Глава пятая. Растворение. Растворы. Реакции ионного обмена

Определения и обозначения

Раствор — однородная система из растворителя и растворённого вещества. В водном растворе вода обычно служит растворителем, а, например, соль — растворённым веществом. Растворитель создаёт среду, в которой распределяются частицы другого вещества, поэтому состав раствора важно описывать с учётом обоих компонентов.

Растворимость — способность вещества растворяться в данном растворителе. Она зависит от природы обоих веществ и температуры: одно и то же вещество может хорошо растворяться в воде и плохо — в другом растворителе. Это понятие позволяет определить, сколько вещества максимально может раствориться при заданных условиях.

Электролитическая диссоциация — распад электролита на ионы при растворении в воде или расплавлении. Ионы — заряженные частицы, образующиеся, например, из частиц солей, кислот и оснований. Диссоциация нужна, чтобы объяснить электропроводность растворов и записывать превращения веществ на уровне частиц.

Реакция ионного обмена — взаимодействие электролитов в растворе, при котором их ионы обмениваются партнёрами. Например, катион одного вещества может соединиться с анионом другого. Это определение помогает предсказать продукты реакции и проверить, есть ли причина для её протекания до конца.

Как это устроено

При растворении частицы растворённого вещества отделяются друг от друга и оказываются среди частиц растворителя. Между частицами разных веществ возникают взаимодействия, которые помогают удерживать растворённое вещество в распределённом состоянии. Поэтому растворение не всегда сводится к простому «исчезновению» вещества: оно может сопровождаться изменением теплового состояния, но не обязательно является химическим разложением.

Раствор называют ненасыщенным, если при данной температуре в нём может раствориться ещё некоторое количество вещества. Насыщенный раствор содержит предельное количество растворённого вещества, а пересыщенный — больше обычного предела и потому неустойчив: избыток может быстро выделиться в виде кристаллов. При нагревании растворимость многих твёрдых веществ возрастает, тогда как у газов обычно уменьшается. Поэтому растворимость всегда указывают для определённых условий.

Электролиты проводят ток в растворе или расплаве, потому что в них есть подвижные заряженные частицы — ионы. Под действием электрического поля положительные и отрицательные ионы движутся в разные стороны и переносят заряд. Неэлектролиты на ионы не распадаются, поэтому их растворы не проводят ток таким способом. В твёрдом электролите ионы могут быть неподвижны в кристаллической решётке, поэтому важны именно раствор или расплав.

Сильные электролиты распадаются на ионы практически полностью, а слабые — лишь частично; поэтому в растворе слабого электролита остаются и его молекулы. Для сильных электролитов в уравнениях обычно ставят стрелку →, показывая образование ионов. Например, CaCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl⁻, а NaOH → Na⁺ + OH⁻. Индексы формулы определяют число ионов, а проверка заряда подтверждает правильность записи: в каждом уравнении суммарный заряд слева и справа одинаков.

При ионном обмене продукты сначала можно представить как результат обмена катионов и анионов. Но реакция в растворе идёт до конца не при любом обмене: её поддерживает образование осадка, газа или слабого электролита, например воды. Такие продукты покидают раствор в виде твёрдого вещества или газа либо остаются преимущественно молекулами. Если все частицы остаются свободными ионами, обмен обычно не даёт заметного результата.

Растворы и вещества в растворах

Сначала определите, какое состояние раствора описано, а затем свяжите его с тем, что можно наблюдать. Для реакции проверьте, появляется ли осадок, газ или вода: это подсказывает, почему обмен может пройти до конца. Признаки в таблице помогают перейти от наблюдения к записи уравнения.

Разбор задач

Задача 1. При данной температуре в 100 г воды растворяется 36 г соли. Сколько соли можно растворить в 250 г воды, чтобы получить насыщенный раствор?

1. Сопоставим данные: в 100 г воды растворяется 36 г соли, а нам нужно узнать массу соли для 250 г воды. Температура остаётся той же, поэтому значение растворимости можно использовать без изменений.
2. Количество воды увеличилось в 250 : 100 = 2,5 раза. Значит, чтобы получить насыщенный раствор, массу соли тоже увеличиваем в 2,5 раза: 36 · 2,5 = 90 г.
3. Проверяем смысл результата: больше воды при той же температуре может растворить пропорционально больше соли, если условие задаёт растворимость на 100 г воды.

