§ 37. Реакции обмена в водных растворах

Определения и обозначения

Реакция ионного обмена — реакция между веществами в водном растворе, при которой их ионы обмениваются составными частями. Обычно в ней участвуют растворы солей, кислот и оснований, потому что они дают ионы. Это понятие помогает увидеть, какие частицы на самом деле взаимодействуют, а не ограничиваться формулами веществ.

Полное ионное уравнение — запись, в которой растворимые сильные электролиты показаны в виде ионов, а осадки, газы и слабые электролиты — формулами веществ. Электролиты — вещества, растворы которых содержат ионы. Такая запись нужна, чтобы проследить состав частиц в растворе и отличить участников реакции от тех, кто остаётся без изменений.

Сокращённое ионное уравнение — запись, полученная из полного уравнения после удаления одинаковых ионов по обе стороны. В нём остаются частицы, непосредственно участвующие в реакции. Оно помогает быстро определить её сущность, не отвлекаясь на ионы-наблюдатели, которые не изменяются.

Осадок — малорастворимое твёрдое вещество, которое образуется при смешивании растворов. Его формулу в уравнении отмечают стрелкой вниз, например BaSO₄↓. Обозначение показывает, что вещество выпадает из раствора, а не остаётся среди свободно движущихся ионов.

Как это устроено

Когда растворимая соль, кислота или основание растворяется в воде, частьцы вещества разделяются на ионы. Молекулы воды окружают ионы и помогают им отделиться друг от друга, поэтому в растворе они могут свободно перемещаться. Именно эти подвижные частицы сталкиваются и взаимодействуют, так что реакцию обмена в растворе правильнее объяснять через ионы. Формулы исходных веществ при этом всё равно нужны для молекулярной записи реакции.

Сам по себе обмен ионами ещё не означает, что реакция пойдёт до конца. Если все продукты остаются растворимыми сильными электролитами, в растворе по-прежнему находятся те же свободные ионы. Но осадок отделяется от раствора, газ покидает его пузырьками, а слабый электролит, например вода, почти не распадается на ионы. Удаление таких продуктов сдвигает взаимодействие к их образованию, поэтому реакция становится заметной и протекает до конца.

Чтобы перейти от молекулярного уравнения к полному ионному, сначала проверьте, какие вещества растворимы и являются сильными электролитами. Их формулы замените на ионы с соответствующими коэффициентами, сохраняя общий заряд вещества: например, Na₂SO₄ превращается в 2Na⁺ и SO₄²⁻. Осадки, газы и слабые электролиты оставьте целыми формулами, потому что они не существуют в растворе в виде большого количества свободных ионов. Затем проверьте число атомов и суммарный заряд слева и справа.

Сокращённое уравнение получают из полного, находя одинаковые ионы в обеих его частях. Их удаляют в одинаковом количестве, поскольку такие частицы не изменились и не повлияли на образование продукта. Нельзя сокращать похожие, но разные ионы: например, Na⁺ и Na²⁺ не являются одной частицей. После сокращения ещё раз проверьте равенство числа атомов и суммарного заряда.

Три формы записи описывают одну реакцию, но подчёркивают разное. Молекулярное уравнение показывает, какие вещества смешали и какие продукты получили. Полное ионное раскрывает состав растворимых веществ в растворе и позволяет увидеть ионы-наблюдатели, а сокращённое оставляет только непосредственных участников. Поэтому переход между формами помогает не просто оформить ответ, но и объяснить причину реакции.

Условия протекания реакций ионного обмена до конца

В таблице приведены типичные признаки, по которым можно понять, что продукты не останутся в растворе в виде тех же свободных ионов. Сначала сопоставьте признак и продукт, затем проверьте молекулярную и сокращённую ионную записи. Уравнения показывают, какие частицы дают этот признак.

Разбор задач

Задача 1. Смешали растворы BaCl₂ и Na₂SO₄. Определите, идёт ли реакция, и составьте молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения.

1. При обмене частями возможны BaSO₄ и NaCl. По таблице растворимости BaSO₄ нерастворим, поэтому возникает осадок и реакция идёт до конца.
2. Составляем молекулярное уравнение и уравниваем число атомов: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl.
3. Растворимые соли представляем ионами, а осадок оставляем формулой: Ba²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻.
4. Сокращаем одинаковые Na⁺ и Cl⁻ по обе стороны: Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓.

