§ 39. Диссоциация электролитов в водных растворах. Ионные уравнения реакций

Определения и обозначения

Электролит — вещество, водный раствор или расплав которого проводит электрический ток благодаря наличию подвижных ионов. К электролитам относятся многие соли, кислоты и основания. Понятие помогает отличать такие вещества от неэлектролитов, растворы которых не проводят ток из-за отсутствия свободных ионов.

Электролитическая диссоциация — распад электролита на ионы при растворении в воде или плавлении. Ионы — частицы с положительным или отрицательным зарядом. Представление о диссоциации позволяет объяснить, откуда в растворе берутся частицы, которые могут переносить электрический заряд и вступать в реакции.

Ионное уравнение — запись реакции в растворе в виде формул ионов и частиц, которые остаются неизменными. В отличие от молекулярной записи оно показывает, какие заряженные частицы находятся в растворе и что с ними происходит. Такая запись помогает увидеть ход реакции, не отвлекаясь на вещества, которые не изменяются.

Сокращённое ионное уравнение — запись, в которой оставлены только частицы, непосредственно участвующие в реакции. Его получают из полного ионного уравнения, убирая одинаковые ионы, присутствующие до и после реакции. Оно показывает сущность превращения, например соединение ионов с образованием осадка.

Как это устроено

Молекула воды полярна: заряд в ней распределён неравномерно, поэтому её части притягиваются к заряженным частицам вещества. Молекулы воды направляются к ионам противоположными по знаку участками и ослабляют притяжение между частицами электролита. В результате ионы отделяются друг от друга, а молекулы воды окружают их и мешают снова соединиться. Так растворённые частицы удерживаются в растворе.

В ионных веществах положительные и отрицательные ионы уже находятся в кристалле, где образуют упорядоченную решётку. При растворении взаимодействие с водой помогает частицам выйти из неё и перейти в раствор. У некоторых веществ, например кислот, в кристалле или чистом веществе находятся нейтральные молекулы. Вода взаимодействует с ними так, что молекулы превращаются в ионы.

Разделившиеся ионы не остаются неподвижными: в растворе они перемещаются хаотично, а под действием электрического поля начинают двигаться направленно. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду, отрицательные — к положительному. Перенос заряда ионами замыкает электрическую цепь, поэтому растворы и расплавы электролитов проводят ток. В твёрдой соли ионы тоже заряжены, но закреплены в решётке и не могут свободно переносить заряд.

Сначала реакцию обычно записывают молекулярным уравнением, затем проверяют растворимость веществ. Растворимые сильные электролиты в воде существуют преимущественно в виде ионов, поэтому в полном ионном уравнении их формулы заменяют на формулы ионов. При этом для каждого вещества нужно верно указать заряды ионов и их количество. Осадки, газы и воду оставляют молекулами: они не представлены в растворе большим количеством свободных ионов.

Полное ионное уравнение содержит также ионы, которые не меняются в ходе реакции. Если одна и та же частица с одинаковым зарядом стоит слева и справа, её можно убрать из обеих частей. Такие частицы называют ионами-наблюдателями: они находились в растворе до реакции и остаются там после неё. Оставшиеся частицы составляют сокращённое уравнение, которое и показывает химическую сущность превращения.

Как записывать реакции в растворах электролитов

Двигайтесь от первой строки к третьей: сначала запишите обычное уравнение, затем представьте растворимые сильные электролиты ионами и сократите одинаковые частицы. Стрелка вниз показывает, что образовался осадок. Сверяйте заряды и количество атомов: баланс должен сохраняться в каждой форме записи.

Разбор задач

Задача 1. Составьте молекулярное уравнение реакции между растворами хлорида натрия и нитрата серебра. Чтобы понять, произойдёт ли обмен, нужно переставить части кислотных остатков и металлов, затем проверить продукты по таблице растворимости. Хлорид серебра нерастворим в воде, поэтому выпадает в осадок.

1. Записываем формулы исходных веществ: NaCl и AgNO₃.
2. Меняем ионы местами: образуются AgCl и NaNO₃.
3. Проверяем растворимость: AgCl — осадок, NaNO₃ растворим.
4. Ставим коэффициенты. В данном случае все коэффициенты равны единице.

