§ 25. Ионные реакции

Определения и обозначения

Ион — заряженная частица, образующаяся при отдаче или присоединении электронов. Если атом отдаёт электроны, он становится положительным катионом, а если присоединяет электроны — отрицательным анионом. Это различие нужно, чтобы правильно записывать состав растворённых веществ и балансировать заряды.

Ионная реакция — реакция между ионами в растворе, которая приводит к образованию осадка, газа или слабого электролита. Например, ионы H⁺ и OH⁻ соединяются в воду, а Ba²⁺ и SO₄²⁻ образуют осадок BaSO₄. Такое определение помогает понять, почему не всякое смешивание растворов является химической реакцией.

Полное ионное уравнение — запись реакции, где растворимые сильные электролиты представлены отдельными ионами. В нём видны не только реагирующие частицы, но и ионы, которые присутствуют в растворе без изменений. Эта запись нужна как промежуточный шаг перед составлением сокращённого уравнения.

Сокращённое ионное уравнение показывает только частицы, непосредственно участвующие в реакции. Ионы, одинаковые до и после превращения, из него убирают. Поэтому такая запись точнее передаёт сущность реакции и подходит для нескольких молекулярных уравнений.

Как это устроено

Вода состоит из полярных молекул: их части притягивают положительные и отрицательные частицы. Поэтому при растворении ионного вещества молекулы воды окружают ионы и ослабляют связи в кристалле. Растворимые соли, сильные кислоты и щёлочи в результате распадаются на подвижные ионы, а осадок и слабые электролиты сохраняют в основном молекулярный состав.

Чтобы понять, возможна ли реакция обмена, сначала составляют формулы предполагаемых продуктов, меняя местами части ионов. Затем каждую формулу проверяют по таблице растворимости. Если продукт нерастворим, выделяется газ или образуется вода, частицы удаляются из раствора и равновесие смещается в сторону продуктов, поэтому реакция протекает.

Переход к полному ионному уравнению начинают с уже уравненного молекулярного уравнения. Коэффициенты нельзя менять при замене веществ на ионы: они сохраняют соотношение частиц. Растворимые сильные электролиты разделяют на ионы с учётом индексов и зарядов, а осадок, газ, воду и слабый электролит оставляют одной формулой.

После этого сравнивают левую и правую части полного уравнения. Одинаковые ионы, присутствующие по обе стороны с одинаковым смыслом, называют ионами-спектаторами и сокращают. Оставшиеся частицы образуют сокращённое уравнение, которое обязательно проверяют по числу атомов и суммарному заряду.

Чем различаются записи химической реакции

Пользуйтесь таблицей слева направо: сначала запишите обычное уравнение, затем разделите сильные растворимые электролиты на ионы. В конце уберите одинаковые ионы по обе стороны, чтобы получить краткую запись главного превращения.

Разбор задач

1. Хлорид бария и сульфат натрия

Условие: составить молекулярное и сокращённое ионное уравнения реакции растворов BaCl₂ и Na₂SO₄. При обмене образуются BaSO₄ и NaCl, поэтому главным вопросом становится растворимость сульфата бария.

1. По таблице растворимости определяем, что BaSO₄ нерастворим и выпадает в осадок.
2. Уравниваем молекулярное уравнение: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl.
3. Растворимые BaCl₂, Na₂SO₄ и NaCl мысленно разделяем на ионы, а осадок оставляем целой формулой.
4. Сокращаем одинаковые Na⁺ и Cl⁻. Получаем Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓.

Ответ: молекулярное уравнение — BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl; сокращённое ионное — Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓.

2. Соляная кислота и гидроксид натрия

Условие: записать три вида уравнения для реакции HCl и NaOH. Это реакция нейтрализации: кислота и щёлочь обмениваются частями, а результатом становится вода.

1. Записываем молекулярное уравнение: HCl + NaOH → NaCl + H₂O.
2. Представляем сильные электролиты ионами: H⁺ + Cl⁻ + Na⁺ + OH⁻ → Na⁺ + Cl⁻ + H₂O.
3. Убираем одинаковые Na⁺ и Cl⁻ с обеих сторон.
4. Оставшаяся запись показывает саму сущность нейтрализации: H⁺ + OH⁻ → H₂O.

Ответ: полное ионное уравнение — H⁺ + Cl⁻ + Na⁺ + OH⁻ → Na⁺ + Cl⁻ + H₂O; сокращённое — H⁺ + OH⁻ → H₂O.

3. Карбонат натрия и соляная кислота

Условие: составить уравнения реакции Na₂CO₃ с HCl. При обмене сначала получается угольная кислота H₂CO₃, но это слабое и неустойчивое вещество, поэтому оно разлагается на воду и углекислый газ.

1. Составляем и уравниваем молекулярную запись: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑.
2. Разделяем растворимые сильные электролиты: 2Na⁺ + CO₃²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → 2Na⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + CO₂↑.
3. Сокращаем Na⁺ и Cl⁻, которые не меняются.
4. Проверяем атомы и заряд: CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂, слева и справа заряд равен нулю.

Ответ: сокращённое ионное уравнение — CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑.

Типичные ошибки

Осадок иногда записывают в виде ионов, потому что ученик механически разделяет каждую формулу. Так делать нельзя: нерастворимое вещество не существует в растворе как набор свободных ионов в заметном количестве. Проверьте растворимость продукта и поставьте его формулу целиком.

Другая ошибка — разделять на ионы воду, газ или слабый электролит. Их частицы не распадаются в растворе полностью, поэтому такая запись искажает реакцию. Оставляйте H₂O, CO₂ и слабые электролиты неделимыми.

Нельзя сокращать ионы только потому, что они похожи по названию. Формулы и заряды должны совпадать полностью: Na⁺ не равен Na²⁺, а SO₄²⁻ не равен SO₃²⁻. Сверяйте индекс, заряд и коэффициент перед каждой частицей.

Иногда после сокращения забывают проверить уравнение. Сосчитайте атомы каждого элемента и сложите заряды слева и справа. Если хотя бы один баланс нарушен, ошибка появилась в коэффициентах или при разделении вещества на ионы.

Связь с другими темами

Для ионных уравнений нужны знания о формулах веществ, степенях окисления и зарядах ионов. Без них трудно правильно составить формулу продукта и определить коэффициенты. Умение уравнивать реакции также обязательно.

Таблица растворимости связывает ионные реакции со свойствами кислот, оснований и солей. Она позволяет заранее определить, появится ли осадок при смешивании растворов. Поэтому таблицу используют ещё до записи полного ионного уравнения.

Позже ионные уравнения помогут объяснять свойства электролитов и реакции в водных растворах. С их помощью можно увидеть, какие частицы реально взаимодействуют. Это делает описание химических процессов более точным.

Что запомнить

• Ион — частица с электрическим зарядом.
• В растворах растворимые сильные электролиты записывают в виде ионов.
• Осадки, газы и воду в ионных уравнениях записывают формулами.
• Реакция в растворе протекает, если образуется осадок, газ или слабый электролит.
• В сокращённом ионном уравнении остаются только частицы, участвующие в реакции.
• При составлении уравнений сохраняются число атомов каждого элемента и суммарный заряд.