§ 38. Ионные уравнения

Определения и обозначения

Ионное уравнение — запись реакции в растворе с участием ионов, а не только формул веществ. Оно помогает понять, какие частицы меняются при реакции, и увидеть, происходит ли в растворе образование нового вещества.

Полное ионное уравнение показывает растворимые сильные электролиты в виде ионов, а осадки, газы и воду — формулами. Такая запись нужна, чтобы сравнить частицы до и после реакции и найти те, которые не изменились.

Сокращённое ионное уравнение содержит только частицы, непосредственно участвующие в реакции. Для его получения одинаковые свободные ионы по обе стороны полного уравнения сокращают; так становится ясно, в чём состоит химическое превращение.

Ионы-наблюдатели — ионы, которые присутствуют в растворе до и после реакции и не изменяются. Их называют наблюдателями, потому что они не входят в состав нового осадка, газа или другого продукта и не нужны в сокращённом уравнении.

Как это устроено

Составление начинают с обычного молекулярного уравнения, потому что оно показывает формулы исходных веществ и продуктов. Затем определяют, какие вещества в растворе распадаются на ионы. На ионы переводят только электролиты, существующие в воде в виде подвижных заряженных частиц; иначе уравнение ошибочно показало бы частицы, которых в растворе почти нет.

В полном ионном уравнении растворимые соли, сильные кислоты и щёлочи записывают отдельными ионами. Осадок не растворён, газ покидает раствор, вода образует молекулы, а слабый электролит распадается на ионы лишь в малой степени, поэтому их оставляют формулами. Например, AgCl↓ записывают целиком, а растворимые AgNO₃ и NaCl — как Ag⁺, NO₃⁻, Na⁺ и Cl⁻.

Когда полное уравнение готово, сравнивают его левую и правую части. Если один и тот же свободный ион с тем же зарядом есть с обеих сторон, он не изменился и является ионом-наблюдателем. Его можно убрать из обеих частей: после такого сокращения остаётся сокращённое ионное уравнение, описывающее саму суть реакции.

Обмен между растворёнными веществами не всегда приводит к заметному превращению. Реакция идёт до конца, когда один из продуктов удаляется из раствора: образуется осадок или газ либо возникает слабый электролит, например вода. В этих случаях частицы продуктов не остаются в растворе в прежнем виде, и равновесие смещается в сторону образования продукта.

В конце проверяют коэффициенты, число атомов и суммарный заряд. Атомы не исчезают и не возникают, а общий заряд сохраняется, поэтому обе части ионного уравнения должны иметь одинаковый заряд. Такая проверка помогает найти пропущенный коэффициент или ошибку при распаде соли на ионы.

Запись реакции обмена в растворе

Читайте таблицу сверху вниз: каждый этап использует результат предыдущего. При составлении своего уравнения сначала запишите продукты обмена и проверьте растворимость, а затем распишите растворимые электролиты на ионы. В конце проверьте, что сокращены только одинаковые свободные ионы.

Разбор задач

Реакция растворов AgNO₃ и NaCl

Условие. Составьте полное и сокращённое ионные уравнения реакции растворов AgNO₃ и NaCl. Сначала выясним, какие продукты могут образоваться при обмене ионов между веществами. По таблице растворимости AgCl — осадок, а NaNO₃ растворим.

1. Записываем молекулярное уравнение: AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃.
2. Растворимые соли переводим в ионы, а AgCl оставляем формулой: Ag⁺ + NO₃⁻ + Na⁺ + Cl⁻ → AgCl↓ + Na⁺ + NO₃⁻.
3. Находим одинаковые ионы с обеих сторон: Na⁺ и NO₃⁻ не изменились, поэтому это ионы-наблюдатели.
4. Сокращаем их и получаем: Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓.

Ответ. Полное ионное уравнение: Ag⁺ + NO₃⁻ + Na⁺ + Cl⁻ → AgCl↓ + Na⁺ + NO₃⁻. Сокращённое: Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓; реакция идёт до конца, потому что образуется осадок.

