§ 37. Реакции обмена в водных растворах

Определения и обозначения

Реакция обмена — реакция между двумя сложными веществами, в которой их составные части обмениваются. Например, при взаимодействии растворов соли и кислоты части одного вещества соединяются с частями другого. Это определение помогает предсказать возможные продукты: нужно поменять местами составные части исходных веществ, а затем проверить, могут ли продукты существовать в растворе.

Ионное уравнение — запись реакции в растворе с помощью формул ионов. Оно показывает, что растворимые вещества в воде находятся не только в виде целых формул, но и в виде заряженных частиц. Такая запись нужна, чтобы увидеть, какие именно ионы вступили в реакцию, а какие остались без изменений.

Сокращённое ионное уравнение — запись, в которой оставлены только частицы, непосредственно участвующие в реакции. Для его получения одинаковые ионы, присутствующие слева и справа полного уравнения, убирают. Это удобно для сравнения реакций: разные исходные вещества могут приводить к одному и тому же результату на уровне ионов.

Осадок — нерастворимое или малорастворимое твёрдое вещество, образующееся в растворе. Его обычно отмечают стрелкой вниз, например AgCl↓. Осадок не расписывают на ионы в уравнении, потому что он почти не переходит в раствор и не представлен в нём большим количеством свободных частиц.

Как это устроено

Растворимые соли, кислоты и основания называются электролитами: в воде они распадаются на ионы, потому что молекулы воды притягивают заряженные частицы и отделяют их друг от друга. Например, раствор хлорида натрия содержит Na⁺ и Cl⁻, а не только целые частицы NaCl. Поэтому в ионной записи становится видно, что в растворе могут встречаться ионы из разных исходных веществ. В твёрдом осадке или в молекуле воды такого свободного набора ионов нет, поэтому их записывают формулами.

Молекулярное уравнение составляют с помощью обмена составными частями: сначала определяют формулы исходных веществ, затем меняют местами катионы и анионы. После этого проверяют заряды и состав формул продуктов, используя правила составления химических формул, а не переставляя индексы произвольно. Коэффициенты подбирают так, чтобы атомов каждого элемента слева и справа было поровну. Наконец, по таблице растворимости проверяют, образовался ли осадок или другое вещество, способное вывести реакцию из раствора.

Чтобы перейти к полному ионному уравнению, нужно установить, какие продукты растворимы. Растворимые сильные электролиты записывают отдельными ионами, потому что именно в таком виде они находятся в растворе. Осадки, газы и воду оставляют целыми формулами: они не существуют в растворе как набор свободных ионов в значимом количестве. Затем проверяют, что число атомов и суммарный заряд уравнены с обеих сторон.

В полном ионном уравнении часть частиц может не измениться. Если один и тот же ион с одинаковым зарядом записан слева и справа, он присутствует в растворе до реакции и после неё; такие частицы называют ионами-наблюдателями. Их убирают попарно, получая сокращённое ионное уравнение. Сокращать можно только полностью одинаковые ионы, иначе нарушится состав или заряд уравнения.

Реакция обмена в растворе идёт до конца, если один из продуктов перестаёт оставаться в виде свободных растворённых ионов. Осадок выпадает из раствора, газ покидает его, а вода и другие слабые электролиты образуют лишь небольшое количество ионов. Из-за этого исходные частицы не могут просто восстановить прежнее состояние в том же объёме раствора. Если же все продукты остаются растворимыми сильными электролитами, обмен часто не даёт видимого результата и сокращённого ионного уравнения нет.

Признаки протекания реакции обмена в водном растворе

Сначала определи возможные продукты обмена, а затем проверь растворимость веществ и возможность образования газа или слабого электролита. Если один из этих продуктов появляется, это служит признаком протекания реакции. Приведённые сокращённые уравнения показывают только частицы, которые непосредственно дают продукт.

Разбор задач

Растворы нитрата серебра и хлорида натрия

Условие. Нужно составить молекулярное уравнение реакции растворов AgNO₃ и NaCl и определить, идёт ли реакция. Оба исходных вещества растворимы в воде, поэтому перед взаимодействием в растворе находятся их ионы. Продукты обмена надо проверить по таблице растворимости.

1. При обмене составными частями получаются AgCl и NaNO₃: катион серебра соединяется с хлорид-ионом, а натрий — с нитрат-ионом.
2. По таблице растворимости AgCl нерастворим, поэтому выпадает осадок; NaNO₃ растворим. Молекулярное уравнение: AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃.
3. Появление осадка означает, что ионы Ag⁺ и Cl⁻ удаляются из раствора в составе твёрдого AgCl. Значит, взаимодействие действительно происходит.

