§ 42. Химические реакции в растворах электролитов

Определения и обозначения

Электролитическая диссоциация — распад электролита на положительные и отрицательные ионы при растворении в воде. Кислоты образуют катионы H⁺ и анионы кислотного остатка, основания — катионы металла и анионы OH⁻, а соли — катионы металла и анионы кислотного остатка. Это понятие объясняет, почему реакции в растворе можно записывать не только формулами веществ, но и формулами частиц.

Ионы — заряженные частицы, переносящие электрический заряд в растворе. Положительно заряженные ионы называются катионами, отрицательно заряженные — анионами. Различать их нужно, чтобы правильно составлять формулы веществ и записывать ионные уравнения. Заряд каждого иона указывают справа вверху его символа.

Реакция ионного обмена — взаимодействие ионов электролитов в растворе, при котором они меняются партнёрами. Например, катион одного вещества может соединиться с анионом другого. Такое определение помогает увидеть, какие частицы могут образовать осадок, воду или газ. Если продукты остаются растворёнными и не изменяются, заметного превращения может не произойти.

Молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения — три способа показать одну реакцию. В молекулярном записывают формулы веществ, в полном растворимые сильные электролиты представляют ионами, а в сокращённом оставляют только частицы, участвующие в изменении. Сравнение записей позволяет проследить, что именно произошло в растворе. Для сокращённого уравнения важно сохранить атомы и общий заряд.

Как это устроено

Когда растворимый электролит попадает в воду, молекулы воды притягивают его ионы и помогают им отделиться друг от друга. Ионы становятся подвижными и распределяются по раствору, поэтому реагируют не целые формульные единицы, а частицы с зарядами. Например, раствор хлорида натрия содержит Na⁺ и Cl⁻. Именно поэтому описание реакции через ионы часто точнее показывает её ход.

Сам факт обмена партнёрами ещё не означает, что реакция пойдёт до конца: после обмена исходные частицы могли бы просто остаться в растворе. Превращение становится заметным, когда один из продуктов удаляется из раствора или почти не распадается на ионы. Осадок выпадает, газ покидает раствор, а вода и другие слабые электролиты остаются преимущественно молекулами. Образование такого продукта служит признаком реакции.

Сначала составляют молекулярное уравнение: записывают формулы реагентов и предполагаемых продуктов, затем расставляют коэффициенты. Формулы продуктов получают с учётом зарядов ионов, чтобы суммарный заряд каждого вещества был равен нулю. После расстановки коэффициентов сравнивают число атомов каждого элемента слева и справа. Этот способ проверки не позволяет потерять атомы при записи обмена.

Чтобы перейти к полному ионному уравнению, растворимые сильные электролиты раскладывают на ионы с учётом их индексов и зарядов. Например, Na₂SO₄ записывают как 2Na⁺ + SO₄²⁻. Осадки, газы, воду и слабые электролиты не разделяют: они остаются в молекулярной форме. Затем проверяют не только атомы, но и суммарный заряд обеих частей уравнения.

В полном ионном уравнении некоторые ионы записаны одинаково слева и справа: до реакции они находились в растворе, и после неё остались там же. Такие частицы называют ионами-наблюдателями. Если удалить одинаковые ионы вместе с их коэффициентами с обеих сторон, получится сокращённое ионное уравнение. Оно показывает только действительное превращение, но сохраняет равенство атомов и суммарных зарядов.

Признаки протекания реакций ионного обмена и их запись

Сначала по таблице проверь, появляется ли осадок, газ или слабый электролит: это подскажет, есть ли признак реакции. Затем определи, какие вещества растворены и потому должны быть записаны ионами. При переходе к сокращённой записи сравни левую и правую части и убери только одинаковые ионы.

Разбор задач

Нитрат серебра и хлорид натрия

Условие: составить уравнение реакции растворов нитрата серебра и хлорида натрия и указать признак её протекания. Сначала определим, какие ионы могут обменяться партнёрами: Ag⁺ соединится с Cl⁻. Хлорид серебра нерастворим, поэтому ожидаем появление осадка.

1. Записываем молекулярное уравнение: AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃.
2. Растворимые вещества представляем ионами: Ag⁺ + NO₃⁻ + Na⁺ + Cl⁻ → AgCl↓ + Na⁺ + NO₃⁻.
3. Сокращаем одинаковые Na⁺ и NO₃⁻. Остаётся Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓.

