Раздел V. Растворение. Растворы. Реакции ионного обмена и окислительно-восстановительные реакции

Определения и обозначения

Растворение — процесс распределения частиц растворённого вещества между частицами растворителя. Оно может сопровождаться физическими изменениями, например дроблением вещества на мелкие частицы, и химическими изменениями — образованием новых частиц. Это понятие помогает объяснить, как вещества переходят в раствор и почему растворение иногда меняет их свойства.

Раствор — однородная смесь растворителя и растворённого вещества. Растворителем называют компонент, в котором распределено другое вещество; раствор может быть насыщенным или ненасыщенным. Различать эти виды нужно, чтобы понимать, может ли при данных условиях раствориться ещё какое-то количество вещества.

Реакция ионного обмена — реакция между электролитами в растворе, при которой их ионы обмениваются партнёрами. Электролиты — вещества, растворы которых содержат подвижные ионы. Это определение помогает увидеть, какие именно частицы взаимодействуют при смешивании растворов.

Окислительно-восстановительная реакция — реакция, в которой степени окисления элементов изменяются из-за перехода электронов от одних частиц к другим. Степень окисления — условный заряд атома в веществе. По её изменению определяют, кто отдаёт и кто принимает электроны, и правильно уравнивают реакцию.

Как это устроено

Когда вещество попадает в растворитель, его частицы отделяются друг от друга, а частицы растворителя окружают их. Затем они перемещаются и распределяются между частицами растворителя, поэтому смесь становится однородной. Взаимодействие с растворителем помогает удерживать частицы распределёнными по всему объёму, а скорость растворения зависит, например, от перемешивания и температуры.

При растворении частицы вещества и растворителя взаимодействуют, и на это требуется или выделяется энергия. Если на разрушение связей между частицами исходного вещества уходит больше энергии, чем выделяется при их взаимодействии с растворителем, растворение поглощает теплоту; если выделяется больше — нагревает раствор. В насыщенном растворе при данной температуре уже растворено максимально возможное количество вещества, а в ненасыщенном есть возможность растворить ещё. Поэтому температура и свойства растворителя влияют на то, сколько вещества может раствориться.

Электролиты в воде распадаются на ионы — заряженные частицы, которые могут перемещаться в растворе. Например, раствор соли содержит положительные и отрицательные ионы, поэтому его свойства определяются не только названием исходной соли, но и тем, какие ионы в нём присутствуют. Когда растворы смешивают, взаимодействуют именно ионы, а не обязательно целые формульные единицы вещества. Это позволяет предсказывать продукты реакции по частицам, находящимся в растворе.

Обмен ионами приводит к реакции, если один из продуктов удаляется из раствора. Осадок отделяется в виде твёрдого вещества, газ покидает раствор, а слабый электролит, например вода, почти не распадается на ионы. Поэтому образование любого из этих продуктов смещает процесс к завершению. Если все продукты остаются в растворе в виде ионов, обычно нет причины считать, что обмен прошёл до конца.

В ОВР сначала сравнивают степени окисления элементов до и после реакции. Повышение степени означает отдачу электронов и окисление, понижение — принятие электронов и восстановление. Для уравнивания записывают, сколько электронов отдаёт восстановитель и сколько принимает окислитель, а затем подбирают коэффициенты так, чтобы числа электронов совпали. Так химическое уравнение сохраняет и число атомов, и баланс электронов.

Растворение и реакции в растворах: основные признаки

Сначала выясни, какой процесс происходит: образование смеси, обмен ионами или переход электронов. Затем сверь условие реакции и подходящий способ записи. Таблица помогает не путать растворение с химической реакцией ионного обмена или ОВР.

Разбор задач

Задача 1. Растворили 20 г соли в 100 г воды. Определите массовую долю соли в полученном растворе.

1. Масса раствора складывается из массы соли и воды: 20 г + 100 г = 120 г. Это весь раствор, поэтому именно 120 г используют в знаменателе. Проверь, что в сумму вошли оба компонента.

