растворах.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электролитическая диссоциация — распад электролита на ионы при растворении в воде или расплавлении. Например, растворимая соль может распасться на положительные катионы и отрицательные анионы. Ионы — заряженные частицы, а электролит — вещество, раствор или расплав которого проводит ток благодаря таким частицам. Понимание диссоциации нужно, чтобы представить, какие частицы действительно встречаются в растворе.
Реакция ионного обмена — реакция между ионами, образовавшимися при диссоциации растворённых электролитов. При обмене ионы как бы меняются партнёрами, но сам процесс идёт только тогда, когда среди продуктов появляется причина для превращения. Это может быть осадок, газ или слабый электролит. Такое определение помогает отличить химическую реакцию от простого смешивания растворов.
Полное ионное уравнение показывает все ионы, присутствующие в растворе и получившиеся из растворимых сильных электролитов. Осадки, газы, воду и слабые электролиты в нём записывают молекулами, потому что они не существуют преимущественно как свободные ионы. По такому уравнению видно, какие частицы оказались в растворе после смешивания. Оно также позволяет определить ионы, которые не изменились.
Сокращённое ионное уравнение — запись только тех ионов и молекул, которые непосредственно участвуют в реакции. Его получают из полного уравнения, удаляя одинаковые ионы из обеих частей. Эти частицы называют ионами-зрителями: они остаются в растворе без изменений. Сокращённая запись показывает химическую сущность процесса независимо от того, какие растворимые соли были смешаны.
Вода полярна: её молекулы притягивают заряженные частицы вещества и помогают отделить их друг от друга. Поэтому многие кислоты, основания и соли при растворении образуют подвижные ионы. Когда к раствору приложено напряжение, положительные ионы движутся к отрицательному электроду, а отрицательные — к положительному. Их направленное движение переносит заряд, поэтому раствор проводит электрический ток.
Чтобы понять состав раствора, пользуются таблицей растворимости и учитывают силу электролита. Растворимые сильные электролиты в школьных ионных уравнениях считают распавшимися на ионы; к ним относят многие растворимые соли, сильные кислоты и щёлочи. Нерастворимое вещество остаётся отдельной твёрдой фазой, а слабый электролит диссоциирует лишь частично и преимущественно сохраняется молекулами. Поэтому сначала выясняют, где окажется вещество — в виде ионов, молекул или осадка, — и только потом записывают уравнение.
Переход к полному ионному уравнению начинают с уже уравненного молекулярного уравнения. Формулы растворимых сильных электролитов заменяют формулами составляющих ионов, учитывая индексы и коэффициенты: например, Na₂SO₄ превращается в 2Na⁺ и SO₄²⁻. Коэффициент перед веществом умножает количество каждого его иона, а общий заряд раствора должен оставаться сбалансированным. Осадок, газ, воду и слабый электролит на ионы не раскладывают.
В полном уравнении сравнивают частицы слева и справа. Если один и тот же ион с теми же формулой и зарядом присутствует в обеих частях, он не претерпевает изменений и его можно сократить с обеих сторон в одинаковом количестве. Полученная запись называется сокращённым ионным уравнением и показывает, какие частицы встретились и во что превратились. Одностороннее сокращение или сокращение разных ионов нарушило бы баланс и исказило бы ход реакции.
Обмен в растворе идёт до конца, если продукт покидает раствор или почти не распадается на ионы. Осадок отделяется как твёрдая фаза, газ уходит из раствора, а вода и другие слабые электролиты остаются преимущественно молекулами. Их образование уменьшает количество свободных реагирующих ионов и сдвигает процесс к продуктам. Если все продукты — растворимые сильные электролиты, новых частиц, выводящих реакцию из раствора, не возникает, и обмен обычно не имеет заметного результата.
| Признак | Что образуется | Пример сокращённого ионного уравнения |
|---|---|---|
| Образование осадка | Нерастворимое твёрдое вещество | Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ |
| Образование газа | Газообразное вещество, покидающее раствор | 2H⁺ + CO₃²⁻ → H₂O + CO₂↑ |
| Образование слабого электролита | Молекулы воды или другого слабого электролита | H⁺ + OH⁻ → H₂O |
| Если все возможные продукты остаются растворимыми сильными электролитами | Новые осадок, газ или слабый электролит не образуются; обмен не имеет движущей силы | Сокращённого уравнения нет |
Пользуйся таблицей после того, как составил возможные продукты реакции: проверь, растворимы ли они и не образуется ли газ или слабый электролит. Если найден хотя бы один из первых трёх признаков, можно записать сокращённое ионное уравнение. Если все вещества остаются растворимыми сильными электролитами, ионы после смешивания не дают нового результата.
