§ 9. Реакции обмена с участием солей

Определения и обозначения

Реакция обмена с участием солей — взаимодействие электролитов в растворе, при котором их ионы перераспределяются между частицами. Ионы как бы меняют партнёров, но реакция получает направление только при образовании нового устойчивого вещества. Это понятие помогает отличить настоящее химическое превращение от простого смешивания растворов.

Молекулярное уравнение — запись реакции формулами веществ с учётом их состава и коэффициентов. Оно показывает, какие вещества взяли и какие продукты получили. По нему удобно составлять общий материальный баланс реакции.

Полное ионное уравнение — запись реакции в растворе, где сильные растворимые электролиты представлены ионами, а осадки, газы и слабые электролиты — формулами. Такая запись показывает реальные частицы, присутствующие в растворе. Она нужна, чтобы увидеть всех участников процесса.

Сокращённое ионное уравнение получают после удаления ионов-наблюдателей, которые не изменяются в ходе реакции. В нём остаются только частицы, непосредственно образующие осадок, газ или слабый электролит. Это наиболее наглядная запись сущности реакции.

Как это устроено

Чтобы определить продукты обмена, мысленно меняют местами анионы и катионы исходных солей. Например, из AgNO₃ и NaCl получаются AgCl и NaNO₃: катион серебра соединяется с хлорид-ионом, а натрий — с нитрат-ионом. Формулу каждой соли составляют по зарядам ионов, чтобы суммарный заряд частицы был равен нулю. Затем проверяют коэффициенты и растворимость обоих продуктов.

Ионы в растворе не обязаны реагировать только потому, что могут образовать новые пары. Если все предполагаемые продукты остаются растворимыми сильными электролитами, состав раствора по существу не меняется. Осадок удаляет ионы из раствора, газ покидает его, а слабый электролит образуется в недиссоциированном виде. Поэтому появление хотя бы одного из этих продуктов смещает процесс в сторону продуктов и делает реакцию практически необратимой.

Таблица растворимости нужна для проверки каждого предполагаемого продукта, а не исходных веществ. Сначала находят в таблице сочетание катиона и аниона, затем учитывают пометки растворимости. Если соединение нерастворимо или малорастворимо, рядом с его формулой ставят стрелку вниз: AgCl↓. Растворимые вещества обозначают как частицы раствора и не считают осадком.

При переходе к полному ионному уравнению растворимые сильные электролиты расписывают на катионы и анионы с индексами и зарядами. Так, Na₂CO₃ превращается в 2Na⁺ и CO₃²⁻, а HCl — в H⁺ и Cl⁻. Осадок, газ, воду и слабый электролит не расписывают, потому что в растворе они существуют преимущественно как молекулы или отдельные частицы данного вещества. Коэффициенты перед ионами должны соответствовать коэффициентам в молекулярном уравнении.

Чтобы получить сокращённое ионное уравнение, сравнивают левую и правую части полного уравнения. Одинаковые ионы с одинаковыми коэффициентами сокращают, поскольку они не изменились: например, Na⁺ и NO₃⁻. Ионы с разным составом или зарядом сокращать нельзя. В конце проверяют сохранение атомов и суммарного электрического заряда.

Признаки протекания реакций обмена в растворах и их запись

Таблица показывает, какой признак подтверждает протекание реакции и как его отражают в разных видах уравнений. При решении сначала устанавливают состав продуктов, затем проверяют наличие одного из признаков и только после этого переходят к ионной записи.

Стрелка вниз обозначает осадок, а стрелка вверх — выделение газа. В полном ионном уравнении нужно отдельно решить, какие вещества диссоциируют, а в сокращённом — проверить, что удалены только одинаковые ионы. Последняя проверка всегда включает атомный баланс и баланс зарядов.

Разбор задач

1. Нитрат серебра и хлорид натрия

Условие: составьте молекулярное уравнение реакции растворов AgNO₃ и NaCl и укажите признак её протекания.

1. Меняем местами ионы: предполагаемые продукты — AgCl и NaNO₃.
2. По таблице растворимости устанавливаем, что AgCl малорастворим, поэтому он выпадает в осадок. Нитрат натрия растворим.
3. Записываем уравнение: AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃. Коэффициенты равны единице.

Ответ: реакция протекает с образованием белого осадка хлорида серебра. Его появление является признаком протекания обмена до конца.

2. Карбонат натрия и соляная кислота

Условие: составьте молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения реакции Na₂CO₃ с HCl.

1. Продукты обмена — NaCl и H₂CO₃, но угольная кислота неустойчива и разлагается на CO₂ и H₂O.
2. Уравниваем реакцию: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + CO₂↑ + H₂O.
3. Полное ионное уравнение: 2Na⁺ + CO₃²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → 2Na⁺ + 2Cl⁻ + CO₂↑ + H₂O. Сокращаем Na⁺ и Cl⁻.

Ответ: сокращённое ионное уравнение: CO₃²⁻ + 2H⁺ → CO₂↑ + H₂O. Признаки реакции — выделение газа и образование воды.

3. Сульфат натрия и нитрат калия

Условие: определите, протекает ли обмен при смешивании растворов Na₂SO₄ и KNO₃.

1. Возможные продукты — NaNO₃ и K₂SO₄.
2. Оба соединения растворимы по таблице, поэтому осадок не образуется; газа и слабого электролита также нет.
3. Следовательно, ионы могут перераспределиться формально, но направленной реакции обмена не наблюдается.

Ответ: реакция не протекает до конца, так как все возможные продукты остаются растворимыми сильными электролитами.

Типичные ошибки

Любая пара растворов солей обязательно реагирует. Ошибка возникает из-за представления, что сам обмен ионами уже является реакцией. Проверьте, появился ли осадок, газ или слабый электролит.

Растворимость продукта определяют по исходным веществам. Растворимость одного соединения ничего не говорит о другом, даже если в них есть общий ион. Каждую новую соль проверяйте отдельно по таблице.

Все вещества расписывают на ионы. Так теряются реальные частицы осадка, газа и воды. В полном ионном уравнении на ионы переводят только растворимые сильные электролиты.

Сокращают любые похожие ионы. Ионы можно убрать лишь при полном совпадении состава, заряда и коэффициента по обе стороны. После сокращения сравните число атомов и суммарный заряд.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны электролитическая диссоциация, различия между сильными и слабыми электролитами, понятия катиона и аниона, а также таблица растворимости. При составлении уравнений используются правила формирования формул солей и расстановки коэффициентов.

Ионные уравнения понадобятся при изучении кислотно-основных реакций, гидролиза солей и качественных реакций на ионы. Они позволяют записывать не только вещества, но и частицы, которые реально взаимодействуют в растворе.

Что запомнить

• Обмен ионами сам по себе не гарантирует протекания реакции до конца.
• Реакция в растворе протекает до конца, если образуется осадок, газ или слабый электролит.
• Растворимость продуктов определяют по таблице растворимости.
• В полном ионном уравнении растворимые сильные электролиты записывают в виде ионов.
• Осадки, газы, воду и слабые электролиты в ионном уравнении записывают формулами.
• В сокращённом ионном уравнении исключают только одинаковые ионы-наблюдатели.
• В ионных уравнениях должны сохраняться число атомов каждого элемента и суммарный заряд.