§ 33. Реакции обмена

Определения и обозначения

Реакция обмена — реакция между двумя сложными веществами, в которой они обмениваются составными частями и образуют два новых сложных вещества. Условную схему можно записать так: AB + CD → AD + CB. Она помогает предсказать продукты, но их формулы нужно составлять не простым переносом букв, а с учётом зарядов ионов.

Реакция нейтрализации — реакция кислоты с основанием, при которой образуются соль и вода. Она является частным случаем обмена: частицы кислоты и основания перестраиваются, а водород и гидроксид образуют воду. Это определение помогает узнать тип реакции и правильно составить её продукты.

Осадок — нерастворимое или малорастворимое твёрдое вещество, которое выделяется из раствора в результате реакции. В уравнении рядом с формулой осадка ставят стрелку вниз, например BaSO₄↓. Осадок важен не только как видимый признак: его образование помогает понять, почему обмен в растворе завершается.

Ионное уравнение — запись реакции в виде взаимодействия ионов, показывающая, какие частицы действительно изменяются. Растворимые сильные электролиты в нём представляют ионами, а осадок, газ и воду оставляют в молекулярном виде. Такая запись позволяет отделить участвующие частицы от ионов, которые остаются без изменений.

Как это устроено

Чтобы составить схему обмена, представьте каждое сложное вещество как пару составных частей: положительно заряженный ион и отрицательно заряженный ион. В схеме AB + CD → AD + CB эти части условно меняются партнёрами, но схема сама по себе ещё не гарантирует правильных формул. Сначала определяют заряды ионов новых веществ, а затем подбирают индексы так, чтобы общий заряд был нулевым. Например, ионам Ba²⁺ и SO₄²⁻ соответствует формула BaSO₄, а не формула с произвольными индексами.

В водном растворе растворимые электролиты распадаются на свободные ионы, поэтому при обмене именно они сталкиваются друг с другом. Реакция обычно идёт до конца, если из раствора удаляется один из продуктов: осадок отделяется в твёрдую фазу, газ покидает раствор, а вода остаётся слабодиссоциирующим веществом. Из-за этого концентрация соответствующих свободных частиц уменьшается и обратный процесс не уравновешивает прямой. Если же все продукты остаются растворёнными и не образуются газ или вода, обмен в растворе обычно не имеет такого движущего признака.

Нейтрализация показывает, как обмен связан с поведением частиц. Кислота даёт ионы водорода H⁺, а основание — гидроксид-ионы OH⁻; при встрече они образуют воду: H⁺ + OH⁻ → H₂O. Эти ионы расходуются, поэтому реакция продолжается, пока они соединяются. Оставшиеся катионы основания и анионы кислоты образуют соль, так что в молекулярном уравнении видны оба продукта — соль и вода.

Чтобы выяснить, образуется ли осадок, после составления формул продуктов сверьтесь с таблицей растворимости. Найдите в ней сочетание ионов, которое даёт предполагаемую соль или основание, и определите, растворимо ли полученное вещество в воде. Нерастворимый или малорастворимый продукт выпадает из раствора как твёрдые частицы, поэтому рядом с его формулой ставят стрелку вниз. Например, BaSO₄↓ показывает, что сульфат бария образуется как осадок, а не остаётся в растворе.

Ионное уравнение получают из уже составленного и уравненного молекулярного: растворимые сильные электролиты раскладывают на ионы, сохраняя коэффициенты и индексы. Осадок, газ и воду не разделяют на ионы, потому что в растворе они не представлены значительным количеством свободных ионов. В полном ионном уравнении могут оказаться ионы, которые не меняются; их называют ионами-наблюдателями. Если убрать одинаковые ионы с обеих сторон, получится сокращённое ионное уравнение, показывающее только действительное превращение.

Признаки и примеры реакций обмена

Сначала по предполагаемым продуктам и таблице растворимости выясните, появится ли осадок, газ или вода. Затем сопоставьте этот признак с таблицей: он объясняет, почему обмен в растворе может завершиться. Стрелка вниз указывает на осадок, а стрелка вверх — на выделяющийся газ.

Разбор задач

1. HCl + NaOH → ?

Определите тип реакции и составьте уравнение. Здесь взаимодействуют кислота HCl и основание NaOH, поэтому это нейтрализация. При обмене катион натрия соединяется с хлорид-ионом, а водород кислоты — с гидроксид-ионом основания.

1. Запишите формулы продуктов: Na⁺ и Cl⁻ дают NaCl, а H⁺ и OH⁻ дают H₂O. Заряды натрия и хлора взаимно компенсируются, поэтому в формуле соли индексы не нужны. Получается схема HCl + NaOH → NaCl + H₂O.
2. Проверьте количество атомов слева и справа. В обеих частях есть по одному атому Na, Cl, O и два атома H, поэтому коэффициенты равны единице. Уравнение уже уравнено и дополнительно проверять его нужно именно по каждому элементу.
3. Определите, что поддерживает реакцию: вода образуется из H⁺ и OH⁻. Поэтому обмен в растворе имеет признак завершения. Сокращённая запись взаимодействия частиц — H⁺ + OH⁻ → H₂O.

