9.3. Взаимодействие средних солеи между собой

Определения и обозначения

Средняя соль — соль, в составе которой все атомы водорода кислоты замещены атомами металла или ионами аммония. Например, Na₂SO₄ и NH₄Cl — средние соли. В этой теме рассматриваются именно такие соли: их растворы можно сравнивать по тому, какие ионы появляются при растворении.

Реакция обмена между солями — превращение, при котором катионы двух солей меняются анионами. Так, при смешивании растворов BaCl₂ и Na₂SO₄ можно составить пары BaSO₄ и NaCl. Это определение помогает предсказать возможные продукты, но само по себе ещё не показывает, произойдёт ли реакция.

Полное ионное уравнение — запись реакции в растворе, где сильные растворимые электролиты разделены на ионы. Оно показывает, какие частицы находятся в растворе и с какими из них связаны продукты. По такой записи удобно проверить баланс атомов и зарядов.

Сокращённое ионное уравнение — запись, из которой исключены ионы, не участвующие в превращении. В нём остаются только частицы, которые реагируют или образуют продукт. Такая запись показывает химическую суть процесса без ионов-наблюдателей.

Как это устроено

Растворимые средние соли в воде распадаются на катионы и анионы, потому что вода ослабляет притяжение между заряженными частицами кристалла. Поэтому в растворе взаимодействуют не целые формульные единицы, а отдельные ионы. Например, NaCl даёт Na⁺ и Cl⁻, а AgNO₃ — Ag⁺ и NO₃⁻. Именно эти частицы нужно сопоставлять, когда предсказывают результат смешивания растворов.

Чтобы составить возможные продукты обмена, мысленно соединяют катион первой соли с анионом второй, а затем оставшуюся пару. После этого проверяют растворимость каждого продукта. Если новое соединение растворимо, оно обычно остаётся в виде тех же ионов и не обязательно указывает на химическое превращение. Таблица растворимости позволяет понять, появится ли, например, твёрдый осадок.

Обмен протекает до конца, если образуется осадок, газ или слабый электролит. Осадок отделяется от раствора, газ уходит в окружающую среду, а слабый электролит лишь частично распадается на ионы. Во всех этих случаях часть реагирующих частиц удаляется из общей смеси, поэтому равновесие смещается в сторону новых продуктов. Если газообразный продукт может оставаться растворённым, нагревание или перемешивание помогает ему выделиться.

Если все возможные продукты растворимы и остаются сильными электролитами, после обмена в растворе присутствует тот же набор ионов. Записать формальное молекулярное уравнение иногда можно, но сокращённого ионного уравнения не получится. Значит, смешивание не сопровождается заметным химическим превращением. Решение о реакции принимают не по смене формул, а по тому, появляется ли продукт, который удаляется из раствора или слабо распадается на ионы.

Переход к сокращённому уравнению выполняют последовательно. Сначала уравнивают молекулярную запись и ставят коэффициенты, затем растворимые сильные электролиты раскрывают на ионы, сохраняя коэффициенты и заряды. Осадки, газы и слабые электролиты оставляют недиссоциированными. Наконец, одинаковые ионы сокращают только тогда, когда они стоят по обе стороны в равных количествах; оставшиеся частицы и образуют сокращённое уравнение.

Когда растворы средних солей взаимодействуют

Пользуйтесь таблицей после того, как составили возможные продукты обмена: сначала проверьте растворимость, затем определите, не образуется ли газ или слабый электролит. Для газа и слабого электролита учитывайте условия процесса: например, нагревание может способствовать удалению газа. Если ни одно из условий не выполняется, сокращённого уравнения нет.

Разбор задач

BaCl₂ и Na₂SO₄

Условие. Составить уравнение реакции между растворами BaCl₂ и Na₂SO₄. Нужно проверить, какой продукт обмена выводится из раствора, и показать частицы, участвующие в реакции.

1. Составляем возможные пары: BaSO₄ и NaCl. По таблице растворимости BaSO₄ нерастворим, поэтому он выпадает в осадок.
2. Уравниваем молекулярную запись: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl. Коэффициент 2 нужен, чтобы сохранить два атома натрия и два атома хлора.
3. Раскрываем растворимые соли в виде ионов: Ba²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻. Na⁺ и Cl⁻ есть с обеих сторон в одинаковых количествах, поэтому их сокращаем.
4. Остаются частицы, которые образуют осадок: Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓.

