Готовимся к углубленному изучению химии : 5.6 Реакции обмена в водных растворах электролитов

5.6. Реакции обмена в водных растворах электролитов. Ионные реакции и уравнения

В обменных реакциях, протекающих в растворах электролитов, наряду с недиссоциированными молекулами слабых электролитов, твердыми веществами и газами участвуют также находящиеся в растворе ионы. Поэтому сущность протекающих процессов наиболее полно выражается при записи их в форме ионно-молекулярных уравнений. Например, уравнения реакций нейтрализации сильных кислот щелочами

HClO₄ + NaOH →NaClO₄ + H₂O,

2HNO₃+ Ba(OH)₂ → Ba(NO₃)₂ + 2H₂O,

выражаются одним и тем же ионно-молекулярным уравнением

H⁺+ OH^– → H₂O,

из которого следует, что сущность этих процессов сводится к образованию из ионов водорода и гидроксид-ионов малодиссоциированного электролита – воды. Аналогично уравнения реакций

BaCl₂ +H₂SO₄ → BaSO₄+ 2HCl,

Ba(NO₃)₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄ + 2NaNO₃

выражают один и тот же процесс образования из ионов Ва²⁺ и SO₄^2—осадка малорастворимого электролита – сульфата бария

Ва²⁺ + SO₄^2– → BaSO₄↓.

На основании рассмотренных примеров можно сделать следующий вывод: реакции в растворах электролитов всегда идут в сторону образования наименее диссоциированных или наименее растворимых веществ. Из этого, в частности, следует, что сильные кислоты вытесняют слабые из растворов их солей

CH₃COONa + HCl → CH₃COOH + NaCl.

Суть этой реакции более точно отражается ионно-молекулярным уравнением, где формулы слабых электролитов записаны в виде молекул, а сильных – в виде ионов

CH₃COO^– + Na⁺ + H⁺ + Cl^– → CH₃COOH + Na⁺ + Cl^{– ,}

или в сокращенном виде

CH₃COO^– + H⁺ → CH₃COOH.

Аналогично протекают реакции между щелочами и солями слабых оснований. Например,

FeSO₄ + 2 NaOH → Na₂SO₄ + Fe(OH)₂↓

Fe²⁺ + SO₄^2– + 2 Na⁺ + 2 OH^– → SO₄^2– + 2 Na⁺ + Fe(OH)₂↓

Fe²⁺ + 2 OH^– → Fe(OH)₂↓.

Таким образом, реакции в растворах электролитов идут до конца если в результате взаимодействия веществ происходит образование осадка, выделение газа и образование слабого электролита. При написании ионно-молекулярных уравнений реакций, слабые электролиты, малорастворимые соединения и газы записываются в молекулярной форме, а находящиеся в растворе сильные электролиты – в виде составляющих их ионов.

Все рассмотренные уравнения реакций являются необратимыми т.к. равновесие в них смещено вправо вследствие малой растворимости BaSO₄ и Fe(OH)₂, образовании уксусной кислоты CH₃COOH и воды H₂O.

Однако в обменные реакции могут вступать растворы сильных и слабых электролитов, что может приводить к образованию слабых электролитов. Такие реакции являются обратимыми. Например:

FeS + 2HCl

FeCl₂+ H₂S.

Запишем его в ионно-молекулярной форме, оставив в виде молекул нерастворимый сульфид железа (FeS) и слабодиссоциируемый газообразный сероводород (H₂S). Сильные электролиты (HCl и FeCl₂) запишем в виде ионов.

FeS + 2 H⁺ + 2Cl^-

Fe²⁺ +2Cl^- + H₂S.

Исключив одинаковые ионы (не участвующие в реакции) в левой и правой частях уравнения, получаем сокращенное ионно-молекулярное уравнение:

FeS + 2 H⁺

Fe²⁺ + H₂S.

Взаимодействие кислой соли и щелочи приводит к образованию средней соли и воды. Например:

KHCO₃ + KOH

K₂CO₃ + H₂O.

