"Химия (изд. Астрель)", Оржековский П.А., Мещерякова Л.М. и др.
Реакции ионного обмена происходят между электролитами в водных растворах: их ионы меняются составными частями. Такие реакции используют, чтобы получить осадок, газ или воду и доказать наличие определённых ионов. Главная задача — по растворимости продуктов понять, будет ли реакция идти до конца, а затем правильно записать молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения. Умение сокращать ионы помогает увидеть сущность химического превращения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Реакция ионного обмена — реакция между электролитами в растворе, при которой их ионы обмениваются составными частями. Например, ионы Ba²⁺ и SO₄²⁻ образуют нерастворимый BaSO₄. Это определение помогает понять, какие частицы действительно участвуют в превращении.
Молекулярное уравнение — запись реакции формулами исходных веществ и продуктов без разделения на ионы. Так записывают общий состав реакции, например BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl. Оно служит исходной схемой для дальнейшего перехода к ионным уравнениям.
Полное ионное уравнение показывает растворимые сильные электролиты в виде отдельных ионов. В нём видны все частицы, находящиеся в растворе до и после реакции. Такая запись нужна, чтобы определить ионы-наблюдатели и проверить сохранение атомов и зарядов.
Сокращённое ионное уравнение содержит только ионы, непосредственно участвующие в образовании осадка, газа или слабого электролита. Например, Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓. Оно кратко выражает сущность реакции.
Реакции ионного обмена рассматривают в водных растворах, потому что вода способна разделять частицы растворённых электролитов. Катионы и анионы получают возможность свободно перемещаться и сталкиваться друг с другом. Сильные электролиты диссоциируют почти полностью, поэтому именно их ионы удобно записывать в уравнениях.
Чтобы узнать, появится ли осадок, сравнивают продукты предполагаемого обмена с таблицей растворимости. Если новое вещество нерастворимо или растворяется очень плохо, оно отделяется от раствора в виде твёрдых частиц. Помутнение или выпадение осадка показывает, что концентрация ионов уменьшилась и обмен поддерживается образованием нового вещества.
Газ также удаляется из раствора, поэтому обратное превращение становится маловероятным. Например, ионы H⁺ и CO₃²⁻ сначала дают неустойчивую угольную кислоту, которая распадается на воду и CO₂. Пузырьки газа уносят CO₂, и реакция продолжается до расходования одного из исходных веществ.
Сначала составляют молекулярное уравнение и проверяют формулы продуктов. Затем растворимые сильные электролиты заменяют на ионы, не разделяя осадок, газ и воду. После этого одинаковые ионы в обеих частях сокращают и получают сокращённое ионное уравнение.
Ионы, которые не меняют состав и состояние, называют ионами-наблюдателями. Они присутствуют в растворе, но не создают осадок, газ или слабый электролит. Их сокращение не изменяет химический смысл записи, а убирает лишние частицы.
Таблицей пользуются после составления предполагаемых продуктов реакции. Найдите для каждого продукта его растворимость и определите, появляется ли осадок, газ или слабый электролит. Если ни одно из условий не выполняется, обмен в растворе практически не идёт.
| Условие | Продукт реакции | Признак | Пример сокращённого ионного уравнения |
|---|---|---|---|
| Образование нерастворимого вещества | Осадок | Помутнение или выпадение твёрдого вещества | Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ |
| Образование летучего вещества | Газ | Выделение пузырьков газа | CO₃²⁻ + 2H⁺ → CO₂↑ + H₂O |
| Образование слабого электролита | Вода или другое малодиссоциирующее вещество | Изменение состава раствора без появления осадка или газа | H⁺ + OH⁻ → H₂O |
| Отсутствие осадка, газа и слабого электролита | Реакция практически не протекает | В растворе остаются исходные ионы | Na⁺ + Cl⁻ + K⁺ + NO₃⁻ → Na⁺ + Cl⁻ + K⁺ + NO₃⁻ |
Условие: составить три уравнения реакции между растворами BaCl₂ и Na₂SO₄. Нужно определить продукт обмена и найти ионы, которые не участвуют в его образовании.
Условие: составить ионные уравнения реакции Na₂CO₃ с HCl и объяснить выделение газа. Причина реакции в том, что угольная кислота неустойчива и распадается.
Условие: определить реакцию для пар AgNO₃ и NaCl, NaOH и HNO₃. В каждом случае сначала ищем осадок или воду, а затем убираем ионы-наблюдатели.
Осадок, газ и воду ошибочно разделяют на ионы. Так делают по привычке, распространяя правило для растворимых электролитов на все вещества. Проверьте агрегатное состояние и растворимость продукта: BaSO₄, CO₂ и H₂O записываются целыми формулами.
Любой обмен автоматически считают идущим до конца. Причина ошибки — отсутствие проверки продуктов по таблице растворимости. Сначала найдите осадок, газ или слабый электролит; если их нет, реакция практически не протекает.
Ионы-наблюдатели оставляют в сокращённом уравнении. Их не замечают, потому что они встречаются и слева, и справа среди множества частиц. Сравните обе части полного уравнения и вычеркните одинаковые ионы с одинаковыми коэффициентами.
Индексы и коэффициенты путают или не проверяют заряды. Это нарушает состав веществ и закон сохранения заряда. Пересчитайте атомы каждого элемента и отдельно сложите заряды слева и справа.
Для темы нужны знания об электролитической диссоциации, свойствах ионов, формулах веществ и расстановке коэффициентов. Особенно важно уметь пользоваться таблицей растворимости и отличать сильные электролиты от осадков, газов и слабых электролитов.
Реакции ионного обмена пригодятся при изучении кислот, оснований и солей, качественных реакций и расчётных задач. Сокращённые уравнения помогают быстро установить, какой ион обнаруживается в растворе и какое вещество реально образуется.
Почему не всякая реакция обмена между растворами действительно протекает?
Обмен возможен, но заметное превращение идёт до конца только тогда, когда образуется осадок, газ или слабый электролит, например вода. Если все вещества остаются растворимыми сильными электролитами, ионы просто присутствуют в растворе, а реакции в ионном смысле нет.
Какие вещества в ионном уравнении нельзя разделять на ионы?
На ионы не разделяют осадки, газы, воду и другие слабые электролиты. Растворимые сильные электролиты, напротив, записывают в виде отдельных ионов.
Зачем составлять одновременно молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения?
Молекулярное уравнение показывает, какие вещества смешали и что получили. Полное ионное раскрывает состав раствора, а сокращённое оставляет только частицы, непосредственно участвующие в превращении.
Как понять, какие ионы являются ионами-наблюдателями?
Сравните левую и правую части полного ионного уравнения. Ионы, которые записаны с одинаковыми коэффициентами и не изменились, являются ионами-наблюдателями и сокращаются.
Можно ли считать реакцию завершившейся, если при смешивании растворов нет видимого осадка или газа?
Не всегда: образование воды или другого слабого электролита может быть незаметно внешне. Поэтому нужно проверить состав продуктов и уравнение, а не ориентироваться только на осадок или пузырьки газа.
Проведение реакций ионного обмена
