"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Ионы — заряженные частицы, которые образуются, когда атомы или группы атомов теряют либо присоединяют электроны. Их свойства объясняют, почему реакции в водных растворах часто происходят между частицами, а не между целыми формулами веществ. По характерному осадку, газу или изменению окраски можно распознать некоторые ионы. Умение записывать ионные уравнения помогает понять, какие частицы действительно участвуют в реакции.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ион — электрически заряженная частица, образующаяся при потере или присоединении электронов атомом либо группой атомов. В отличие от нейтрального атома, ион имеет неодинаковое число протонов и электронов. Это понятие помогает объяснить свойства растворов и записывать частицы, участвующие в реакциях.
Катион — положительно заряженный ион. Он образуется, когда атом или группа атомов отдаёт один или несколько электронов: отрицательных зарядов становится меньше, чем положительных. Катионы обозначают символом элемента или формулой группы и ставят справа вверху знак «+» с числом заряда, если оно больше единицы.
Анион — отрицательно заряженный ион. Он возникает, когда атом или группа атомов присоединяет электроны и отрицательных зарядов становится больше, чем положительных. Знак «−» и, при необходимости, число заряда также записывают справа вверху; обозначение позволяет отличить частицу от нейтрального атома или вещества.
Качественная реакция на ион — реакция, по характерному признаку которой обнаруживают присутствие определённого иона. Таким признаком может быть осадок, газ или изменение окраски раствора. Такие реакции нужны для распознавания состава неизвестного раствора.
Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. При образовании иона меняется электронная оболочка, а ядро обычно не затрагивается, поэтому число протонов остаётся прежним. Заряд частицы определяется соотношением протонов и электронов: если электронов меньше, заряд положительный, а если больше — отрицательный.
Каждый отданный электрон увеличивает положительный заряд частицы на единицу, а каждый присоединённый увеличивает отрицательный заряд на единицу. Например, атом алюминия, отдавший три электрона, превращается в Al³⁺, а атом хлора, принявший один электрон, — в Cl⁻. У многоатомных ионов заряд относится ко всей группе атомов: в SO₄²⁻ заряд −2 принадлежит сульфат-иону целиком, а в NH₄⁺ группа имеет заряд +1.
В воде многие электролиты распадаются на подвижные ионы, поэтому именно эти частицы во многом определяют свойства раствора и вступают в реакции. При смешивании растворов ионы могут соединиться в малорастворимое вещество, образовать воду или газ. Если после обмена частицами все ионы остаются растворёнными и не связываются друг с другом, заметных признаков реакции может не быть.
Чтобы обнаружить ион, к пробе добавляют реагент, который даёт с ним характерный результат. Например, ионы Ag⁺ соединяются с Cl⁻ и образуют белый осадок хлорида серебра, а карбонат-ионы при добавлении кислоты выделяют пузырьки углекислого газа. Изменение окраски индикатора тоже может свидетельствовать о наличии ионов H⁺ или OH⁻, но результат всегда соотносят с условиями реакции и возможными помехами.
Сокращённое ионное уравнение показывает только частицы, которые непосредственно превращаются в продукты. Сначала составляют уравнение реакции, затем сильные растворимые электролиты записывают в виде ионов, а осадки, воду и газы оставляют формулами. Ионы, не изменившиеся в ходе реакции и записанные с обеих сторон, сокращают; так становится видно, что именно вызвало наблюдаемый результат.
В таблице собраны распространённые качественные реакции и сокращённые уравнения, показывающие образование характерного продукта. Реагент выбирают так, чтобы он взаимодействовал с искомым ионом, а наблюдение сравнивают с ожидаемым признаком. Стрелка вниз обозначает осадок, вверх — выделяющийся газ.
| Ион | Реагент или условие | Наблюдаемый признак | Сокращённое ионное уравнение |
|---|---|---|---|
| Катион водорода H⁺ | Индикатор, например лакмус | Синий лакмус краснеет | H⁺ + OH⁻ → H₂O |
| Катион меди(II) Cu²⁺ | Раствор щёлочи, содержащий OH⁻ | Голубой осадок | Cu²⁺ + 2OH⁻ → Cu(OH)₂↓ |
| Катион аммония NH₄⁺ | Щёлочь и нагревание | Выделяется аммиак с характерным запахом | NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃↑ + H₂O |
| Анион хлорида Cl⁻ | Раствор нитрата серебра | Белый осадок | Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓ |
| Анион сульфата SO₄²⁻ | Раствор соли бария | Белый осадок | Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ |
| Анион карбоната CO₃²⁻ | Кислота | Выделяются пузырьки газа | CO₃²⁻ + 2H⁺ → CO₂↑ + H₂O |
Задача 1. Определите заряд иона алюминия, если атом алюминия отдал три электрона, и запишите формулу иона. Чтобы найти заряд, сравним число положительных зарядов ядра с числом электронов после отдачи. До потери электронов атом был нейтральным, поэтому каждый отданный электрон увеличивает итоговый заряд на единицу.
