"Химия ", Габриелян О.С, Сивоглазов В.И. и др., Изд. "ДРОФА"
Растворы солей, кислот и оснований проводят электрический ток, потому что в них есть подвижные ионы. При растворении электролит распадается на положительно и отрицательно заряженные частицы — это называется электролитической диссоциацией. Зная, какие ионы присутствуют в растворе, можно записать ионное уравнение и увидеть, что именно происходит в реакции. Главное правило: реакция обмена идёт до конца, если образуется осадок, газ или слабый электролит, например вода.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электролиты — вещества, водные растворы или расплавы которых проводят электрический ток благодаря наличию подвижных ионов. К ним относятся, например, многие соли, кислоты и основания. Это понятие помогает отличать вещества, способные проводить ток в растворе, от тех, которые остаются нейтральными молекулами.
Электролитическая диссоциация — распад электролита на положительные и отрицательные ионы при растворении в воде. Ионы могут перемещаться по раствору и взаимодействовать друг с другом. Представление о диссоциации нужно, чтобы объяснять свойства растворов и записывать химические реакции не только формулами веществ, но и формулами частиц.
Ионное уравнение реакции — запись реакции с участием реально существующих в растворе ионов. В ней растворимые сильные электролиты обычно показывают раздельно, в виде ионов. Такая запись позволяет увидеть, какие именно частицы изменились, а какие остались в растворе без изменений.
Реакция ионного обмена — реакция между электролитами, в которой ионы обмениваются партнёрами и образуется осадок, газ или слабый электролит. Например, катион одного вещества может соединиться с анионом другого и образовать нерастворимое соединение. Определение помогает понять, произойдёт ли заметное превращение при смешивании растворов.
Молекула воды полярная: её части имеют небольшие разноимённые заряды. Поэтому молекулы воды притягиваются к заряженным частям частиц электролита и ослабляют связь между ними. Частицы отделяются друг от друга, а молекулы воды окружают ионы; такую оболочку называют гидратной, а ионы — гидратированными.
В кристалле соли ионы закреплены в узлах решётки, а в растворе они могут перемещаться. Под действием электрического поля положительные ионы направляются к отрицательному электроду, отрицательные — к положительному, и возникает ток. Сахар тоже растворяется, но его частицы остаются нейтральными молекулами, поэтому раствор сахара не проводит ток как раствор соли.
Чтобы записать диссоциацию, сначала определяют, на какие ионы распадается формульная единица вещества. Кислота даёт катионы H⁺ и анион кислотного остатка, основание — катион металла и OH⁻, а соль — катион металла и анион остатка. Число одинаковых ионов показывают коэффициентом: например, Na₂SO₄ → 2Na⁺ + SO₄²⁻, а Ba(OH)₂ → Ba²⁺ + 2OH⁻.
Обмен в растворе сам по себе не гарантирует, что вещества прореагируют до конца: если все частицы останутся свободными ионами, заметного изменения состава не произойдёт. Движущая сила реакции появляется, когда часть ионов связывается в осадок, газ или слабый электролит. Вода — слабый электролит, поэтому её образование из H⁺ и OH⁻ позволяет записать сокращённое уравнение H⁺ + OH⁻ → H₂O.
Начинают с молекулярного уравнения, расставляют коэффициенты и определяют, какие вещества растворимы. Растворимые сильные электролиты заменяют ионами, а осадки, газы, воду и слабые электролиты оставляют формулами — так получают полное ионное уравнение. Затем одинаковые ионы по обе стороны сокращают; перед сокращением нужно проверить, что частицы действительно одинаковы и не входят в состав образующегося осадка, газа или воды.
| Вид электролита | Частицы в растворе | Общий вид уравнения диссоциации | Пример | Особенность записи |
|---|---|---|---|---|
| Кислоты | H⁺ и анионы кислотного остатка | HₙA → nH⁺ + Aⁿ⁻ | HCl → H⁺ + Cl⁻ | Число атомов водорода задаёт число катионов H⁺. |
| Основания | Катионы металла и OH⁻ | M(OH)ₙ → Mⁿ⁺ + nOH⁻ | Ba(OH)₂ → Ba²⁺ + 2OH⁻ | Индекс у OH становится коэффициентом. |
| Растворимые соли | Катионы металла и анионы кислотного остатка | MₐAᵦ → aM + bA (с учётом зарядов) | Na₂SO₄ → 2Na⁺ + SO₄²⁻ | Индексы формулы помогают определить число ионов. |
| Слабые электролиты | Молекулы и небольшое количество ионов | HA ⇄ H⁺ + A⁻ | CH₃COOH ⇄ H⁺ + CH₃COO⁻ | Используют обратимую стрелку, показывая неполную диссоциацию. |
| Неэлектролиты для сравнения | Нейтральные молекулы | Диссоциация на ионы не записывается | C₆H₁₂O₆ растворяется как молекулы | Растворение не создаёт подвижных ионов. |
Сначала определите класс вещества и выясните, растворимо ли оно: это подскажет, какие частицы записать. Затем проверьте, сохраняются ли число атомов и суммарный заряд. Для слабого электролита используйте обратимую стрелку, а для неэлектролита уравнение диссоциации на ионы не составляйте.
Задача. Запишите уравнения диссоциации Na₂SO₄, Ba(OH)₂ и HCl. Сначала распознаём частицы, составляющие каждую формулу: соль даёт ионы металла и кислотного остатка, основание — металл и гидроксид-ионы, кислота — водород и кислотный остаток. Индексы показывают число одинаковых ионов, а заряды должны уравновеситься.
