§ 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 и образуются новые вещества. Например, ионы серебра могут соединиться с ионами хлора, образуя твёрдый хлорид серебра. Это понятие помогает понять, какие частицы действительно вступают во взаимодействие, а не просто записать перестановку веществ в формуле.

Полное ионное уравнение показывает вещества раствора в виде частиц, реально находящихся в нём. Растворимые сильные электролиты записывают раздельно на ионы, а осадки, газы и слабые электролиты оставляют формулами. Такое представление нужно, чтобы увидеть все частицы раствора и определить, какие из них меняются.

Сокращённое ионное уравнение описывает только частицы, непосредственно участвующие в реакции. Из полного уравнения для этого убирают одинаковые ионы слева и справа. Оно позволяет кратко показать химическое превращение и не учитывать частицы, которые остаются в растворе без изменений.

Ионы-наблюдатели — ионы, которые присутствуют в растворе, но не изменяются в ходе реакции. Они находятся в обеих частях полного ионного уравнения в одинаковом виде и количестве. Их выделение помогает получить сокращённое уравнение и увидеть суть реакции.

Как это устроено

Растворы электролитов проводят электрический ток, потому что содержат подвижные заряженные частицы — ионы. При смешивании растворов эти частицы могут сталкиваться и соединяться по-новому. Поэтому в реакциях обмена взаимодействуют не условные целые молекулы растворённой соли, а находящиеся в растворе катионы и анионы. Чтобы понять результат смешивания, сначала определяют возможные продукты обмена.

Уравнение составляют последовательно: сначала молекулярное, затем полное ионное и, наконец, сокращённое ионное. В молекулярной записи вещества представлены формулами, как обычно в химических уравнениях. В полном ионном уравнении растворимые сильные электролиты показывают в виде ионов. После этого убирают ионы-наблюдатели; итоговая запись показывает, какие частицы превратились в продукт реакции.

Растворимые сильные электролиты разделяют на ионы, потому что в воде они практически полностью распадаются на заряженные частицы. Осадок не разделяют: он не растворён в воде, а значит, его составляющие не присутствуют в растворе как свободные ионы в заметном количестве. Газ покидает раствор, а слабый электролит распадается на ионы лишь в малой степени. Поэтому их записывают формулами, а не как набор ионов.

Обмен в растворе идёт до конца, если один из продуктов удаляется из раствора или почти не распадается на ионы. Так происходит при образовании осадка, который выпадает из раствора, или газа, который выделяется. Третье условие — появление слабого электролита, например воды: её молекулы остаются преимущественно целыми. Если все возможные продукты остаются растворёнными сильными электролитами, видимого направления обмена обычно нет.

Чтобы получить сокращённую запись, находят одинаковые ионы по обе стороны полного уравнения и удаляют их в равном количестве. Нельзя сокращать частицу, которая есть только с одной стороны, или ту, которая входит в состав образующегося осадка, газа либо слабого электролита. После сокращения проверяют количество каждого вида атомов и суммарный заряд слева и справа. Совпадение этих величин подтверждает, что уравнение составлено и сокращено правильно.

Условия протекания реакций ионного обмена

Таблица помогает проверить, есть ли среди продуктов вещество, которое обеспечивает протекание обмена до конца. В графе с признаком в уравнении ищите обозначение осадка или газа либо формулу слабого электролита. Пример сокращённого уравнения показывает, какие частицы остаются после исключения ионов-наблюдателей.

Разбор задач

Растворы AgNO₃ и NaCl

Условие: смешали растворы AgNO₃ и NaCl. Нужно составить три вида уравнений. По таблице растворимости проверяем продукты обмена: AgCl нерастворим, поэтому образуется осадок, а NaNO₃ остаётся в растворе.

