§ 11. Формы записи уравнений реакций ионного обмена

Определения и обозначения

Молекулярное уравнение — запись реакции формулами веществ, например AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃. Оно показывает, какие исходные вещества вступили в реакцию и какие продукты образовались. Такая форма удобна для общего описания превращения.

Полное ионное уравнение — запись реакции, в которой растворимые сильные электролиты представлены ионами. Так записывают растворимые соли, сильные кислоты и сильные основания. Эта форма показывает реальный состав раствора до и после взаимодействия.

Сокращённое ионное уравнение описывает взаимодействие только тех частиц, которые непосредственно изменяются. Из него убирают ионы, не участвующие в превращении. Поэтому оно помогает увидеть сущность реакции.

Ионы-наблюдатели — частицы, которые есть в полном ионном уравнении, но не меняются при реакции. Они записаны одинаково слева и справа, поэтому их сокращают. После этого получают сокращённое ионное уравнение.

Как это устроено

Молекулярной записи иногда недостаточно, потому что в водном растворе растворимые электролиты распадаются на свободные ионы. Например, раствор NaCl содержит не молекулы NaCl, а ионы Na⁺ и Cl⁻. Именно эти частицы сталкиваются и могут образовать осадок, газ или слабый электролит.

Чтобы перейти к полному ионному уравнению, сначала составляют и уравнивают молекулярную запись. Затем формулы растворимых сильных электролитов заменяют на формулы их ионов, учитывая индексы и коэффициенты. Осадок, газ, воду и слабый электролит оставляют целыми формулами, потому что они не существуют в растворе как значительное количество свободных ионов.

Осадок не разделяют на ионы, поскольку его частицы удерживаются в кристаллической решётке и выпадают из раствора. Газ покидает раствор, вода состоит из слабодиссоциирующих молекул, а слабый электролит распадается на ионы лишь частично. Поэтому запись таких веществ целыми формулами точнее отражает происходящее.

Для получения сокращённого уравнения сравнивают левую и правую части полного ионного уравнения. Одинаковые ионы с одинаковыми зарядами сокращают, как одинаковые множители в математическом выражении. После сокращения нужно проверить число атомов каждого элемента и общий заряд обеих частей.

Сокращённая запись показывает признак, благодаря которому реакция идёт до заметного результата. Если образуется осадок, газ или слабый электролит, частицы удаляются из раствора либо связываются в малодиссоциирующее вещество. Поэтому именно такое изменение обычно служит причиной протекания реакции ионного обмена.

Три формы записи реакции ионного обмена

Таблицу удобно использовать как алгоритм перехода от одной формы к другой. Сначала составляют молекулярное уравнение, затем раскрывают сильные растворимые электролиты и в конце сокращают одинаковые ионы.

Если после сокращения остаются осадок, газ или слабый электролит, это обычно указывает на причину протекания реакции.

Разбор задач

1. Реакция AgNO₃ и NaCl

Условие. Для растворов AgNO₃ и NaCl нужно составить три формы уравнения. По таблице растворимости AgCl является нерастворимым веществом, значит, при смешивании растворов образуется осадок.

1. Записываем молекулярное уравнение: AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃.
2. Раскрываем растворимые соли: Ag⁺ + NO₃⁻ + Na⁺ + Cl⁻ → AgCl↓ + Na⁺ + NO₃⁻.
3. Сокращаем Na⁺ и NO₃⁻, получаем: Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓.

Ответ. Сокращённое уравнение показывает образование осадка хлорида серебра. Ионы Na⁺ и NO₃⁻ являются ионами-наблюдателями.

2. Реакция H₂SO₄ и KOH

Условие. Нужно записать реакцию серной кислоты и гидроксида калия в трёх формах. Продуктом обмена являются растворимая соль и вода, а образование воды является причиной реакции.

1. Уравниваем молекулярную запись: H₂SO₄ + 2KOH → K₂SO₄ + 2H₂O.
2. Записываем сильные электролиты ионами: 2H⁺ + SO₄²⁻ + 2K⁺ + 2OH⁻ → 2K⁺ + SO₄²⁻ + 2H₂O.
3. Сокращаем K⁺ и SO₄²⁻: 2H⁺ + 2OH⁻ → 2H₂O, затем делим коэффициенты на 2.

Ответ. Сокращённое ионное уравнение: H⁺ + OH⁻ → H₂O. Вода остаётся молекулой, потому что является слабым электролитом.

3. Реакция Na₂CO₃ и HCl

Условие. Карбонат натрия реагирует с соляной кислотой с выделением газа. Сначала образуется угольная кислота H₂CO₃, но она быстро разлагается на воду и углекислый газ.

1. Молекулярное уравнение: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑.
2. Полная ионная запись: 2Na⁺ + CO₃²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → 2Na⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + CO₂↑.
3. Сокращаем Na⁺ и Cl⁻: CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑.

Ответ. Газ выделяется потому, что образовавшаяся угольная кислота разлагается. В итоговой записи сохранены атомы и общий заряд: слева заряд равен 0, справа также равен 0.

Типичные ошибки

Осадок, газ, воду или слабый электролит иногда разделяют на ионы. Так делают по привычке, считая, что любое вещество в растворе диссоциирует одинаково; проверить себя можно по агрегатному состоянию, растворимости и силе электролита.

Растворимую соль или сильную кислоту оставляют молекулой в полном ионном уравнении. Ошибка возникает, если забыть, что сильный электролит практически полностью распадается на ионы; сверьтесь с растворимостью и списком сильных электролитов.

Сокращают похожие, но не одинаковые ионы, например Na⁺ и Na²⁺. Сокращать разрешается только частицы с одинаковыми формулой и зарядом, стоящие по обе стороны уравнения.

Сокращённое уравнение записывают без проверки коэффициентов. После сокращения пересчитайте атомы каждого элемента и суммарный заряд слева и справа.

Связь с другими темами

Для темы нужны формулы веществ, заряды ионов, правила составления формул солей и кислот, а также понятия электролита и раствора. Таблица растворимости помогает определить, появится ли осадок и какие вещества останутся в растворе. Ионные уравнения затем используют при изучении свойств кислот, оснований и солей и при описании реакций в водных растворах.

Что запомнить

• Молекулярное, полное и сокращённое ионное уравнения описывают одну реакцию на разных уровнях.
• Растворимые сильные электролиты в полном ионном уравнении записывают в виде ионов.
• Осадки, газы, воду и слабые электролиты на ионы не разделяют.
• Ионы-наблюдатели сокращают, если они одинаковы в обеих частях уравнения.
• Реакцию ионного обмена сопровождает образование осадка, газа или слабого электролита.
• В сокращённом уравнении должны сохраняться атомы и суммарный заряд.