Ответ: NaCl + AgNO₃ → AgCl↓ + NaNO₃.

Задача 2. Для реакции растворов NaCl и AgNO₃ составьте полное ионное уравнение. Растворимые соли распадаются на ионы, а нерастворимый хлорид серебра остаётся целым. Разделяем формулы веществ так, чтобы число каждого вида ионов соответствовало формуле исходной соли.

1. Записываем уравнение реакции: NaCl + AgNO₃ → AgCl↓ + NaNO₃.
2. Заменяем растворимые соли на ионы: Na⁺, Cl⁻, Ag⁺ и NO₃⁻.
3. Оставляем AgCl в виде осадка, а растворимый NaNO₃ справа записываем как Na⁺ и NO₃⁻.

Ответ: Na⁺ + Cl⁻ + Ag⁺ + NO₃⁻ → AgCl↓ + Na⁺ + NO₃⁻. Число атомов и суммарный заряд уравнены; ионы Na⁺ и NO₃⁻ присутствуют по обе стороны без изменений.

Задача 3. Запишите сокращённое ионное уравнение реакции растворов карбоната натрия и соляной кислоты. При действии кислоты на карбонат образуются углекислый газ и вода, поэтому именно эти продукты оставляют молекулами. Сначала составляем полное уравнение, а потом ищем одинаковые ионы.

1. Молекулярное уравнение: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑.
2. Растворимые вещества расписываем на ионы: 2Na⁺ + CO₃²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → 2Na⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + CO₂↑.
3. Сокращаем 2Na⁺ и 2Cl⁻ по обе стороны.

Ответ: CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑.

Типичные ошибки

Ошибка: разлагать на ионы осадки, газы, воду и слабые электролиты. Так делают, если механически заменяют на ионы все формулы в уравнении, не проверяя свойства веществ. В растворе такие вещества не дают достаточного количества свободных ионов, поэтому их оставляют молекулярными. Проверьте растворимость и состояние продукта: если это осадок, газ или вода, не разбивайте его формулу.

Ошибка: считать, что любое растворившееся вещество распадается на ионы. Растворение означает распределение частиц в воде, но не обязательно их превращение в заряженные частицы. Неэлектролиты остаются молекулами и не проводят ток за счёт ионного переноса. Спросите себя, относится ли вещество к электролитам, прежде чем записывать его частицами-ионами.

Ошибка: сокращать ионы, которые находятся только с одной стороны уравнения. Иногда ученик убирает похожие обозначения, не проверив, присутствуют ли они в обеих частях. Сокращение возможно лишь для одинаковых ионов с одинаковым зарядом, записанных слева и справа. Сверьте каждую сокращаемую частицу в обеих частях полного уравнения.

Ошибка: записывать неверный заряд иона или оставлять уравнение несбалансированным. Это часто происходит, когда забывают, что индекс в формуле вещества показывает число частиц, а заряд — число отданных или принятых электронов. Проверьте, совпадает ли суммарный заряд слева и справа, а также число атомов каждого элемента. Если баланс нарушен, уравнение записано неверно.

Связь с другими темами

Для записи ионных уравнений нужны знания о формулах веществ, составе и зарядах ионов, валентности и реакциях обмена. Таблица растворимости помогает предсказать, появится ли осадок, а свойства кислот, оснований и солей — определить возможные продукты реакции. Эти умения пригодятся при дальнейшем изучении химических свойств названных классов веществ. Ионная запись связывает состав раствора с тем, какие частицы действительно взаимодействуют.

Что запомнить

• Электролиты проводят ток в растворах и расплавах благодаря подвижным ионам.
• Диссоциация происходит при растворении электролита в воде или его плавлении.
• Растворимые сильные электролиты в ионных уравнениях записывают в виде ионов.
• Осадки, газы, воду и слабые электролиты обычно записывают молекулярными формулами.
• Сокращённое ионное уравнение получают сокращением одинаковых ионов в обеих частях полного уравнения.
• Ионное уравнение должно сохранять число атомов и суммарный заряд.