Проверка: по одному атому Ag и Cl с каждой стороны, общий заряд слева и справа равен нулю. Ответ: реакция протекает с образованием осадка AgCl; сокращённое уравнение — Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓.

Соляная кислота и гидроксид натрия

Условие: записать три уравнения реакции растворов HCl и NaOH. Кислота и основание обмениваются ионами, а катион H⁺ соединяется с анионом OH⁻. При этом образуется вода — слабый электролит, поэтому реакция имеет признак протекания.

1. Молекулярное уравнение: HCl + NaOH → NaCl + H₂O.
2. В полном ионном уравнении сильные растворимые электролиты распадаются на ионы: H⁺ + Cl⁻ + Na⁺ + OH⁻ → Na⁺ + Cl⁻ + H₂O.
3. Сокращаем ионы-наблюдатели Na⁺ и Cl⁻: H⁺ + OH⁻ → H₂O.

Проверка: слева два атома H и один O, справа столько же; заряд слева равен нулю, как и справа. Ответ: реакция нейтрализации образует воду и раствор соли NaCl.

Карбонат натрия и соляная кислота

Условие: определить, произойдёт ли реакция растворов Na₂CO₃ и HCl, и составить три уравнения. При обмене возникает угольная кислота H₂CO₃, но она неустойчива и распадается на воду и углекислый газ. Выход газа из раствора служит признаком реакции, поэтому итоговые продукты — соль, вода и газ.

1. Уравниваем молекулярную запись: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑.
2. Полное ионное уравнение: 2Na⁺ + CO₃²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → 2Na⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + CO₂↑.
3. Сокращаем 2Na⁺ и 2Cl⁻: CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑.

Проверка сокращённой записи: слева один атом C, три O и два H, справа столько же; общий заряд слева равен нулю, справа тоже. Ответ: реакция протекает с выделением CO₂, её сокращённое уравнение — CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑.

Типичные ошибки

Ошибка — разделять на ионы осадки, газы, воду или слабые электролиты. Так поступают, потому что при составлении полного уравнения хочется представить ионами все вещества, но перечисленные продукты не существуют в растворе преимущественно как свободные ионы. Оставляй их молекулами и проверяй, является ли вещество растворимым сильным электролитом.

Ошибка — считать, что любой обмен ионами обязательно идёт до конца. Обмен в записи продуктов возможен, но если все вещества остаются растворёнными сильными электролитами, заметного превращения может не быть. Проверь, образуется ли осадок, газ или слабый электролит; без такого признака реакцию не следует считать протекающей до конца.

Ошибка — забывать сократить ионы-наблюдатели или удалять частицы, которые изменились. Первое оставляет в сокращённом уравнении лишние частицы, второе уничтожает сам смысл реакции. Сопоставь левую и правую части полного уравнения: сокращать можно только одинаковые ионы с одинаковыми зарядами и коэффициентами.

Ошибка — нарушать баланс атомов или зарядов при расстановке коэффициентов. Это происходит, если проверять только формулы продуктов или подбирать коэффициенты на глаз. Пересчитай атомы каждого элемента, а затем сложи заряды всех ионов слева и справа: обе проверки должны дать равенство.

Связь с другими темами

Для работы с ионными уравнениями нужны знания о формулах и составе кислот, оснований и солей, а также о растворах и растворимости веществ. Степени окисления для этой темы определять не требуется, зато важно различать катионы и анионы и составлять формулы по зарядам ионов. Эти умения пригодятся при изучении свойств кислот, оснований и солей, качественных реакций на ионы и других способов записи химических реакций.

Что запомнить

• В водных растворах растворимые сильные электролиты существуют преимущественно в виде ионов.
• Реакции ионного обмена протекают до конца, если образуется осадок, газ или слабый электролит.
• В полном ионном уравнении растворимые сильные электролиты записывают в виде ионов.
• Осадки, газы, воду и слабые электролиты в ионных уравнениях обычно записывают молекулами.
• Сокращённое ионное уравнение получают удалением одинаковых ионов слева и справа.
• В ионном уравнении должны сохраняться число атомов каждого элемента и суммарный электрический заряд.