Реакция растворов Na₂CO₃ и HCl

Условие. Составьте ионные уравнения реакции растворов Na₂CO₃ и HCl. При обмене сначала возникает угольная кислота H₂CO₃, но она нестойкая и распадается на воду и углекислый газ. Поэтому конечными продуктами будут соль, вода и газ.

1. Записываем молекулярное уравнение с учётом разложения H₂CO₃: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑.
2. Растворимые соли и сильную кислоту расписываем на ионы: 2Na⁺ + CO₃²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → 2Na⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + CO₂↑.
3. Сокращаем одинаковые свободные ионы Na⁺ и Cl⁻. Остаётся сокращённое уравнение: CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑.

Ответ. Полное ионное уравнение: 2Na⁺ + CO₃²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → 2Na⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + CO₂↑. Сокращённое: CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑; реакция идёт до конца благодаря образованию воды и газа.

Смешивание растворов NaNO₃ и KCl

Условие. Определите, идёт ли реакция между растворами NaNO₃ и KCl; если идёт, запишите сокращённое уравнение. При обмене возможные продукты — NaCl и KNO₃. Проверим, не появляется ли среди них осадок, газ или слабый электролит.

1. Записываем предполагаемый обмен: NaNO₃ + KCl → NaCl + KNO₃.
2. Все указанные соли растворимы в воде, поэтому ни осадка, ни газа, ни слабого электролита не образуется.
3. В полном ионном виде одинаковые ионы окажутся по обе стороны: Na⁺ + NO₃⁻ + K⁺ + Cl⁻ → Na⁺ + Cl⁻ + K⁺ + NO₃⁻. После сокращения не останется частиц.

Ответ. Реакция обмена до конца не идёт, так как все возможные продукты остаются растворёнными сильными электролитами. Сокращённого ионного уравнения нет: все ионы являются наблюдателями.

Типичные ошибки

Записывать все вещества в виде ионов. Так делают, если забывают, что осадок, газ, вода и слабый электролит на ионы не расписывают. Проверьте агрегатное состояние и растворимость каждого вещества: если продукт не находится в растворе как свободные ионы, оставьте его формулой.

Сокращать ионы, входящие в состав осадка или другого продукта. Это происходит, когда сравнивают только символы и не учитывают, что частица химически изменилась. Сокращать разрешено лишь одинаковые свободные ионы по обе стороны уравнения; ион, вошедший в осадок, должен остаться в записи.

Считать, что любая реакция обмена идёт до конца. Сам факт перестановки ионов не гарантирует превращения: иногда все продукты остаются растворимыми сильными электролитами. Проверьте продукты по таблице растворимости и найдите осадок, газ или слабый электролит; если их нет, сокращённого уравнения не получится.

Не проверять заряды и коэффициенты. Ошибка часто возникает при распаде соли на ионы или при сокращении одинаковых частиц. Пересчитайте атомы каждого элемента и сложите заряды слева и справа: обе проверки должны дать равенство.

Связь с другими темами

Для ионных уравнений нужны знания об электролитах и ионах, а также умение составлять формулы веществ и уравнения реакций обмена. Таблица растворимости помогает предсказать, останутся ли продукты в растворе или образуют осадок. Эти навыки пригодятся при изучении свойств кислот, оснований и солей, потому что многие их реакции проходят именно в водных растворах.

Что запомнить

• Ионное уравнение показывает, какие частицы реально участвуют в реакции раствора.
• В ионы расписывают растворимые сильные электролиты.
• Осадок, газ и воду записывают молекулярными формулами.
• Ионы-наблюдатели сокращают в полном ионном уравнении.
• В сокращённом уравнении остаются только изменяющиеся частицы.
• Реакция обмена идёт до конца при образовании осадка, газа или слабого электролита.
• Число атомов и суммарный заряд должны быть одинаковыми в обеих частях уравнения.