1. Составляем молекулярное уравнение: AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃.
2. Растворимые сильные электролиты расписываем на ионы, осадок оставляем целиком: Ag⁺ + NO₃⁻ + Na⁺ + Cl⁻ → AgCl↓ + Na⁺ + NO₃⁻.
3. Сокращаем Na⁺ и NO₃⁻, поскольку они одинаковы по обе стороны. Получаем Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓.

Ответ: реакция протекает с образованием осадка AgCl; сокращённое уравнение показывает соединение ионов серебра и хлора.

Растворы Na₂CO₃ и HCl

Условие: к раствору карбоната натрия добавили соляную кислоту. При обмене сначала возникает угольная кислота, но это слабый и неустойчивый электролит: она распадается на воду и углекислый газ. Газ выходит из раствора, поэтому реакция идёт до конца.

1. Записываем молекулярное уравнение с учётом разложения H₂CO₃: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑.
2. В полном ионном уравнении соли и сильную кислоту разделяем на ионы: 2Na⁺ + CO₃²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → 2Na⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + CO₂↑.
3. Сокращаем Na⁺ и Cl⁻. Остаётся 2H⁺ + CO₃²⁻ → H₂O + CO₂↑. Проверяем заряд: слева 2 − 2 = 0, справа суммарный заряд тоже равен нулю.

Ответ: сокращённое уравнение показывает образование воды и углекислого газа из ионов водорода и карбоната.

Растворы BaCl₂ и Na₂SO₄

Условие: смешали хлорид бария и сульфат натрия. По таблице растворимости сульфат бария нерастворим, поэтому можно ожидать осадок и считать, что обмен протекает. Ионы натрия и хлора останутся в растворе.

1. Составляем уравнение и расставляем коэффициенты, чтобы число атомов совпадало: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl.
2. Записываем растворимые соли как ионы, а осадок — формулой: Ba²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻.
3. Сокращаем по обе стороны 2Na⁺ и 2Cl⁻. Получаем Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓; суммарный заряд слева равен нулю, как и справа.

Ответ: реакция протекает, образуется осадок BaSO₄, сокращённое уравнение — Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓.

Типичные ошибки

Оставлять растворимый сильный электролит целой формулой в полном ионном уравнении. Так делают, если забывают, что вещество в растворе распалось на ионы. Проверьте по таблице растворимости и типу вещества: растворимые соли, сильные кислоты и основания нужно записать ионами.

Разделять на ионы осадок, газ или слабый электролит. Ошибка возникает, когда учитывают только состав вещества, а не его состояние и степень диссоциации. Проверьте, растворим ли продукт и является ли он сильным электролитом; осадок, газ и слабый электролит оставляют формулами.

Сокращать ионы, которые есть только в одной части уравнения, или частицы продукта. При таком сокращении меняется смысл реакции и может нарушиться баланс. Сокращайте лишь одинаковые ионы, стоящие по обе стороны; после этого пересчитайте атомы и заряды.

Считать любой обмен состоявшейся реакцией. Перестановка ионов в формулах сама по себе не доказывает, что произошло превращение. Проверьте продукты: должен возникнуть осадок, газ или слабый электролит. Если ни одного такого продукта нет, обмен в растворе не имеет заметного результата.

Связь с другими темами

Для записи ионных уравнений нужно знать, что такое электролиты и неэлектролиты, уметь определять заряды ионов и правильно составлять формулы веществ. Таблица растворимости помогает предсказать, выпадет ли осадок и какие вещества останутся в растворе. Эти знания пригодятся при изучении свойств кислот, оснований и солей. Ими также пользуются, чтобы распознавать ионы в растворах по образованию осадка, газа или воды.

Что запомнить

• В растворах электролитов реакции протекают между ионами.
• Ионный обмен 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 молекулярными формулами.
• В сокращённом ионном уравнении оставляют только частицы, участвующие в реакции.
• Ионы-наблюдатели сокращают по обе стороны полного ионного уравнения.
• В сокращённом уравнении должны сохраняться число атомов и общий заряд.