2. Массовую долю соли находят делением её массы на массу раствора: 20 г ÷ 120 г = 0,167. Чтобы выразить долю в процентах, результат умножают на 100%. Единицы массы при делении сокращаются.

Ответ: массовая доля соли примерно 16,7%.

Задача 2. Составьте молекулярное, полное и сокращённое ионное уравнения реакции растворов хлорида бария и сульфата натрия.

1. При обмене ионами образуются сульфат бария BaSO₄ и хлорид натрия NaCl. Сульфат бария нерастворим, поэтому выпадает в осадок; для равного числа атомов натрия и хлора ставим коэффициент 2 перед NaCl. Молекулярное уравнение: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl.

2. В полном ионном уравнении растворимые соли записываем в виде ионов, но осадок оставляем формулой. Получаем: Ba²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻. Проверяем заряды и число частиц по обе стороны.

3. Одинаковые ионы Na⁺ и Cl⁻ остаются в растворе и не образуют осадок, поэтому сокращаем их слева и справа. Сокращённое ионное уравнение: Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓. В нём остались только частицы, участвующие в образовании осадка.

Ответ: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl; Ba²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻; Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓.

Задача 3. Расставьте коэффициенты в реакции Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂ методом электронного баланса и укажите окислитель и восстановитель.

1. В Fe₂O₃ железо имеет степень окисления +3, а в простом веществе Fe — 0. Каждый из двух атомов железа принимает по 3 электрона, всего принимается 6 электронов. Железо восстанавливается.

2. В CO углерод имеет степень окисления +2, а в CO₂ — +4. Каждый атом углерода отдаёт 2 электрона, поэтому для отдачи 6 электронов нужны 3 атома углерода. Ставим коэффициент 3 перед CO и CO₂.

3. Два атома железа в Fe₂O₃ требуют коэффициент 2 перед Fe. Проверяем кислород: слева 3 + 3 = 6 атомов, справа 3 × 2 = 6. Итог: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.

Ответ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Окислитель — Fe₂O₃, восстановитель — CO.

Типичные ошибки

Считать растворение исключительно физическим процессом неверно: некоторые вещества при взаимодействии с водой изменяются химически. Эту ошибку допускают, потому что смесь часто выглядит однородной и исходное вещество не видно. Проверь себя: выясни, сохраняются ли частицы вещества или возникают новые, и могут ли измениться свойства раствора.

Записывать осадок, газ или воду в ионном уравнении как набор ионов нельзя: эти продукты не остаются в растворе в виде свободных ионов. Ошибка возникает, когда все вещества автоматически разбивают на ионы. Перед записью проверь состояние продукта: осадок, газ и слабый электролит оставляют формулами.

Сокращают только одинаковые ионы, которые есть в обеих частях уравнения и остаются в растворе. Если ион входит в осадок или другой продукт, убирать его нельзя, иначе нарушится смысл реакции. Сверь полное и сокращённое уравнения: сокращённые частицы должны находиться слева и справа в одинаковом количестве.

Определять окисление и восстановление только по присоединению или потере кислорода — ненадёжно: перенос электронов бывает и без участия кислорода. Эта привычка связана с названием процессов. Проверь степени окисления до и после реакции: повышение означает окисление, понижение — восстановление.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны знания о формулах и составе веществ, валентности, степенях окисления и составлении химических уравнений. Она опирается на представления об атомах, ионах и химической связи, а также на понятия смеси и раствора. Эти знания позволяют понимать, какие частицы присутствуют в растворе и как они взаимодействуют. Позже они пригодятся при изучении кислот, оснований и солей, свойств водных растворов и электрохимических процессов.

Что запомнить

• Раствор состоит из растворителя и растворённого вещества.
• Насыщенный раствор содержит максимально возможное при данных условиях количество растворённого вещества.
• В растворах электролитов присутствуют ионы.
• Реакция ионного обмена идёт до конца, если образуется осадок, газ или слабый электролит.
• В сокращённом ионном уравнении оставляют только частицы, участвующие в реакции.
• При окислении степень окисления повышается, при восстановлении — понижается.
• Число электронов, отданных восстановителем, равно числу электронов, принятых окислителем.