"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Средняя соль может обменяться ионами с кислотой, но само смешивание растворов ещё не означает, что реакция пойдёт. Обмен обычно завершается, если среди продуктов появляется осадок, газ или слабый электролит — например, вода. По этим признакам можно заранее проверить возможность реакции, затем записать молекулярное и ионные уравнения. Особенно характерно действие кислот на карбонаты, гидрокарбонаты и сульфиты: они дают газообразные продукты.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Средняя соль — продукт полного замещения атомов водорода в кислоте атомами металла или аммония. В её составе есть катионы металла или NH₄⁺ и кислотные остатки; примеры — Na₂CO₃, CaCl₂ и NH₄NO₃. Это понятие помогает отличать средние соли от кислых солей, в которых сохраняется атом водорода.
Реакция обмена — взаимодействие двух сложных веществ, при котором они обмениваются ионами и образуют новые вещества. Например, при реакции BaCl₂ с H₂SO₄ ионы бария соединяются с сульфат-ионами. Определение помогает предсказать состав продуктов, но для вывода о протекании реакции нужно проверить их свойства.
Молекулярное уравнение — запись реакции формулами исходных веществ и продуктов с расставленными коэффициентами. Оно показывает, какие вещества вступают в реакцию и образуются, например Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + CO₂↑ + H₂O. По коэффициентам можно находить соотношение количеств веществ в расчётных задачах.
Сокращённое ионное уравнение — запись только тех ионов и частиц, которые непосредственно участвуют в превращении. В нём убирают одинаковые ионы, не изменяющиеся в ходе реакции. Такая запись показывает её сущность независимо от того, какие растворимые вещества доставили реагирующие ионы.
При смешивании растворов соли и кислоты их частицы находятся в виде ионов. Поэтому возможный обмен можно представить как соединение катиона соли с кислотным остатком кислоты и катиона кислоты с остатком исходной соли. Так получают предполагаемые продукты, после чего проверяют их растворимость и устойчивость: одного формального обмена для протекания реакции недостаточно.
Реакция обмена протекает до конца, если один из продуктов удаляется из раствора. Осадок выпадает в отдельную твёрдую фазу, газ покидает раствор, а слабый электролит почти не распадается на ионы. Во всех этих случаях концентрация продуктов в растворе уменьшается, поэтому обратное превращение затруднено и реакция смещается к образованию продуктов.
Кислоты реагируют с карбонатами, гидрокарбонатами и сульфитами с образованием нестойких кислот. Угольная кислота распадается на воду и углекислый газ: H₂CO₃ → H₂O + CO₂↑. Сернистая кислота также нестойка и разлагается на воду и оксид серы(IV): H₂SO₃ → H₂O + SO₂↑; выход газа способствует завершению реакции.
При образовании осадка причиной протекания реакции становится связывание ионов в малорастворимое вещество. Например, Ba²⁺ и SO₄²⁻ образуют твёрдый BaSO₄, поэтому содержание этих ионов в растворе уменьшается. Возможность выпадения осадка проверяют по таблице растворимости, а не определяют только по внешнему виду формулы продукта.
Для ионного уравнения сначала записывают молекулярное уравнение и уравнивают его, затем переводят растворимые сильные электролиты в ионы. Осадки, газы, воду и слабые электролиты оставляют молекулами, потому что они не существуют в растворе как свободные ионы в значительном количестве. После этого сокращают частицы, одинаковые слева и справа, сохраняя равенство числа атомов и суммарного заряда.
| Результат реакции | Признак протекания | Типичный пример | Сокращённое ионное уравнение |
|---|---|---|---|
| Образование осадка | Появляется малорастворимое твёрдое вещество | BaCl₂ + H₂SO₄ | Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ |
| Выделение газа | Появляются пузырьки газа | Na₂CO₃ + 2HCl | CO₃²⁻ + 2H⁺ → CO₂↑ + H₂O |
| Образование воды или другого слабого электролита | Образуется мало диссоциирующее вещество | Соль слабого основания и сильная кислота | В общем виде частицы связываются в слабый электролит |
| Отсутствие осадка, газа и слабого электролита: реакция в растворе практически не протекает | Нет видимых изменений и удаления продукта | NaCl + KNO₃ — обмен не имеет движущей силы | Сокращённого уравнения нет |
Пользуйся таблицей после того, как составил предполагаемые продукты обмена: проверь растворимость и устойчивость каждого из них. Если появляется осадок, газ или слабый электролит, запиши уравнение и проверь баланс атомов и зарядов. Если ни одного такого продукта нет, обмен в растворе обычно не считают протекающим.
Задача. Составить молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения реакции Na₂CO₃ с HCl. Сначала замечаем карбонат-ион: при действии кислоты он образует нестойкую угольную кислоту, которая распадается на воду и CO₂. Поэтому газ записываем сразу среди конечных продуктов.
Составляем молекулярное уравнение: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑. Коэффициент 2 перед HCl нужен, чтобы получить два атома водорода и две частицы хлора. Проверяем, что натрия, углерода и кислорода по обе стороны тоже поровну.
Для полного ионного уравнения растворимые сильные электролиты разбиваем на ионы: 2Na⁺ + CO₃²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → 2Na⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + CO₂↑. Воду и газ оставляем молекулами. Ионы Na⁺ и Cl⁻ присутствуют неизменными по обе стороны.
Сокращаем одинаковые ионы-наблюдатели Na⁺ и Cl⁻. Получаем CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑. Суммарный заряд слева равен нулю, как и справа, а выделение газа объясняет, почему реакция идёт до конца.
