§ 9. Реакции ионного обмена

Определения и обозначения

Реакция ионного обмена — реакция между электролитами в растворе, при которой их ионы обмениваются партнёрами. Например, ионы Ba²⁺ и SO₄²⁻ соединяются в осадок BaSO₄. Такое определение помогает искать не вещества целиком, а частицы, которые реально взаимодействуют.

Молекулярное уравнение — запись реакции формулами веществ без разделения растворимых электролитов на ионы. Оно показывает, какие вещества взяли и какие продукты получили. С него обычно начинают составление ионных уравнений.

Полное ионное уравнение — запись реакции, в которой растворимые сильные электролиты представлены отдельными ионами. Так становится видно, какие частицы присутствуют в растворе до и после реакции. Эта запись нужна для поиска ионов-наблюдателей.

Сокращённое ионное уравнение показывает превращение частиц, непосредственно участвующих в реакции, после удаления неизменившихся ионов. Например, Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓. Оно кратко выражает химическую сущность процесса.

Как это устроено

Водный раствор растворимых электролитов содержит положительные и отрицательные ионы, потому что полярные молекулы воды отделяют их друг от друга и окружают гидратными оболочками. Ионы свободно перемещаются и сталкиваются, поэтому обмен происходит между ними. Запись реакции в ионном виде точнее показывает происходящее в растворе, чем формулы веществ в целом.

При составлении полного ионного уравнения растворимые соли, сильные кислоты и щёлочи заменяют на ионы, поскольку именно в таком виде они существуют в растворе. Осадок не растворяется в заметной степени, газ покидает раствор, а вода и другие слабые электролиты почти не распадаются. Поэтому эти продукты записывают молекулярными формулами, а не набором ионов.

Ионы, которые до реакции и после неё остаются растворёнными и не меняются, называют ионами-наблюдателями. Они присутствуют в записи только потому, что входят в состав исходных растворимых веществ. Их удаляют из обеих частей полного уравнения, чтобы получить сокращённую запись самого превращения.

Обмен практически идёт до конца, когда один из продуктов выводится из раствора: выпадает в осадок, улетает в виде газа или образует слабый электролит. В этих случаях концентрация реагирующих частиц уменьшается, и равновесие смещается в сторону продуктов. Если ни одного такого результата нет, частицы обычно продолжают находиться в растворе и заметной реакции не происходит.

Любое ионное уравнение проверяют по двум законам. Число атомов каждого элемента слева и справа должно быть одинаковым, а сумма зарядов всех частиц — совпадать. Например, в записи Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ общий заряд слева равен нулю, как и заряд осадка справа.

Признаки протекания реакций ионного обмена

Пользуйтесь таблицей после составления предполагаемых продуктов реакции. Проверьте по таблице растворимости, может ли появиться осадок, а также определите, не образуются ли газ или вода. Если ни один признак не найден, реакция обмена в растворе обычно не протекает до конца.

Разбор задач

Хлорид бария и сульфат натрия

Условие: составьте молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения реакции растворов BaCl₂ и Na₂SO₄.

1. Обменяйте ионы и получите BaSO₄ и NaCl. По таблице растворимости BaSO₄ является нерастворимым осадком.
2. Запишите молекулярное уравнение: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl.
3. Растворимые соли разделите на ионы: Ba²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻.
4. Сократите одинаковые ионы Na⁺ и Cl⁻, затем проверьте атомы и заряды.

Ответ: сокращённое уравнение: Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓.

Карбонат натрия и соляная кислота

Условие: запишите три формы уравнения реакции Na₂CO₃ с HCl.

1. Карбонат с кислотой образует угольную кислоту, но она неустойчива и разлагается на воду и углекислый газ.
2. Молекулярная запись: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑.
3. Полная ионная запись: 2Na⁺ + CO₃²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → 2Na⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + CO₂↑.
4. Сократите Na⁺ и Cl⁻ и проверьте: заряд слева равен нулю, атомы сохранены.

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

Гидроксид натрия и серная кислота

Условие: составьте три формы уравнения реакции NaOH и H₂SO₄.

1. Кислота содержит два иона H⁺ на одну частицу H₂SO₄, поэтому для нейтрализации нужны две частицы NaOH.
2. Молекулярная запись: 2NaOH + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2H₂O.
3. Полная ионная запись: 2Na⁺ + 2OH⁻ + 2H⁺ + SO₄²⁻ → 2Na⁺ + SO₄²⁻ + 2H₂O.
4. Ионы Na⁺ и SO₄²⁻ не меняются и сокращаются, остаётся реакция нейтрализации.

Ответ: сокращённое уравнение: 2H⁺ + 2OH⁻ → 2H₂O, или после сокращения коэффициентов H⁺ + OH⁻ → H₂O.

Типичные ошибки

Записывать осадок, газ, воду или слабый электролит в виде ионов — ошибка, потому что эти частицы не существуют в растворе преимущественно в свободном виде. Её часто допускают по механическому правилу «всё разделять». Проверьте состояние продукта и его растворимость.

Нельзя сокращать ионы, участвующие в образовании осадка, газа или воды. Такое сокращение уничтожает саму реакцию. Сокращайте только частицы, одинаковые слева и справа и не изменившиеся по составу.

Пропуск коэффициентов или неверный заряд иона нарушает сохранение атомов и заряда. Ошибка появляется, если забыть индексы в формуле или не учесть число ионов. Пересчитайте каждый элемент и сложите заряды обеих частей.

Не всякий обмен в растворе идёт до конца. Если не образуется осадок, газ или слабый электролит, заметного превращения может не быть. Сначала ищите такой продукт, а уже затем составляйте сокращённое уравнение.

Связь с другими темами

Для ионных уравнений нужны формулы солей, кислот и оснований, правила составления формул и таблица растворимости. Тема опирается на электролитическую диссоциацию: именно она объясняет появление свободных ионов в воде. Позже эти записи помогут изучать свойства кислот, оснований и солей, а также качественные реакции на отдельные ионы.

Что запомнить

• В растворах электролиты существуют в виде ионов.
• В полном ионном уравнении растворимые сильные электролиты записывают в виде ионов.
• Осадки, газы, воду и слабые электролиты записывают молекулярными формулами.
• Ионы-наблюдатели исключают из полного уравнения.
• Сокращённое ионное уравнение показывает, какие частицы непосредственно реагируют.
• Реакция обмена в растворе протекает до конца при образовании осадка, газа или слабого электролита.