Ответ: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl; сокращённое уравнение — Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓.

AgNO₃ и NaCl

Условие. Смешали растворы AgNO₃ и NaCl. Записать уравнение реакции и указать ионы, не участвующие в ней. Чтобы выбрать сокращаемые частицы, сначала нужно показать все растворимые сильные электролиты в составе раствора.

1. Обмениваем анионы: возможные продукты — AgCl и NaNO₃. AgCl нерастворим, значит, возникает осадок.
2. Молекулярное уравнение уже уравнено: AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃.
3. Полное ионное уравнение: Ag⁺ + NO₃⁻ + Na⁺ + Cl⁻ → AgCl↓ + Na⁺ + NO₃⁻. Ионы Na⁺ и NO₃⁻ не изменяются.
4. Сокращаем Na⁺ и NO₃⁻: Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓. Эти два иона непосредственно образуют твёрдый продукт.

Ответ: реакция идёт с образованием AgCl; ионы-наблюдатели — Na⁺ и NO₃⁻.

Раствор Na₂CO₃ и NaCl смешали с Ca(NO₃)₂

Условие. К раствору, содержащему Na₂CO₃ и NaCl, добавили раствор Ca(NO₃)₂. Нужно проверить все возможные пары и определить, для каких из них есть сокращённое ионное уравнение. Наличие нескольких солей в растворе означает, что катион кальция может встретиться с разными анионами.

1. Проверяем карбонат-ион: Ca²⁺ образует с CO₃²⁻ нерастворимый CaCO₃. Следовательно, появляется осадок.
2. Молекулярная запись превращения: Na₂CO₃ + Ca(NO₃)₂ → CaCO₃↓ + 2NaNO₃. После раскрытия растворимых солей и сокращения Na⁺ и NO₃⁻ остаётся Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃↓.
3. Проверяем хлорид-ион: CaCl₂ растворим, как и NaNO₃. Для этой формальной пары все ионы остаются в растворе, поэтому после сокращения частиц уравнения не останется.
4. Значит, реагирует карбонат-ион, а хлорид-ион не даёт отдельного заметного превращения. Он остаётся в растворе вместе с ионами-наблюдателями.

Ответ: образуется осадок CaCO₃; сокращённое уравнение — Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃↓. Для сочетаний, в которых все продукты растворимы, сокращённого уравнения нет.

Типичные ошибки

Первая ошибка — считать, что любые две соли обязательно реагируют при смешивании. Её допускают, принимая формальную смену партнёров-ионом за доказательство превращения. Проверьте продукты по растворимости и выясните, образуется ли газ или слабый электролит: без такого признака заметной реакции обмена может не быть.

Вторая ошибка — оставлять растворимые сильные электролиты молекулами в полном ионном уравнении. Так теряются реальные частицы раствора и становится трудно найти участников реакции. Проверьте, какие вещества растворимы и являются сильными электролитами, и только их записывайте в виде ионов.

Третья ошибка — сокращать ионы, которые есть лишь с одной стороны, или частицы в разном количестве. Это происходит, когда уравнение сокращают, не сверяя левую и правую части. Сокращать можно только одинаковые ионы, присутствующие по обе стороны в равном количестве.

Четвёртая ошибка — менять индексы формул или забывать коэффициенты при переходе между видами уравнений. В результате могут нарушиться состав веществ, число атомов или общий заряд. После составления записи пересчитайте атомы каждого элемента и сравните суммарные заряды слева и справа.

Связь с другими темами

Для понимания реакций обмена нужны знания об электролитической диссоциации: она объясняет, почему растворимые соли представлены ионами. Также важно уметь пользоваться таблицей растворимости и составлять молекулярные и ионные уравнения. Эти навыки пригодятся при изучении качественных реакций на ионы, где превращение помогает распознать вещество, и химических равновесий в растворах, где состав среды зависит от участвующих частиц.

Что запомнить

• В растворе растворимые соли представлены ионами.
• При обмене катионы меняются анионами.
• Сам факт обмена формулами ещё не означает, что реакция протекает.
• Образование осадка, газа или слабого электролита служит условием протекания обмена до конца.
• В сокращённом ионном уравнении остаются только частицы, участвующие в превращении.
• Если все продукты остаются растворимыми сильными электролитами, сокращённого ионного уравнения нет.