Нужно составить молекулярное и сокращённое ионное уравнения смешивания растворов хлорида бария и сульфата натрия. По таблице растворимости сульфат бария нерастворим, поэтому ожидается осадок. Остальные ионы следует проверить на возможность сокращения.
Ответ: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl; сокращённое ионное уравнение: Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓.
Нужно записать молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения реакции соляной кислоты с гидроксидом натрия. HCl и NaOH — сильные электролиты, растворимые в воде, а NaCl также остаётся в растворе. Вода — слабый электролит, поэтому её формулу не раскладывают на ионы.
Ответ: HCl + NaOH → NaCl + H₂O; полное уравнение: H⁺ + Cl⁻ + Na⁺ + OH⁻ → Na⁺ + Cl⁻ + H₂O; сокращённое: H⁺ + OH⁻ → H₂O.
При смешивании карбоната натрия с соляной кислотой выделяется углекислый газ. Сначала карбонат-ион присоединяет ионы водорода, образуя угольную кислоту, которая неустойчива и распадается на воду и CO₂. Нужно учесть это превращение и правильно уравнять реакцию.
Ответ: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑; сокращённое ионное уравнение: CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑.
Не расписывай осадки, газы, воду и слабые электролиты на ионы: в растворе их частицы преимущественно не существуют как свободные ионы. Такую ошибку допускают, когда пытаются механически разложить на ионы каждую формулу. Перед записью проверь растворимость вещества и его способность к диссоциации; например, BaSO₄ оставляют молекулярной формулой.
Не заменяй ионами все вещества уравнения, включая нерастворимые продукты. Обычно это происходит, если смотреть только на тип вещества и не пользоваться таблицей растворимости. Сначала установи, растворимо ли оно, затем определи, является ли сильным электролитом. Осадок отмечай как отдельное вещество, а растворимые сильные электролиты записывай ионами.
Нельзя сокращать ионы с разными зарядами или составом, а также удалять частицу только с одной стороны уравнения. Причина ошибки — внешне похожие формулы принимают за одинаковые либо сокращение выполняют без сравнения обеих частей. Сверь точную формулу и заряд каждого иона слева и справа; сокращай только равные количества полностью одинаковых частиц.
Ионное уравнение должно сохранять и атомы, и общий заряд. При составлении иногда забывают, что индекс в формуле и коэффициент перед ней задают количество ионов, или неправильно переносят коэффициент из молекулярного уравнения. После записи отдельно пересчитай атомы каждого элемента и сложи заряды частиц в каждой части. Если числа или заряды не совпадают, уравнение нужно исправить.
Для работы с ионными уравнениями понадобятся понятия электролита, диссоциации, катиона и аниона, а также умение пользоваться таблицей растворимости. Тема опирается на составление формул солей, кислот и оснований и на расстановку коэффициентов в химических уравнениях. Позже ионный подход поможет объяснять гидролиз солей, свойства кислот, оснований и солей, а также качественные реакции на ионы. Так можно предсказывать состав раствора, а не только запоминать молекулярные уравнения.
Почему некоторые реакции в растворах электролитов не идут до конца?
Если все продукты растворимы и остаются сильными электролитами, они продолжают существовать в растворе как ионы. Тогда нет причины, которая выводила бы продукты из раствора или связывала ионы в слабый электролит. Реакция обычно идёт до конца, когда образуется осадок, газ или слабый электролит.
Как понять, какое вещество в ионном уравнении нужно расписывать на ионы?
Сначала проверь растворимость вещества, а затем определи, является ли оно сильным электролитом. Растворимые сильные электролиты — многие кислоты, основания и соли — записывают в виде ионов. Осадки, газы, воду и слабые электролиты оставляют молекулами.
Почему воду не записывают в виде ионов H⁺ и OH⁻?
Вода диссоциирует очень слабо, поэтому в растворе её частицы преимущественно остаются молекулами. При нейтрализации ионы H⁺ и OH⁻ соединяются и образуют молекулы H₂O. Поэтому воду записывают как слабый электролит, а не как набор ионов.
Какие ионы можно сократить в полном ионном уравнении?
Сокращают только одинаковые ионы, которые записаны в обеих частях уравнения с одинаковыми формулой и зарядом. Они не меняются в ходе реакции и называются ионами-зрителями. Нельзя сокращать ионы, присутствующие только с одной стороны или отличающиеся зарядом.
Как проверить, что сокращённое ионное уравнение составлено правильно?
Проверь, что число атомов каждого элемента слева и справа одинаково, а суммарный заряд обеих частей совпадает. Убедись, что сокращены только одинаковые ионы из обеих частей полного уравнения. Также проверь, что формулы осадка, газа и слабого электролита не разложены на ионы.
• Реакции в растворах электролитов