Ответ. Молекулярное уравнение: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑. Сокращённое ионное уравнение: CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑. Полное ионное уравнение приведено в решении.
Задача. Составить уравнения реакции BaCl₂ с H₂SO₄ и объяснить, почему она протекает до конца. Предполагаемые продукты — BaSO₄ и HCl; по таблице растворимости BaSO₄ нерастворим. Значит, в растворе образуется осадок, который и обеспечивает протекание реакции.
Записываем и уравниваем молекулярное уравнение: BaCl₂ + H₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2HCl. Два атома хлора слева требуют двух молекул HCl справа. Осадок обозначаем стрелкой вниз.
В полном ионном уравнении растворимые сильные электролиты раскрываем на ионы: Ba²⁺ + 2Cl⁻ + 2H⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ + 2H⁺ + 2Cl⁻. Осадок BaSO₄ оставляем формулой, так как он не растворён в виде ионов. Ионы H⁺ и Cl⁻ не меняются.
Сокращаем H⁺ и Cl⁻, которые стоят по обе стороны. Получаем Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓. Заряд слева равен нулю в сумме, как и справа, а выпадение осадка удаляет ионы из раствора.
Ответ. Уравнение реакции: BaCl₂ + H₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2HCl; сокращённое ионное: Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓. Реакция идёт до конца благодаря образованию малорастворимого сульфата бария.
Задача. Найти объём CO₂ при н. у., выделившегося при реакции 10,0 г CaCO₃ с избытком HCl. Уравнение CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂ показывает соотношение CaCO₃ : CO₂ = 1 : 1. Значит, сначала вычислим количество карбоната, а затем такое же количество газа.
Находим молярную массу CaCO₃: M = 40 + 12 + 3 · 16 = 100 г/моль. Количество вещества равно n(CaCO₃) = m/M = 10,0/100 = 0,100 моль. Кислота дана в избытке, поэтому карбонат полностью вступает в реакцию.
По коэффициентам уравнения n(CO₂) = n(CaCO₃) = 0,100 моль. При нормальных условиях молярный объём газа Vₘ = 22,4 л/моль. Поэтому V(CO₂) = n · Vₘ = 0,100 · 22,4 = 2,24 л.
Ответ. При реакции 10,0 г карбоната кальция с избытком соляной кислоты выделится 2,24 л углекислого газа при н. у. Если масса карбоната в условии другая, расчёт начинают с n = m/M и далее используют коэффициенты уравнения. Избыток кислоты означает, что ограничивающим реагентом здесь является CaCO₃.
Считать, что любая кислота реагирует с любой солью. Формально обмен возможен, но он не обязательно меняет состав раствора заметным образом. Эту ошибку допускают, когда записывают продукты, не проверяя их свойства. Проверь по таблице растворимости, образуются ли осадок, газ или слабый электролит.
Оставлять угольную или сернистую кислоту конечным продуктом. Так делают, если останавливаются на первом шаге обмена. Однако H₂CO₃ и H₂SO₃ нестойки и разлагаются, поэтому в итоговом уравнении нужны соответственно CO₂ и SO₂, а также вода. Проверь устойчивость кислотного продукта.
Раскладывать осадок, газ или воду на ионы. Это происходит при механическом переносе правила о сильных электролитах на все вещества. В полном ионном уравнении формулами оставляют вещества, не представленные в растворе значительным количеством свободных ионов. Проверь агрегатное состояние и силу электролита каждого продукта.
Неверно расставлять коэффициенты или сокращать ионы. Коэффициенты могут нарушить число атомов или заряд, а сокращение иона, присутствующего только с одной стороны, изменит смысл реакции. Ошибка возникает, если сокращать частицы до проверки полного уравнения. Сверь количество атомов и суммарный заряд, затем удаляй только одинаковые ионы по обе стороны.
Для этой темы нужны классификация кислот и средних солей, составление формул веществ и умение уравнивать реакции обмена. Таблица растворимости помогает определить, выпадет ли осадок, а знание сильных и слабых электролитов — правильно составить ионную запись. Эти навыки пригодятся при распознавании карбонатов и сульфитов, составлении сокращённых ионных уравнений и расчётах по уравнениям реакций.
Почему соль и кислота иногда смешиваются без видимой реакции?
Ионы могут обменяться партнёрами, но если все продукты остаются растворимыми сильными электролитами, в растворе не возникает устойчивого изменения. Нет осадка, газа или слабого электролита, поэтому такую реакцию обмена обычно не записывают как протекающую до конца.
Как понять, что при реакции карбоната выделится именно углекислый газ?
Карбонат-ион CO₃²⁻ при действии кислоты сначала образует угольную кислоту H₂CO₃. Она нестойкая и разлагается на воду и углекислый газ CO₂, который выделяется из раствора.
Можно ли считать реакцией обмена взаимодействие соли с кислотой, если образуется газ?
Да. Сначала ионы соли и кислоты обмениваются партнёрами, а затем нестойкое кислотное соединение распадается с образованием газа. Удаление газа из раствора помогает реакции идти до конца.
Какие вещества нельзя записывать в виде ионов?
В ионном уравнении не раскладывают на ионы осадки, газы, воду и слабые электролиты. Растворимые сильные электролиты, напротив, записывают в виде ионов.
Чем полное ионное уравнение отличается от сокращённого?
В полном ионном уравнении растворимые сильные электролиты представлены ионами, в том числе ионы-наблюдатели, которые не изменяются. В сокращённом уравнении эти одинаковые ионы удалены, и остаются только частицы, участвующие в превращении.
9.1. Взаимодействие средних солей с кислотами