Для Na₂SO₄ запишите два катиона Na⁺ и один анион SO₄²⁻: Na₂SO₄ → 2Na⁺ + SO₄²⁻. Два заряда +1 компенсируют заряд −2.
Для Ba(OH)₂ запишите один катион Ba²⁺ и два аниона OH⁻: Ba(OH)₂ → Ba²⁺ + 2OH⁻. Число гидроксид-ионов определяется индексом 2 у скобок.
HCl содержит по одному атому водорода и хлора, поэтому HCl → H⁺ + Cl⁻. Сумма зарядов ионов равна нулю, как и заряд исходной молекулы.
Ответ: Na₂SO₄ → 2Na⁺ + SO₄²⁻; Ba(OH)₂ → Ba²⁺ + 2OH⁻; HCl → H⁺ + Cl⁻.
Задача. Составьте молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения реакции BaCl₂ и Na₂SO₄. По таблице растворимости BaSO₄ нерастворим и выпадает в осадок, а соли натрия растворимы. Значит, обмен приводит к удалению части ионов из раствора и может идти до конца.
Запишите продукты обмена и уравняйте число атомов: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl. Стрелка вниз показывает образование осадка.
Представьте растворимые соли ионами, но оставьте BaSO₄ формулой: Ba²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻. Это полное ионное уравнение.
Сократите одинаковые Na⁺ и Cl⁻, присутствующие с обеих сторон. Остаётся уравнение образования осадка из ионов бария и сульфат-ионов.
Ответ: сокращённое уравнение Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓.
Задача. Составьте ионные уравнения реакции Na₂CO₃ с HCl и объясните, почему она протекает до конца. При обмене образуются NaCl и H₂CO₃, но угольная кислота неустойчива. Она распадается на воду и углекислый газ, который покидает раствор.
Составьте и уравняйте молекулярное уравнение: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂CO₃. Затем учтите разложение H₂CO₃ на H₂O и CO₂↑.
Запишите растворимые сильные электролиты в виде ионов, а воду и газ оставьте молекулами: 2Na⁺ + CO₃²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → 2Na⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + CO₂↑. Это полное ионное уравнение.
Сократите ионы Na⁺ и Cl⁻, которые не меняются в ходе реакции. Полученная запись показывает превращение карбонат-иона и ионов водорода в воду и газ.
Ответ: CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑. Реакция идёт до конца, потому что образуется газ, который удаляется из раствора.
Записывать в виде ионов осадок, газ, воду или слабый электролит — ошибка: такие вещества не находятся в растворе как свободные ионы в значительном количестве. Обычно так делают, перенося правило о сильных электролитах на все вещества. Проверьте растворимость и силу электролита: растворимые сильные электролиты записывают ионами, остальные перечисленные частицы — формулами.
Неверные индексы или заряды при диссоциации нарушают состав частиц. Ошибка возникает, если забыть индекс у скобок или принять индекс вещества за заряд иона. Проверьте число атомов каждого элемента и сложите заряды справа: сумма должна совпадать с зарядом исходного вещества.
Не всякая реакция обмена протекает до конца; нужно установить, появляется ли осадок, газ или слабый электролит. Эту ошибку допускают, считая достаточным сам факт обмена ионами. Сверьтесь с таблицей растворимости и проверьте свойства продуктов до записи реакции.
Если не сократить одинаковые ионы, ионное уравнение будет содержать частицы, не участвующие в превращении. Но нельзя сокращать ионы, входящие в состав осадка, газа или воды: они расходуются при реакции. Сравните обе части полного уравнения и убирайте только одинаковые свободные ионы, стоящие по обе стороны.
Для работы с диссоциацией нужно знать состав и заряды ионов, формулы кислот, оснований и солей, а также уметь пользоваться таблицей растворимости. Эти знания помогают предсказывать свойства веществ и проводить качественные реакции на отдельные ионы. Ионные уравнения пригодятся при решении расчётных задач по растворам, а также при изучении электролиза, pH и окислительно-восстановительных реакций.
Почему раствор сахара не проводит электрический ток, а раствор поваренной соли проводит?
Сахар растворяется в воде в виде нейтральных молекул, поэтому подвижных заряженных частиц не возникает. Поваренная соль распадается на ионы Na⁺ и Cl⁻, которые переносят электрический заряд.
Как понять, какие вещества нужно записывать в ионном виде?
В виде ионов записывают растворимые сильные электролиты: хорошо растворимые соли, сильные кислоты и щёлочи. Осадки, газы, воду и слабые электролиты оставляют в молекулярной форме.
Почему слабые электролиты не раскладывают полностью на ионы?
Слабый электролит диссоциирует лишь частично: в растворе остаётся много его молекул. Поэтому запись только в виде ионов не отражала бы реальный состав раствора.
Как определить, будет ли реакция обмена протекать до конца?
Сначала составьте продукты обмена и проверьте их по таблице растворимости и свойствам веществ. Реакция обычно идёт до конца, если среди продуктов образуется осадок, газ или слабый электролит, например вода.
Зачем нужны сокращённые ионные уравнения?
Они показывают, какие частицы непосредственно изменяются в реакции. Ионы, которые остаются неизменными и лишь присутствуют в растворе, из такой записи исключают.
§ 39. Диссоциация электролитов в водных растворах. Ионные уравнения реакций
