§ 13. Реакции ионного обмена и условия их протекания

Определения и обозначения

Реакция ионного обмена — реакция между электролитами в растворе, при которой их ионы обмениваются партнёрами. Например, катион одного вещества может соединиться с анионом другого. Это определение помогает представить реакцию не как перестановку формул, а как взаимодействие частиц в растворе.

Полное ионное уравнение показывает, какие ионы и молекулы присутствуют в растворе до и после реакции. Растворимые сильные электролиты в нём записывают в виде ионов, а осадки, газы и слабые электролиты — формулами. Такая запись нужна, чтобы увидеть все частицы, в том числе те, которые не изменяются.

Сокращённое ионное уравнение описывает только превращение частиц, непосредственно участвующих в реакции. Ионы, которые до и после реакции остаются неизменными, в него не входят. По такой записи удобно определить, что именно стало причиной реакции.

Осадок — малорастворимое твёрдое вещество, которое образуется в растворе и выпадает из него. Его отмечают стрелкой вниз, например AgCl↓. Появление осадка показывает, что растворённые ионы связались в вещество, которое почти не остаётся в растворе.

Как это устроено

Когда растворимый электролит попадает в воду, его частицы распадаются на ионы. При смешивании двух растворов рядом оказываются ионы обоих веществ, и некоторые из них могут соединиться в новые частицы. Поэтому для предсказания результата нужно составить возможные сочетания катионов и анионов и проверить, что с ними произойдёт в воде.

Обмен в растворе идёт до конца не потому, что ионы просто поменялись местами, а потому, что часть частиц удаляется из раствора в виде продукта. Осадок перестаёт быть свободным набором растворённых ионов, газ покидает раствор, а слабый электролит почти не распадается на ионы. В результате исходные частицы расходуются, и превращение продолжается. Если ничего из этого не образуется, обмен часто остаётся только формальной перестановкой.

Чтобы перейти от молекулярной записи к полной ионной, сначала определяют, какие вещества растворимы и являются сильными электролитами. Их формулы заменяют ионами, указывая правильные заряды и количество каждой частицы. Осадки, газы и слабые электролиты не расщепляют: в растворе они не существуют в виде свободного набора ионов в достаточной степени. Такой порядок не позволяет ошибочно представить, например, воду или твёрдое вещество растворёнными ионами.

В полном уравнении могут оказаться ионы, которые присутствуют в растворе, но не меняются. Если одна и та же частица с одинаковым зарядом записана по обе стороны стрелки, её можно сократить. После сокращения остаётся запись непосредственного превращения, а коэффициенты и заряды сохраняют так, чтобы число атомов и общий заряд были одинаковыми слева и справа.

Сокращённое уравнение служит проверкой того, произошла ли реакция. Если после сокращения остаётся образование осадка, газа или слабого электролита, превращение частиц есть. Если же все ионы сократились и новых частиц в записи не осталось, растворы сохранили свой ионный состав. Значит, обмен между предполагаемыми веществами не привёл к химической реакции.

Условия протекания реакций ионного обмена

Сначала определи предполагаемый продукт обмена и проверь, образуется ли осадок, газ или слабый электролит. Затем сравни сокращённое уравнение с условием: оно должно показывать исчезновение исходных частиц и появление продукта. Если из записи можно сократить все ионы, реакция не имеет движущей причины.

Разбор задач

Задача 1. Составить молекулярное и сокращённое ионное уравнения реакции растворов нитрата серебра и хлорида натрия. Нужно выяснить, могут ли ионы образовать малорастворимое соединение. Затем запишем только те частицы, которые изменяются.

1. При обмене образуются AgCl и NaNO₃. Хлорид серебра — осадок, а нитрат натрия остаётся растворённым.
2. Молекулярное уравнение: AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃.
3. Ионы серебра и хлора соединяются; Na⁺ и NO₃⁻ остаются в растворе и сокращаются.
4. Сокращённое уравнение: Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓.

