"Химия", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
В водных растворах растворимые электролиты распадаются на ионы, поэтому реакции обмена фактически происходят между заряженными частицами. Чтобы понять, состоится ли реакция, выясняют, образуется ли осадок, газ или слабый электролит — например, вода. Для таких процессов составляют молекулярные и ионные уравнения. Полное уравнение показывает все ионы в растворе, а сокращённое оставляет только те частицы, которые непосредственно изменяются.
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. В водном растворе растворимые вещества могут распасться на ионы, и тогда обмен происходит между ними. Это понятие помогает предсказать продукты реакции и затем записать её в виде уравнения.
Реакция ионного обмена — взаимодействие ионов растворённых электролитов в водном растворе. Электролиты — вещества, растворы которых проводят электрический ток благодаря наличию ионов. Такое определение показывает, почему при разборе реакции важно учитывать не только формулы веществ, но и состояние частиц в растворе.
Полное ионное уравнение — запись реакции, где растворимые сильные электролиты представлены ионами, а осадки, газы и слабые электролиты записаны формулами веществ. Оно позволяет увидеть все частицы, присутствующие в растворе до и после реакции. По нему можно определить, какие ионы не меняются и подлежат сокращению.
Сокращённое ионное уравнение — запись, в которой оставлены только ионы и частицы, непосредственно участвующие в реакции. Для его получения одинаковые ионы из обеих частей полного уравнения исключают. Такая запись выделяет сущность процесса и нередко оказывается короче молекулярного уравнения.
Вода разделяет частицы растворимых электролитов на ионы, потому что её молекулы взаимодействуют с заряженными частями вещества и окружают их. Поэтому в растворе многие соли, кислоты и основания существуют не в виде отдельных молекул, а как свободные положительные и отрицательные ионы. При смешивании растворов именно эти частицы встречаются и могут образовать новые вещества.
Сначала составляют молекулярное уравнение: записывают формулы реагентов и предполагают, что их составные части обменялись местами. Затем проверяют, какие продукты получаются, и подбирают коэффициенты так, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа совпадало. Формулы продуктов важно определять правильно: например, при соединении Ag⁺ и Cl⁻ образуется AgCl, а не AgCl₂.
Одного обмена составными частями недостаточно, чтобы реакция заметно шла до конца. Она практически протекает до конца, когда один из продуктов удаляется из раствора: выпадает в осадок, выделяется в виде газа или превращается в слабый электролит, который мало распадается на ионы. Если все частицы остаются растворёнными сильными электролитами, в растворе фактически сохраняются те же ионы.
Чтобы перейти к полному ионному уравнению, определяют, какие вещества растворимы и являются сильными электролитами. Их записывают раздельными ионами, причём индексы в формуле превращаются в коэффициенты перед ионами; осадок, газ и слабый электролит оставляют формулами. Например, BaCl₂(aq) записывают как Ba²⁺ + 2Cl⁻, а BaSO₄↓ оставляют целиком, поскольку это осадок.
Из полного уравнения получают сокращённое: одинаковые ионы слева и справа вычёркивают, так как они не изменились и не участвовали в превращении. Оставшиеся частицы должны образовать продукт реакции. В конце проверяют сохранение атомов и суммарного заряда: для этого отдельно считают каждый элемент, а затем складывают заряды частиц по обе стороны стрелки.
Таблица помогает связать наблюдаемый признак с тем, как записать продукт в ионном уравнении. После составления продуктов проверьте растворимость и выясните, выделяется ли газ или образуется слабый электролит. Если ничего из перечисленного нет, оснований считать реакцию завершившейся нет.
| Условие | Что образуется | Как отражают в ионном уравнении | Пример признака реакции |
|---|---|---|---|
| Образование осадка | Нерастворимое или малорастворимое твёрдое вещество | Записывают формулой вещества со знаком ↓ | Раствор мутнеет, появляется осадок |
| Образование газа | Газообразное вещество | Записывают формулой вещества со знаком ↑ | Появляются пузырьки, выделяется газ |
| Образование слабого электролита, например воды | Мало распадающееся на ионы вещество | Оставляют формулой вещества, не раскладывая на ионы | При нейтрализации образуется вода |
| Если не образуется осадок, газ или слабый электролит | Новые частицы, остающиеся в растворе в виде ионов | Одинаковые ионы сокращаются, превращения частиц не остаётся | Видимого признака реакции нет |
Условие. Смешивают растворы нитрата серебра AgNO₃ и хлорида натрия NaCl. Нужно составить молекулярное уравнение и назвать признак реакции. После обмена ионами предполагаются AgCl и NaNO₃, поэтому проверим растворимость продуктов.
По таблице растворимости хлорид серебра нерастворим, значит он выпадает в осадок. Нитрат натрия растворим, поэтому его формулу оставляют среди продуктов молекулярного уравнения.
