§ 43. Химические реакции в растворах электролитов (продолжение)

Определения и обозначения

Электролиты — вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток благодаря подвижным ионам. Это определение помогает отличать такие вещества от неэлектролитов и понимать, почему при смешивании растворов важно учитывать не только формулы соединений, но и частицы в растворе. К электролитам относят, например, соли, кислоты и щёлочи.

Ионное уравнение — запись реакции, в которой растворимые сильные электролиты представлены ионами, а вещества, не распадающиеся на ионы, оставлены молекулами или формульными единицами. Такая запись нужна, чтобы увидеть, какие частицы действительно изменяются. Одинаковые ионы, присутствующие до и после реакции, можно сократить.

Осадок — нерастворимое или малорастворимое твёрдое вещество, которое выделяется из раствора. Обозначение ↓ рядом с формулой показывает его образование, а потому помогает заметить один из признаков протекания реакции. Газ обозначают стрелкой ↑, а воду записывают формулой H₂O.

Как это устроено

Когда соль, кислота или щёлочь растворяется в воде, частицы вещества распределяются в растворе, и многие из них существуют как ионы. Поэтому после смешивания растворов сталкиваются не целые «молекулы солей», а находящиеся рядом катионы и анионы. Запись реакции через ионы точнее передаёт, какие частицы могут взаимодействовать.

Реакция обмена в растворе идёт заметно, если образуется вещество, которое перестаёт быть свободно распределённым среди ионов. Так происходит, когда возникает осадок, выделяется газ или образуется слабый электролит, например вода. Удаление этих продуктов из ионного равновесия делает обратное превращение менее вероятным, поэтому реакция протекает практически до конца.

Если все возможные продукты растворимы и остаются сильными электролитами, в растворе после смешивания сохраняется тот же набор ионов. В таком случае обменная запись может быть формально составлена, но действительного превращения частиц нет. Сравнение полного ионного уравнения до и после сокращения помогает это проверить: если сокращаются все ионы, сокращённого уравнения реакции не получается.

Для составления ионного уравнения сначала записывают и уравнивают молекулярное уравнение. Затем растворимые соли, сильные кислоты и щёлочи заменяют на ионы, сохраняя индексы и коэффициенты; осадки, воду и газы на ионы не разбивают. В конце сокращают частицы, которые записаны по обе стороны без изменений.

Ионное уравнение должно сохранять и число атомов каждого элемента, и суммарный электрический заряд. Это следует из того, что атомы при химической реакции не исчезают, а заряд не возникает из ничего. Поэтому после сокращения полезно отдельно пересчитать атомы и сложить заряды слева и справа.

Признаки и условия протекания реакции

Таблица помогает определить, что может стать движущей причиной реакции обмена в водном растворе. Проверяйте продукты реакции по признакам в среднем столбце, а затем решайте, нужно ли составлять сокращённое ионное уравнение. Указанные признаки относятся к распространённым школьным случаям.

Разбор задач

Условие. Смешали водные растворы хлорида бария BaCl₂ и сульфата натрия Na₂SO₄. Составьте молекулярное и сокращённое ионное уравнения реакции. Нужно не только подобрать продукты, но и проверить, действительно ли частицы в растворе изменяются.

1. Определяем возможный обмен ионов. Катион бария Ba²⁺ может соединиться с анионом сульфата SO₄²⁻, а натрий Na⁺ — с хлоридом Cl⁻. Формулы предполагаемых продуктов: BaSO₄ и NaCl.
2. Проверяем, какое вещество образуется. Сульфат бария нерастворим в воде и выпадает в осадок, поэтому смешивание растворов приводит к заметной реакции. Хлорид натрия остаётся растворённым.
3. Уравниваем молекулярную запись: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl. Коэффициент 2 перед NaCl нужен, потому что в исходных веществах по два атома натрия и хлора.
4. Переходим к полному ионному уравнению. Растворимые BaCl₂, Na₂SO₄ и NaCl записываем в виде ионов, а осадок BaSO₄ оставляем целым: Ba²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻.
5. Сокращаем ионы, не участвующие в превращении. Na⁺ и Cl⁻ стоят по обе стороны в одинаковом количестве, поэтому их можно убрать. Остаётся Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓; заряд слева равен нулю, как и заряд нейтрального осадка справа.

Ответ. Молекулярное уравнение: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl. Сокращённое ионное уравнение: Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓. Именно ионы бария и сульфата образуют осадок, а натрий и хлорид остаются в растворе без изменений.

Типичные ошибки

Ошибка — разбивать на ионы все вещества подряд, в том числе осадки, воду и газы. Её допускают, потому что переносят правило для растворимых электролитов на любые формулы. Проверьте агрегатное состояние и растворимость продукта: вещества, не существующие в растворе как свободные ионы, оставляют молекулами или формульными единицами.

Ошибка — забывать индексы и коэффициенты при переходе от молекулярной записи к ионной. Например, запись BaCl₂ даёт один Ba²⁺ и два Cl⁻, а не по одному иону каждого вида. Пересчитайте атомы и заряд каждой частицы до сокращения, а затем проверьте баланс элементов в уравнении.

Ошибка — сокращать разные частицы только потому, что они имеют одинаковый заряд, или убирать ионы, стоящие лишь с одной стороны. Так теряется смысл реакции и нарушается сохранение вещества. Сокращать можно только одинаковые ионы в одинаковом количестве слева и справа; оставшаяся запись должна содержать осадок, газ или слабый электролит.

Связь с другими темами

Ионные уравнения опираются на представление о строении вещества: соли, кислоты и щёлочи в растворе дают положительные и отрицательные ионы. Чтобы предсказать осадок, нужно пользоваться сведениями о растворимости веществ. Составление уравнений также связано с законом сохранения атомов и зарядов, который помогает расставлять коэффициенты и проверять ответ.

Что запомнить

• Растворимые сильные электролиты в ионных уравнениях записывают в виде ионов.
• Осадки, газы и слабые электролиты оставляют молекулами или формульными единицами.
• Реакция обмена в растворе идёт практически до конца, если образуется осадок, газ или слабый электролит.
• Сокращённое ионное уравнение показывает частицы, которые непосредственно участвуют в превращении.
• Проверяйте число атомов и суммарный заряд в обеих частях уравнения.