Ответ: образуется осадок хлорида серебра; уравнения записаны выше. Причина реакции — образование малорастворимого AgCl.

Задача 2. Составить молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения реакции растворов карбоната натрия и соляной кислоты. Среди возможных продуктов нужно проверить, образуется ли газ. Если он появляется, карбонат-ион и ионы водорода участвуют в превращении.

1. Продуктами обмена сначала будут NaCl и H₂CO₃. Угольная кислота неустойчива и разлагается на воду и углекислый газ.
2. Молекулярное уравнение: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑.
3. Полное ионное уравнение: 2Na⁺ + CO₃²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → 2Na⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + CO₂↑. Na⁺ и Cl⁻ одинаковы с обеих сторон.
4. После их сокращения получаем: CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑.

Ответ: реакция идёт с выделением углекислого газа. В сокращённой записи остаются карбонат-ион и ионы водорода, потому что именно они превращаются в воду и газ.

Задача 3. Возможна ли реакция между растворами нитрата калия и хлорида натрия? При обмене формально получились бы нитрат натрия и хлорид калия. Проверим, появляется ли среди них продукт, который удаляется из раствора.

1. Оба предполагаемых продукта растворимы в воде и являются сильными электролитами.
2. Формальная молекулярная запись: KNO₃ + NaCl → KCl + NaNO₃.
3. В полном ионном уравнении ионы K⁺, NO₃⁻, Na⁺ и Cl⁻ будут одинаковыми в левой и правой частях.
4. После сокращения всех ионов не остаётся превращения частиц, поэтому сокращённое ионное уравнение отсутствует.

Ответ: реакция ионного обмена в растворе не идёт. Формальная запись обмена не означает, что образовалось новое вещество: все ионы остались в растворе.

Типичные ошибки

Записывать осадок, воду или газ в виде ионов. Так поступают, потому что пытаются расщепить все формулы в уравнении одинаково. Но эти вещества не представлены в растворе свободными ионами в нужном смысле. Проверь себя: на ионы заменяются только растворимые сильные электролиты, а осадок, газ и слабый электролит остаются формулами.

Расщеплять нерастворимые вещества и слабые электролиты. Ошибка возникает, когда забывают учесть растворимость или силу электролита. Например, малорастворимую соль нельзя записать как множество свободных ионов. Перед составлением полного уравнения проверь, растворимо ли вещество и относится ли оно к сильным электролитам.

Не проверять баланс атомов и заряда. В сокращённом уравнении тоже должны сохраняться и число атомов каждого элемента, и общий заряд. Иногда после сокращения неверно меняют коэффициент или забывают заряд иона. Для проверки пересчитай атомы и сложи заряды отдельно слева и справа.

Считать, что любой обмен ионами означает реакцию. Формулы продуктов можно переставить даже тогда, когда все они остаются растворёнными сильными электролитами. Это заблуждение появляется из-за путаницы между формальной записью и реальным превращением частиц. Составь полное уравнение и сократи одинаковые ионы: если превращения не осталось, реакция не идёт.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны знания об электролитах и электролитической диссоциации — распаде веществ на ионы в растворе. Также важно уметь определять заряды ионов и составлять формулы веществ: иначе нельзя правильно записать ионное уравнение. Навык пригодится при составлении уравнений реакций в растворах и распознавании осадков и газов. Он лежит в основе качественных реакций, с помощью которых определяют присутствие отдельных ионов.

Что запомнить

• Реакции ионного обмена происходят между электролитами в растворах.
• Образование осадка, газа или слабого электролита служит условием протекания реакции до конца.
• Растворимые сильные электролиты в полном ионном уравнении записывают в виде ионов.
• Осадки, газы и слабые электролиты записывают молекулярными формулами.
• В сокращённом ионном уравнении оставляют только частицы, участвующие в превращении.
• Ионы, не изменившиеся в реакции, сокращают в обеих частях уравнения.