Записываем продукты обмена: AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃. Число атомов всех элементов уже одинаково с обеих сторон, поэтому коэффициенты равны единице.
Ответ: AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃. Признак реакции — выпадение белого осадка хлорида серебра.
Условие. Для растворов BaCl₂ и Na₂SO₄ требуется записать молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения. При обмене получаются BaSO₄ и NaCl. Сульфат бария нерастворим и станет осадком, а хлорид натрия останется в растворе.
Уравниваем молекулярную запись: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl. Коэффициент 2 перед NaCl нужен, чтобы сохранить два атома натрия и два атома хлора.
Растворимые сильные электролиты раскладываем на ионы: Ba²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻. Осадок не расписываем на ионы.
Сокращаем одинаковые Na⁺ и Cl⁻ в обеих частях. Остаётся Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓; число атомов и общий заряд равны по обе стороны.
Ответ: молекулярное уравнение — BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl; полное ионное — Ba²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻; сокращённое — Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓.
Условие. Определим, протекает ли реакция между Na₂CO₃ и HCl, и запишем три уравнения. При взаимодействии карбоната с кислотой образуются соль, вода и углекислый газ, поэтому реакцию можно распознать по выделению газа.
Составляем и уравниваем молекулярное уравнение: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑. Коэффициент 2 перед HCl обеспечивает нужное число атомов водорода и хлора.
В полном уравнении раскладываем растворимые сильные электролиты: 2Na⁺ + CO₃²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → 2Na⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + CO₂↑. Воду и газ оставляем молекулами.
Сокращаем одинаковые Na⁺ и Cl⁻. Получаем CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑; слева и справа по одному атому углерода, три атома кислорода и два атома водорода, а заряд с обеих сторон равен нулю.
Ответ: реакция протекает, потому что выделяется газ. Сокращённое уравнение: CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑.
Осадок, газ или воду иногда записывают в виде ионов, потому что правило разложения электролитов на частицы применяют без проверки состояния вещества. Но эти продукты не являются растворимыми сильными электролитами, поэтому их оставляют формулами. Проверьте, указано ли для вещества состояние раствора и является ли оно растворимым электролитом.
На ионы ошибочно раскладывают любое вещество с ионным составом, включая нерастворимый осадок. Такое происходит, если ориентироваться только на формулу и забыть проверить растворимость. Сверьтесь с таблицей растворимости: в ионном виде записывают растворимые сильные электролиты, а осадок оставляют целиком.
Ионы-наблюдатели иногда оставляют в сокращённом уравнении, потому что забывают сравнить левую и правую части полной записи. Эти частицы не изменяются и не входят в итоговое превращение. Найдите одинаковые ионы с одинаковыми коэффициентами по обе стороны стрелки и сократите их, затем проверьте баланс оставшегося уравнения.
Можно решить, что любой обмен в растворе обязательно идёт до конца, ведь продукты формально удаётся составить. Но если все они остаются растворимыми сильными электролитами, набор ионов не меняется. Проверяйте продукты по трём признакам: образовался ли осадок, газ или слабый электролит.
Для понимания реакций ионного обмена нужны понятия электролита, ионов и диссоциации — распада электролита на ионы в растворе. Также необходимо уметь составлять формулы солей, кислот и оснований, расставлять коэффициенты и пользоваться таблицей растворимости. Эти навыки позволяют определить продукты реакции и выбрать правильный способ записи.
Ионные уравнения пригодятся при изучении свойств кислот, оснований и солей. С их помощью удобно показывать, почему одни вещества взаимодействуют в растворе, а другие остаются без изменений. Это связывает состав веществ с наблюдаемыми признаками реакции.
Почему реакции обмена в растворе записывают в виде ионных уравнений?
Растворимые электролиты в воде распадаются на ионы, и именно эти частицы взаимодействуют друг с другом. Ионное уравнение показывает, какие частицы действительно изменяются, а какие остаются в растворе без изменений.
Как понять, что реакция ионного обмена протекает до конца?
Проверьте, образуется ли в результате осадок, газ или слабый электролит, например вода. Если ни один из этих продуктов не возникает, обмен обычно не протекает до конца.
Какие вещества в полном ионном уравнении не расписывают на ионы?
Формулами веществ записывают осадки, газы и слабые электролиты, в том числе воду. На ионы раскладывают растворимые сильные электролиты.
Что такое ионы-наблюдатели и как их сокращать?
Ионы-наблюдатели присутствуют в растворе до и после реакции и сами не изменяются. В полном ионном уравнении одинаковые ионы по обе стороны стрелки можно сократить.
Почему при образовании осадка ионное уравнение может оказаться короче молекулярного?
В молекулярном уравнении указывают все исходные вещества и продукты, в том числе растворимые соли. После записи полного ионного уравнения сокращают ионы-наблюдатели, поэтому в итоговой записи остаются только частицы, образующие осадок.
4. Обменные реакции в водных растворах
