"Химия", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Реакции ионного обмена происходят в водных растворах электролитов: катионы и анионы меняются партнёрами и образуют новые вещества. Такой обмен позволяет объяснить появление осадка, выделение газа или образование воды. Для описания процесса составляют молекулярные, полные и сокращённые ионные уравнения. Главное — правильно определить продукты, учесть растворимость веществ и не записывать осадок, газ и воду в виде свободных ионов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Реакция обмена — реакция, в которой два сложных вещества обмениваются составными частями и образуют два новых вещества. Например, при взаимодействии BaCl₂ и Na₂SO₄ ионы металлов как бы меняются анионами. Это определение помогает заранее предсказать продукты по составу исходных веществ.
Реакция ионного обмена — обмен между катионами и анионами электролитов в водном растворе. Катионы имеют положительный заряд, а анионы — отрицательный, поэтому в записи видно, какие частицы встречаются и соединяются. Такое описание показывает не только формулы веществ, но и реальные частицы раствора.
Полное ионное уравнение показывает растворимые сильные электролиты в виде отдельных ионов. Осадки, газы и воду в нём оставляют формулами веществ, потому что они не существуют в растворе как свободный набор ионов. Эта запись позволяет увидеть всех участников процесса.
Сокращённое ионное уравнение получают из полного после исключения одинаковых ионов слева и справа. Такие частицы называют ионами-наблюдателями: они не меняются во время реакции. В результате остаётся краткая запись главного превращения.
При растворении соли, кислоты или щёлочи в воде частицы отделяются друг от друга и окружаются молекулами воды. Растворимые сильные электролиты распадаются почти полностью, поэтому в растворе появляются подвижные катионы и анионы. Они могут перемещаться и сталкиваться, а значит, способны образовывать новые частицы.
Чтобы составить молекулярное уравнение, сначала определяют, какие ионы могут поменяться местами. Затем из катиона одного вещества и аниона другого составляют формулу продукта, соблюдая электрическую нейтральность: суммарный положительный и отрицательный заряды должны компенсироваться. После этого подбирают коэффициенты, чтобы число атомов каждого элемента совпадало слева и справа.
Сам по себе обмен ионами ещё не означает химическую реакцию до конца. Если все новые вещества остаются растворимыми сильными электролитами, частицы после смешивания практически те же, что были сначала. Движущей силой процесса становится удаление продукта из раствора: выпадение осадка, выделение газа или образование слабого электролита, например воды.
Для перехода к полному ионному уравнению растворимые сильные электролиты заменяют на ионы с их коэффициентами и зарядами. Осадок обозначают стрелкой вниз и не разделяют на ионы, газ — стрелкой вверх, а воду оставляют формулой H₂O. Так сохраняется различие между свободными частицами раствора и веществами, которые из него выделились.
Сокращённое уравнение получают, сравнивая левую и правую части полного уравнения. Одинаковые ионы, записанные с одинаковыми коэффициентами, вычёркивают, а оставшиеся частицы переписывают. В конце проверяют число атомов и суммарный заряд: например, Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ сохраняет и атомы, и заряд.
| Условие реакции | Что наблюдают | Пример продукта | Запись в ионном уравнении |
|---|---|---|---|
| Образование осадка | Раствор мутнеет, появляется твёрдое вещество | BaSO₄, AgCl | Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ |
| Выделение газа | Появляются пузырьки, газ выходит из раствора | CO₂ | CO₃²⁻ + 2H⁺ → CO₂↑ + H₂O |
| Образование воды или другого слабого электролита | В растворе образуется малодиссоциирующее вещество | H₂O | H⁺ + OH⁻ → H₂O |
| Если ни один продукт не выводится из раствора | Раствор остаётся без видимых изменений | Растворимые электролиты | Сокращённое уравнение не составляется |
Пользуйтесь таблицей после составления продуктов обмена и проверки их растворимости. Если найден хотя бы один из первых трёх признаков, реакцию можно записывать как протекающую до конца. При отсутствии признака нужно сравнить ионы в полном уравнении: если они сокращаются полностью, реакции нет.
Задача 1. Составить уравнение реакции растворов BaCl₂ и Na₂SO₄ и указать признак. Ожидаемые продукты определяем обменом катионов и анионов. Затем проверяем растворимость BaSO₄.
Ответ: реакция идёт до конца, потому что образуется белый осадок BaSO₄.
Задача 2. Для AgNO₃ и NaCl записать молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения. Сначала составляем продукты обмена, а затем отделяем растворимый электролит от осадка.
Ответ: признак реакции — образование осадка AgCl, а Na⁺ и NO₃⁻ являются ионами-наблюдателями.
Задача 3. Выяснить, реагируют ли растворы NaNO₃ и KCl. Возможные продукты — NaCl и KNO₃, поэтому нужно проверить, появляется ли среди них осадок, газ или слабый электролит.
Ответ: реакция не протекает, поскольку после сокращения не остаётся ионного уравнения и нет признака химического превращения.
Ошибка: считать, что любая пара растворов солей обязательно реагирует. Так думают из-за самой схемы обмена, но растворимые продукты не удаляются из раствора. Проверяйте осадок, газ или слабый электролит.
Ошибка: записывать осадок, газ и воду в виде ионов. Эти вещества не являются в данных условиях свободными частицами раствора, поэтому их оставляют молекулярными формулами. Сверяйтесь с их агрегатным состоянием и признаком реакции.
Ошибка: раскладывать на ионы нерастворимые вещества или слабые электролиты. Причина — механическое применение правила диссоциации ко всем формулам. На ионы переводят только растворимые сильные электролиты.
Ошибка: сокращать ионы, которые не совпадают слева и справа, или забывать о заряде. После сокращения должны сохраняться атомы и суммарный заряд. Пересчитайте коэффициенты и заряд каждой стороны.
Для темы нужны знания о составе ионов, их зарядах, составлении формул и таблице растворимости. Она опирается на электролитическую диссоциацию и помогает объяснять свойства кислот, оснований и солей. Ионные уравнения применяют при распознавании веществ и записи качественных реакций в водных растворах.
Почему не всякий обмен между растворами приводит к реакции?
После обмена ионы могут остаться растворёнными в воде, поэтому устойчивого изменения не происходит. Реакция идёт до конца, если образуются осадок, газ или слабый электролит, например вода.
Как понять, какое вещество выпадет в осадок?
Сначала составляют формулы возможных продуктов обмена, затем проверяют их растворимость по таблице растворимости. Нерастворимое или малорастворимое вещество записывают как осадок.
Какие вещества в ионном уравнении записывают в виде ионов?
На ионы раскладывают растворимые сильные электролиты: растворимые соли, сильные кислоты и щёлочи. Осадки, газы, воду и слабые электролиты записывают формулами веществ.
Что называют ионами-наблюдателями и почему их сокращают?
Ионы-наблюдатели присутствуют в растворе до и после реакции и не изменяются. В сокращённом ионном уравнении их убирают, чтобы оставить только частицы, непосредственно участвующие в превращении.
Что делать, если после сокращения ионов уравнение не осталось?
Это означает, что видимого химического превращения нет: все ионы остались в растворе. Нужно записать, что реакция не протекает, и проверить растворимость предполагаемых продуктов.
§ 16. Вещества могут обмениваться катионами и анионами