Ответ: 90 г соли.

Задача 2. Записать уравнения диссоциации хлорида кальция и гидроксида натрия.

1. Запишем формулы веществ: CaCl₂ и NaOH. Хлорид кальция состоит из ионов Ca²⁺ и Cl⁻, а гидроксид натрия — из Na⁺ и OH⁻.
2. В CaCl₂ на один ион кальция приходятся два хлорид-иона, поэтому записываем CaCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl⁻. Проверяем заряд справа: +2 − 2 = 0, как и у формульной единицы.
3. В NaOH один ион каждого вида, поэтому NaOH → Na⁺ + OH⁻. Заряды +1 и −1 в сумме дают ноль, а состав частиц сохранён.

Ответ: CaCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl⁻; NaOH → Na⁺ + OH⁻.

Задача 3. Смешали растворы нитрата серебра и хлорида натрия. Составить молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения реакции.

1. При обмене ионами Ag⁺ соединяется с Cl⁻ и образует нерастворимый AgCl. Поэтому это осадок, а ионы Na⁺ и NO₃⁻ остаются в растворе.
2. Записываем молекулярное уравнение: AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃. Коэффициенты равны единице, поскольку число атомов каждого элемента уже сохранено.
3. В полном ионном уравнении растворимые сильные электролиты записываем ионами, а осадок оставляем формулой: Ag⁺ + NO₃⁻ + Na⁺ + Cl⁻ → AgCl↓ + Na⁺ + NO₃⁻.
4. Ионы Na⁺ и NO₃⁻ одинаковы слева и справа и не участвуют в образовании осадка, поэтому сокращаем их. Получаем сокращённое уравнение Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓.

Ответ: молекулярное: AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃; полное ионное: Ag⁺ + NO₃⁻ + Na⁺ + Cl⁻ → AgCl↓ + Na⁺ + NO₃⁻; сокращённое ионное: Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓.

Типичные ошибки

Считать растворение химическим разложением неверно: при растворении вещество может сохранять свои частицы и лишь распределяться в растворителе, хотя между частицами возникает взаимодействие. Ошибка появляется из-за того, что твёрдое вещество перестаёт быть видимым. Проверьте себя: исчезновение кристаллов ещё не доказывает, что исходное вещество превратилось в другие вещества.

Растворимость — не то же самое, что фактическое количество растворённого вещества. Растворимость задаёт предел при конкретной температуре и для конкретного растворителя, а реальный раствор может содержать меньше этого предела. Чтобы проверить ответ, укажите условия и выясните, насыщен ли раствор.

Нельзя записывать осадок, газ или воду свободными ионами в ионном уравнении. Так делают, когда механически разбивают на ионы все формулы, забывая, что эти продукты не представлены в растворе как отдельные подвижные ионы. Проверьте агрегатное состояние и растворимость: осадок, газ и вода остаются в уравнении молекулами.

Нельзя сокращать любые частицы, которые встречаются по обе стороны уравнения. Сокращают только полностью одинаковые ионы с одинаковыми зарядами и количеством; частицы, образующие осадок, газ или воду, участвуют в реакции. Сверьте состав и заряд каждого иона и убедитесь, что после сокращения смысл превращения не исчез.

Связь с другими темами

Для изучения растворов нужны понятия атома, иона и химической формулы, а также знания о валентности и составлении формул солей, кислот и оснований. Тема опирается на различие чистого вещества и смеси: раствор является однородной смесью, а не новым чистым веществом. Для уравнений пригодится умение уравнивать химические реакции и сохранять число атомов. Диссоциация и ионный обмен помогут объяснять свойства кислот, оснований и солей и решать задачи о реакциях в растворах.

Что запомнить

• Раствор состоит из растворителя и растворённого вещества.
• Насыщенный раствор содержит максимально возможное при данных условиях количество растворённого вещества.
• Электролиты образуют ионы в растворе или расплаве и проводят электрический ток.
• При диссоциации число атомов и суммарный заряд должны сохраняться.
• Ионный обмен в растворе протекает до конца, если образуется осадок, газ или слабый электролит.
• В сокращённом ионном уравнении оставляют только частицы, участвующие в реакции.