Запишем полное ионно-молекулярное уравнение

K⁺ + HCO₃^– + K⁺ + OH^–

2K⁺ + CO₃^2– + H₂O.

HCO₃^–+ OH^–

CO₃^2– + H₂O.

При взаимодействии основной соли и кислоты образуется средняя соль и вода. Например:

NiOHNO₃ + HNO₃

Ni(NO₃)₂ + H₂O.

Запишем полное и сокращенное ионно-молекулярное уравнения

NiOH⁺ + NO₃^– + H⁺ + NO₃^–

Ni²⁺ + 2 NO₃^– + H₂O

NiOH⁺ + H⁺

Ni²⁺ + H₂O.

Амфотерные гидроксиды [Zn(OH)₂, Be(OH)₂, Al(OH)₃, Cr(OH)₃ и др.] растворяются в растворах щелочей с образованием комплексных солей. Например:

Zn(OH)₂ + 2KOH

K₂[Zn(OH)₄].

Запишем полное и сокращенное ионно-молекулярное уравнения

Zn(OH)₂ + 2K⁺+ 2OH^–

2K⁺ + [Zn(OH)₄]^2–

Zn(OH)₂ + 2OH^–

[Zn(OH)₄]^2–.

В сокращенном ионно-молекулярном уравнении сумма электрических зарядов левой части уравнения всегда равна сумме электрических зарядов правой части уравнения.

Правила написания уравнений реакций в ионном виде

1. Записывают формулы веществ, вступивших в реакцию, ставят знак «равно» и записывают формулы образовавшихся веществ. Расставляют коэффициенты.

2. Пользуясь таблицей растворимости, записывают в ионном виде формулы веществ (солей, кислот, оснований), обозначенных в таблице растворимости буквой «Р» (хорошо растворимые в воде), исключение – гидроксид кальция, который, хотя и обозначен буквой «М», все же в водном растворе хорошо диссоциирует на ионы.

3. Нужно помнить, что на ионы не разлагаются металлы, оксиды металлов и неметаллов, вода, газообразные вещества, нерастворимые в воде соединения, обозначенные в таблице растворимости буквой «Н». Формулы этих веществ записывают в молекулярном виде. Получают полное ионное уравнение.

4. Сокращают одинаковые ионы до знака «равно» и после него в уравнении. Получают сокращенное ионное уравнение.

5. Помните!

На ионы диссоциируют
Реагенты (исходные вещества)	Продукты реакции
Растворимые (P) в воде (см. ТР): 1. Соли 2. Кислоты 3. Основания (Включая Ca(OH)₂ – M)	Растворимые (P) в воде (см. ТР): 1. Соли 2. Кислоты 3. Основания Исключения – неустойчивые вещества не диссоциируют, а разлагаются на газ и воду: H₂CO₃ ↔ H₂O + CO₂↑ H₂SO₃ ↔ H₂O + SO₂↑ NH₄OH↔ H₂O + NH₃↑ H₂S↑ (сероводород сам выделяется в виде газа)

Р - растворимое вещество;

М - малорастворимое вещество;

ТР - таблица растворимости.

Алгоритм составления реакций ионного обмена (РИО)

в молекулярном, полном и кратком ионном виде

1). Записываем уравнение РИО в молекулярном виде:	Взаимодействие серной кислоты и хлорида бария: II II I I H₂SO₄ + BaCl₂ = BaSO₄ + 2HCl
2). Используя ТР указываем растворимость веществ воде: - Если продукт является М или Н – оно выпадает в осадок, справа от химической формулы ставим знак ↓; - Если продукт является газом, справа от химической формулы ставим знак ↑.	Р Р Н Р H₂SO₄ + BaCl₂ = BaSO₄ ↓+ 2HCl Молекулярный вид
3). Записываем уравнение РИО в полном ионном виде. Какие вещества диссоциируют см. в таблице - ПАМЯТКЕ	2H⁺+ SO₄^2- + Ba²⁺ + 2Cl^- = BaSO₄ ↓+ 2H⁺ + 2Cl^- Полный ионный вид
4). Записываем уравнение реакции в кратком ионном виде. Сокращаем одинаковые ионы, вычёркивая их из уравнения реакции. *Помните!* РИО необратима и практически осуществима, если в продуктах образуются: газ; вода; осадок	SO₄^2- + Ba²⁺ + = BaSO₄ ↓ Краткий ионный вид Вывод – данная реакция необратима, т.е. идёт до конца, т.к. образовался осадок BaSO₄ ↓

УПРАЖНЕНИЯ

1. Составим уравнение реакции между гидроксидом железа (III) и азотной кислотой.