Ответ: нейтрализация; HCl + NaOH → NaCl + H₂O.

2. BaCl₂ + Na₂SO₄ → ?

Составьте и уравняйте реакцию растворов хлорида бария и сульфата натрия, затем укажите признак реакции. Оба исходных вещества растворимы и находятся в виде ионов. Чтобы предсказать продукты, поменяйте местами отрицательные частицы: барий соедините с сульфатом, а натрий — с хлором.

1. Используйте заряды: Ba²⁺ и SO₄²⁻ образуют BaSO₄, а Na⁺ и Cl⁻ — NaCl. Индексы в формулах определяются зарядом, поэтому нельзя получать формулы продуктов простым переносом символов. Предварительная схема: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄ + NaCl.
2. Проверьте таблицу растворимости: сульфат бария нерастворим, значит, он выпадает в осадок. Запишите его как BaSO₄↓. Именно появление осадка показывает, что реакция обмена в растворе идёт до конца.
3. Уравняйте число атомов натрия и хлора: перед NaCl поставьте коэффициент 2. Теперь слева и справа по одному Ba, два Na, два Cl и одна группа SO₄, поэтому остальные коэффициенты равны 1. Коэффициенты ставят перед формулами, не меняя индексы.

Ответ: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl; признак реакции — образование осадка.

3. Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂

Составьте полное и сокращённое ионные уравнения. Исходное молекулярное уравнение уже уравнено: число атомов каждого элемента слева и справа совпадает. Карбонат натрия, соляная кислота и хлорид натрия растворимы в воде, поэтому в полном ионном уравнении их записывают в виде ионов.

1. Распишите растворимые вещества: Na₂CO₃ даёт 2Na⁺ и CO₃²⁻, 2HCl — 2H⁺ и 2Cl⁻, а 2NaCl — 2Na⁺ и 2Cl⁻. Воду и углекислый газ оставьте молекулами. Полное ионное уравнение: 2Na⁺ + CO₃²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → 2Na⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + CO₂↑.
2. Найдите одинаковые частицы слева и справа: это 2Na⁺ и 2Cl⁻. Они не меняются в ходе реакции, поэтому их называют ионами-наблюдателями. Сократите их, не изменяя остальные частицы.
3. Запишите частицы, которые действительно реагируют: CO₃²⁻ и 2H⁺ образуют воду и углекислый газ. Проверьте баланс зарядов: слева суммарный заряд равен нулю, справа нейтральные вещества. Сокращённое ионное уравнение показывает образование газа и воды.

Ответ: полное: 2Na⁺ + CO₃²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → 2Na⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + CO₂↑; сокращённое: CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑.

Типичные ошибки

Считать, что любая пара сложных веществ обязательно вступит в реакцию обмена, — неверно. Так думают, потому что схема обмена легко записывается почти для любой пары формул, но в растворе продукты могут остаться теми же свободными ионами. Проверьте, образуются ли осадок, газ или вода; без такого признака обмен обычно не идёт до конца. Например, у растворимых NaCl и KNO₃ все ионы остаются в растворе.

Нельзя составлять формулы продуктов простым переносом символов и не проверять заряды. Ошибка возникает, когда составные части меняют местами механически, забывая, что у ионов могут быть заряды разной величины. Сверьте формулу по зарядам: суммарный заряд вещества должен быть нулевым. Так, Ba²⁺ и SO₄²⁻ дают BaSO₄, а Al³⁺ и Cl⁻ — AlCl₃.

После составления продуктов реакцию нужно уравнять, но нельзя менять индексы в формулах ради баланса. Индексы показывают состав вещества, и их изменение означает, что вы записали уже другое соединение. Сначала составьте правильные формулы, затем подберите коэффициенты перед ними. В конце пересчитайте атомы каждого элемента слева и справа.

В ионном уравнении не следует разделять на ионы осадок, газ или воду. Такая ошибка появляется, если механически расписать все вещества, не проверяя их состояние и свойства. Ионами записывают растворимые сильные электролиты, а осадок, газ и воду оставляют молекулами. Перед сокращением проверьте также, что одинаковые ионы удалены только с обеих сторон уравнения.

Связь с другими темами

Для реакций обмена нужно знать, из каких ионов состоят кислоты, основания и соли, и уметь составлять формулы по зарядам. Таблица растворимости помогает определить, выпадет ли продукт в осадок, а знания о газах и воде позволяют распознавать другие признаки завершения реакции. Эта тема продолжает изучение состава веществ и свойств электролитов. Она пригодится при составлении молекулярных и ионных уравнений, распознавании качественных реакций и изучении свойств кислот, оснований и солей.

Что запомнить

• В реакции обмена два сложных вещества обмениваются составными частями.
• Продукты реакции составляют по зарядам ионов, затем уравнивают уравнение коэффициентами.
• Обмен в растворе обычно идёт до конца при образовании осадка, газа или воды.
• Нейтрализация — реакция кислоты с основанием с образованием соли и воды.
• В ионном уравнении растворимые сильные электролиты записывают ионами.
• Осадки, газы и воду в ионных уравнениях оставляют в молекулярном виде.