Ответ: заряд иона алюминия равен +3, формула — Al³⁺.
Задача 2. К раствору, содержащему ионы хлорида, добавили раствор нитрата серебра. Нужно предсказать наблюдение и записать сокращённое уравнение. В растворе нитрат серебра даёт ионы Ag⁺, которые соединяются с хлорид-ионами; продукт AgCl плохо растворим в воде.
Ответ: выпадет белый осадок AgCl; сокращённое ионное уравнение: Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓.
Задача 3. Смешали растворы хлорида бария и сульфата натрия. Составим три вида уравнения, чтобы увидеть, какие частицы образуют осадок, а какие остаются в растворе. Сначала по растворимости определяем продукты обмена: BaSO₄ нерастворим, а NaCl растворим.
Ответ: образуется белый осадок сульфата бария. Посторонние, то есть не участвующие в образовании осадка, ионы — Na⁺ и Cl⁻.
Катион и анион иногда определяют по названию элемента или по тому, металл это или неметалл, забывая проверить знак заряда. Из-за этого путают даже правильно записанные частицы: решающим признаком служит «+» или «−», а не название. Проверьте себя: катион положителен, анион отрицателен.
При появлении заряда некоторые думают, что изменилось число протонов в ядре. Такое объяснение неверно: обычное образование иона связано с потерей или присоединением электронов, а не с изменением ядра. Для проверки сравните число электронов и протонов: их разность должна соответствовать заряду иона.
В формулах многоатомных ионов можно ошибочно отнести заряд лишь к последнему атому или забыть скобки при записи группы в составе вещества. Например, заряд SO₄²⁻ относится ко всей группе SO₄, а в формуле Ca(NO₃)₂ скобки показывают, что нитрат-группа повторяется дважды. Проверяйте, к какой частице относится верхний индекс, и учитывайте число целых групп.
В сокращённом уравнении иногда раскладывают на ионы осадки, газы и воду или оставляют неизменившиеся ионы. Так нарушается смысл записи: на ионы раскладывают только сильные растворимые электролиты, а одинаковые частицы по обе стороны сокращают. Проверьте, сохраняются ли атомы и общий заряд, и убедитесь, что в итоговой записи остались только участники превращения.
Для понимания ионов нужны знания о составе атома и строении электронных оболочек: они помогают объяснить, откуда берётся заряд и почему меняется число электронов. Понятия «электролит» и «электролитическая диссоциация» объясняют, как ионы появляются в водных растворах. Если эти термины знакомы, легче понять, почему раствор может проводить электрический ток и вступать в реакции.
Свойства ионов нужны при составлении ионных уравнений и распознавании веществ с помощью качественных реакций. Они также помогают разбирать реакции обмена в водных растворах: можно определить, возникнут ли осадок, газ или вода. Это позволяет отличать реальные изменения от случаев, когда ионы остаются в растворе без заметного превращения.
Чем ион отличается от атома?
Атом электрически нейтрален: число протонов в его ядре равно числу электронов. Ион имеет заряд, потому что число электронов в нём изменилось, а число протонов осталось прежним.
Почему при потере электрона возникает положительный заряд?
Электрон несёт отрицательный заряд, а протон — положительный. Когда атом теряет электрон, положительных зарядов становится больше, чем отрицательных, поэтому частица заряжается положительно.
Как определить заряд многоатомного иона?
Заряд многоатомного иона указывают справа вверху за формулой всей группы атомов. Его можно найти по числу электронов, принятых или отданных группой, либо определить по составу нейтрального вещества.
Как по наблюдению понять, какой ион присутствует в растворе?
К раствору добавляют подходящий реагент и наблюдают за характерным признаком: появлением осадка, выделением газа или изменением окраски. Признак сопоставляют с известной качественной реакцией, учитывая, что один и тот же признак сам по себе не всегда однозначно указывает на ион.
Какие вещества записывают в ионном уравнении в виде ионов?
В виде ионов записывают сильные растворимые электролиты, например растворимые соли, сильные кислоты и щёлочи. Осадки, газы, воду и другие вещества, которые не существуют в растворе как свободные ионы, оставляют молекулами.
§ 6. Свойства ионов