Fe(OH)₃ + 3HNO₃ = Fe(NO₃)₃ + 3H₂O

Запишем данное уравнение в ионной форме:

(Гидроксид железа (III) является нерастворимым снованием, поэтому не подвергается электролитической диссоциации. Вода – малодиссоциируемое вещество, на ионы в растворе практически недиссоциировано.)

Fe(OH)₃ + 3H⁺ + 3NO₃^- = Fe³⁺ + 3NO₃^- + 3H₂O

Зачеркнем одинаковое количество нитрат-анионов слева и справа, запишем сокращенное ионное уравнение:

Fe(OH)₃ + 3H⁺ = Fe³⁺ + 3H₂O

Данная реакция протекает до конца, т.к. образуется малодиссоциируемое вещество – вода.

_____________________________________________________________

2. Составим уравнение реакции между карбонатом натрия и нитратом магния.

Na₂CO₃ + Mg(NO₃)₂ = 2NaNO₃ + MgCO₃↓

Запишем данное уравнение в ионной форме:

(Карбонат магния является нерастворимым в воде веществом, следовательно, на ионы не распадается.)

2Na⁺ + CO₃^2-+ Mg²⁺ + 2NO₃^- = 2Na⁺ + 2NO₃^- + MgCO₃↓

Зачеркнем одинаковое количество нитрат-анионов и катионов натрия слева и справа, запишем сокращенное ионное уравнение:

CO₃^2-+ Mg²⁺ = MgCO₃↓

Данная реакция протекает до конца, т.к. образуется осадок – карбонат магния.

_____________________________________________________________

3. Составим уравнение реакции между карбонатом натрия и азотной кислотой.

Na₂CO₃ + 2HNO₃ = 2NaNO₃ + CO₂ ↑+ H₂O

(Углекислый газ и вода – продукты разложения образующейся слабой угольной кислоты.)

2Na⁺ + CO₃^2- + 2H⁺ + 2NO₃^- = 2Na⁺ + 2NO₃^-+ CO₂↑ + H₂O

CO₃^2- + 2H⁺ = CO₂↑ + H₂O

Данная реакция протекает до конца, т.к. в результате нее выделяется газ и образуется вода.

_____________________________________________________________

а) Молекулярное уравнение реакции щелочи с кислотой:
KOH (р) + HCl (р) = KCl(р) + H₂O (мд)
Полное ионное уравнение реакции:
K⁺ + OH^– + H⁺ + Cl^– = K⁺ + Cl^– + H₂O
Cокращенное ионное уравнение реакции:
H⁺ + OH^– = H₂O
б) Молекулярное уравнение реакции основного оксида с кислотой:
CaO (оксид) + 2HNO₃ (р) = Ca(NO₃)₂ (р) + H₂O (мд)
Полное ионное уравнение реакции:
CaO + 2H⁺ + 2NO₃^- = Ca²⁺ + 2NO₃^- + H₂O
Cокращенное ионное уравнение реакции:
CaO + 2H+ = Ca²⁺ + H₂O.

в) Молекулярное уравнение реакции нерастворимого основания с кислотой:

3Mg(OH)₂ (н) + 2H₃PO₄ (р) = Mg₃(PO₄)₂↓ + 6H₂O (мд)
Полное ионное уравнение реакции:
3Mg(OH)₂ + 6H⁺ + 2PO₄^3- = Mg₃(PO₄)₂↓ + 6H₂O

_____________________________________________________________

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1. Определите, может ли осуществляться взаимодействие между растворами следующих веществ, записать реакции в молекулярном, полном, кратком ионном виде:

гидроксид калия и хлорид аммония.