Ответ: реакция идёт, образуется осадок BaSO₄. Сокращённое уравнение показывает, что осадок дают ионы бария и сульфат-ионы.

Задача 2. К раствору NaOH добавили раствор HCl. Запишите уравнения реакции в молекулярной, полной и сокращённой ионной формах.

1. При обмене образуются NaCl и H₂O. Вода — слабый электролит, поэтому реакция нейтрализации идёт до конца.
2. Молекулярное уравнение: NaOH + HCl → NaCl + H₂O.
3. В полном ионном уравнении щёлочь, кислоту и растворимую соль раскрываем на ионы, а воду оставляем молекулой: Na⁺ + OH⁻ + H⁺ + Cl⁻ → Na⁺ + Cl⁻ + H₂O.
4. Ионы Na⁺ и Cl⁻ не изменяются, поэтому после их сокращения получаем H⁺ + OH⁻ → H₂O.

Ответ: молекулярное уравнение — NaOH + HCl → NaCl + H₂O; полное ионное — Na⁺ + OH⁻ + H⁺ + Cl⁻ → Na⁺ + Cl⁻ + H₂O; сокращённое — H⁺ + OH⁻ → H₂O.

Задача 3. К раствору Na₂CO₃ добавили избыток HCl. Определите продукты, запишите три вида уравнений и укажите наблюдаемый признак.

1. Карбонат-ион при взаимодействии с кислотой образует углекислый газ и воду. Оставшиеся ионы дают растворимую соль NaCl, а газ выходит из раствора.
2. Молекулярное уравнение: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑. Коэффициент 2 перед HCl нужен для двух ионов H⁺.
3. Полное ионное уравнение: 2Na⁺ + CO₃²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → 2Na⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + CO₂↑. Растворимые сильные электролиты записаны ионами, газ и воду — формулами.
4. Сокращаем одинаковые Na⁺ и Cl⁻: CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑.

Ответ: образуются NaCl, вода и CO₂; наблюдаемый признак — выделение пузырьков газа. Сокращённое уравнение отражает взаимодействие карбонат-иона с ионами водорода.

Типичные ошибки

Растворимые сильные электролиты иногда оставляют в полном ионном уравнении молекулами. Так бывает, если механически переписать исходную формулу и забыть о частицах в растворе. Проверьте растворимость и силу электролита: растворимые соли, сильные кислоты и щёлочи нужно представить ионами.

Другая ошибка — раскладывать на ионы воду, газ или осадок. Их оставляют формулами, потому что вода слабо распадается на ионы, газ покидает раствор, а осадок не растворён в нём. Перед записью каждой частицы спросите себя, является ли она растворимым сильным электролитом. Если нет, формулу обычно сохраняют.

Нельзя сокращать ионы, которые только похожи или имеют разные заряды. Например, Na⁺ и SO₄²⁻ различаются и составом, и зарядом, поэтому взаимно уничтожить их нельзя. Сокращайте только полностью одинаковые ионы, стоящие по обе стороны уравнения, и в одинаковом количестве.

Не всякая реакция обмена между растворами обязательно идёт до конца. Ошибка возникает, если считать, что сама перестановка частей формул гарантирует реакцию. Проверьте продукты: среди них должен появиться осадок, газ или слабый электролит. Если ни одного такого продукта нет, оснований считать обмен протекающим до конца нет.

Связь с другими темами

Для составления уравнений нужны знания о составе ионов, формулах солей, кислот и оснований, а также об уравнивании реакций. Если забыли заряд иона, из-за этого могут нарушиться и формула продукта, и баланс заряда. Электролитическая диссоциация объясняет, почему растворы проводят электрический ток: в них перемещаются заряженные частицы. Ионные уравнения пригодятся при изучении свойств кислот, оснований и солей, а также при распознавании ионов в растворах.

Что запомнить

• В растворах реакция обмена происходит между ионами.
• Реакция обмена идёт до конца, если образуется осадок, газ или слабый электролит.
• Растворимые сильные электролиты в полном ионном уравнении записывают в виде ионов.
• Осадки, газы и слабые электролиты записывают формулами веществ.
• В сокращённом ионном уравнении убирают только одинаковые ионы по обе стороны.
• В сокращённом уравнении должны сохраняться число атомов и суммарный электрический заряд.