Ответ. AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃; реакция идёт, потому что образуется осадок хлорида серебра. В сокращённой ионной записи её можно показать так: Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓. Ионы Na⁺ и NO₃⁻ не участвуют в образовании осадка.

Растворы хлорида бария и сульфата натрия

Условие. Для BaCl₂ и Na₂SO₄ требуется записать молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения. Оба исходных вещества растворимы, а продукты обмена — BaSO₄ и NaCl. Проверка по таблице показывает, что сульфат бария выпадает в осадок.

1. Составляем молекулярное уравнение и уравниваем число атомов натрия и хлора: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl.
2. Растворимые соли расписываем на ионы, осадок оставляем формулой: Ba²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻.
3. Ионы Na⁺ и Cl⁻ одинаковы по обе стороны, поэтому сокращаем их. Остаётся Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓.

Ответ. Молекулярное уравнение: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl. Полное ионное уравнение: Ba²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻. Сокращённое уравнение показывает соединение ионов бария и сульфат-ионов в осадок.

Карбонат натрия и соляная кислота

Условие. Нужно определить продукты смешивания растворов Na₂CO₃ и HCl и записать реакцию в ионном виде. При обмене сначала возникает угольная кислота H₂CO₃, но она неустойчива. Поэтому её следует заменить продуктами распада — водой и углекислым газом.

1. Обмен составными частями даёт NaCl и H₂CO₃; для нейтрализации двух зарядов CO₃²⁻ нужны два иона H⁺, значит, берём 2HCl.
2. Угольная кислота распадается: H₂CO₃ → H₂O + CO₂↑. Итоговое молекулярное уравнение: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑.
3. В полном ионном уравнении растворимые вещества расписываем на ионы: 2Na⁺ + CO₃²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → 2Na⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + CO₂↑. Сокращаем Na⁺ и Cl⁻, получая CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑.

Ответ. Образуются хлорид натрия, вода и углекислый газ; газ выделяется из раствора. В сокращённом ионном уравнении участвуют карбонат-ионы и ионы водорода. Проверка показывает, что слева и справа совпадают числа атомов каждого элемента и общий заряд.

Типичные ошибки

Ошибка: расписывать на ионы осадок, воду или газ. Так делают, потому что применяют правило о распаде электролитов ко всем веществам подряд, но осадок почти не растворяется, а вода и газ не представлены в растворе набором свободных ионов. Проверь агрегатное состояние и растворимость продукта: растворимые сильные электролиты расписывают, а осадок, газ и воду оставляют формулами.

Ошибка: считать, что любой обмен между растворами обязательно приводит к реакции. Возможная причина — продукты обмена записаны, но их растворимость не проверена. После составления молекулярного уравнения сверь продукты с таблицей растворимости и выясни, образуются ли осадок, газ или слабый электролит.

Ошибка: сокращать ионы, похожие, но не одинаковые по составу или заряду. Например, Na⁺ нельзя сократить с Ba²⁺, даже если оба иона стоят по разные стороны уравнения. Сравни формулу и заряд каждой частицы слева и справа и сокращай только полные совпадения.

Ошибка: менять индексы в формулах, пытаясь уравнять реакцию. Индексы показывают состав вещества, поэтому их изменение превратит его в другое вещество; ошибку часто допускают, путая индексы с коэффициентами. Сначала правильно составь формулы продуктов, а затем уравнивай число атомов только коэффициентами перед формулами.

Связь с другими темами

Для этой темы понадобятся умение составлять формулы солей, кислот и оснований, знание электролитической диссоциации и навык работы с таблицей растворимости. Диссоциация объясняет, почему в ионной записи появляются заряженные частицы, а таблица помогает предсказать выпадение осадка. Позже эти знания пригодятся при изучении ионных реакций и качественных реакций на ионы. По сокращённому уравнению можно понять, какой ион обнаруживает реактив и какое изменение при этом происходит.

Что запомнить

• Реакция обмена происходит между сложными веществами.
• Растворимые сильные электролиты в ионных уравнениях записывают в виде ионов.
• Осадки, газы и воду записывают молекулярными формулами.
• Сокращённое ионное уравнение показывает частицы, непосредственно участвующие в реакции.
• Одинаковые ионы по обе стороны полного ионного уравнения сокращают.
• Образование осадка, газа или слабого электролита служит признаком протекания реакции обмена.