2. Дана схема:

2H⁺ + CO₃^2-= H₂O + CO₂↑

Подберите вещества, взаимодействие между которыми в водных растворах выражается следующими сокращёнными уравнениями. Составьте соответствующие молекулярное и полное ионное уравнения.

3. Запишите реакцию обмена между оксидом натрия и фосфорной кислотой в молекулярном, полном и кратком ионном виде.

4. Составьте уравнение реакции ионного обмена карбоната натрия с серной кислотой в молекулярном, полном и кратком ионном виде.

5. Закончите уравнения реакций в молекулярном, полном и кратком ионном виде:
ZnF₂ + Ca(OH)₂ ->
K₂S + H₃PO₄ ->
При выполнении задания используйте таблицу растворимости веществ в воде. Помните об исключениях!

6. Составьте уравнение реакции ионного обмена хлорида бария с сульфатом магния в молекулярном, полном и кратком ионном виде.

7. Закончите уравнения реакций в молекулярном, полном и кратком ионном виде:
Hg(NO₃)₂ + Na₂S ->
K₂SO₃ + HCl ->
При выполнении задания используйте таблицу растворимости веществ в воде. Помните об исключениях!

8. Напишите полные и сокращенные ионные уравнения следующих реакций:

9. Составьте молекулярные и ионные уравнения реакций между растворами веществ:

Какие реакции обратимы? Какие необратимы?

10. Напишите полные и сокращенные ионные уравнения реакций между попарно сливаемыми растворами солей:

В каких случаях образуется осадок?

1. Сокращенные ионные уравнения Fe²⁺+ 2OH^- → Fe(OH)₂↓ соответствует взаимодействию:
а)Fe и KOH	б) FeS и KOH
в) FeCl₂ и NaOH	г)Fe(NO₃)₂и Al(OH)₃
2. Реакция ионного обмена идет до конца в результате образования осадка при взаимодействии:
а)NaOH и Mg(NO₃)₂	б) CaCO₃ и HCl
в) Cu(OH)₂ и H₂SO₄	г) NaOH и KNO₃
3. Сумма коэффициентов в сокращенном ионном уравнении реакции СО₂ с избытком водного раствора КОН равна:
а)5	б) 9
в) 3	г) 6
4. Сокращенное ионное уравнение Н⁺+ ОН^-→Н₂О отвечает взаимодействию:
а)Fe(OH)₃ и HCl	б) H₂SO₄ и KOH
в) H₂SO₄и Ba(OH)₂	г) NH₄OH и HNO₃
5. Какая пара ионов участвует в образовании осадка при сливании водных растворов K₂CO₃ и BaCl₂:
а) СО₃^2- и К⁺	б) Cl^- и К⁺
в) Ва²⁺и СО₃^2-	г) СО₃^2- и Cl^-
6. Какие пары ионов могут совместно находится в водном растворе в значительных количествах:
а)Н⁺ и ОН^-	б) Ag⁺ и NO₃^-
в) Ca²⁺ и PO₄^3-	г) Ba²⁺ и CO₃^2-
7. Совместно с какими анионами в водном растворе в значительных количествах может находится катион Ba²⁺:
а) ОН^-	б) CO₃^2-
в) SO₄^2-	г) NO₃^-
8. Совместно с какими катионами в водном растворе могут в значительных количествах находится сульфат-ионы:
а) Ca²⁺	б) Pb²⁺
в) NH₄⁺	г) Ba²⁺
9. Формулы каких веществ при записи ионных уравнений реакций представляют в виде ионов:
а) KOH	б) CH₃COOH
в) H₂S	г) NH₄OH
10. В водных растворах каких солей среда щелочная:
а) Na₂CO₃	б) K₂CO3
в) CuCl₂	г) NaNO₃

Ответы:

1	в
2	а
3	а
4	б
5	в
6	б
7	г
8	в
9	а
10	а

5.6 Реакции обмена в водных растворах электролитов

Комментариев нет: