Реакции ионного обмена

6 Янв

Реакции ионного обмена — реакции в водных растворах между электролитами, протекающие без изменений степеней окисления образующих их элементов

Необходимым условием протекания реакции между электролитами (солями, кислотами и основаниями) является образование малодиссоциирующего вещества (вода, слабая кислота, гидроксид аммония), осадка или газа.

Расcмотрим реакцию, в результате которой образуется вода. К таким реакциям относятся все реакции между любой кислотой и любым основанием. Например, взаимодействие азотной кислоты с гидроксидом калия:

HNO3 + KOH = KNO3 + H2O        (1)

Исходные вещества, т.е. азотная кислота и гидроксид калия, а также один из продуктов, а именно нитрат калия, являются сильными электролитами, т.е. в водном растворе они существуют практически только в виде ионов. Образовавшаяся вода относится к слабым электролитам, т.е. практически не распадается на ионы. Таким образом, более точно переписать уравнение выше можно, указав реальное состояние веществ в водном растворе, т.е. в виде ионов:

H+ + NO3 + K+ + OH = K+ + NO3 + H2O           (2)

Как можно заметить из уравнения (2), что до реакции, что после в растворе находятся ионы NO3 и K+ . Другими словами, по сути, нитрат-ионы  и ионы калия никак не участвовали в реакции. Реакция произошла только благодаря объединению частиц H+ и OH в молекулы воды. Таким образом, произведя алгебраически сокращение одинаковых ионов в уравнении (2):

H+ + NO3 + K+ + OH = K+ + NO3 + H2O

мы получим:

H+ + OH = H2O           (3)

Уравнения вида (3) называют сокращенными ионными уравнениями, вида (2) — полными ионными уравнениями, а вида (1) — молекулярными уравнениями реакций.

Фактически ионное уравнение реакции максимально отражает ее суть, именно то, благодаря чему становится возможным ее протекание. Следует отметить, что одному сокращенному ионному уравнению могут соответствовать множество различных реакций. Действительно, если взять, к примеру, не азотную кислоту, а соляную, а вместо гидроксида калия использовать, скажем, гидроксид бария, мы имеем следующее молекулярное уравнение реакции:

2HCl+ Ba(OH)2 = BaCl2 + 2H2O

Соляная кислота, гидроксид бария и хлорид бария являются сильными электролитами, то есть существуют в растворе преимущественно в виде ионов. Вода, как уже обсуждалось выше, – слабый электролит, то есть существует в растворе практически только в виде молекул. Таким образом, полное ионное уравнение данной реакции будет выглядеть следующим образом:

2H+ + 2Cl + Ba2+ + 2OH = Ba2+ + 2Cl + 2H2O

Сократим одинаковые ионы слева и справа и получим:

2H+ + 2OH = 2H2O

Разделив и левую и правую часть на 2, получим:

H+ + OH = H2O,

Полученное сокращенное ионное уравнение полностью совпадает с сокращенными ионным уравнением взаимодействия азотной кислоты и гидроксида калия.

При составлении ионных уравнений в виде ионов записывают только формулы:

1) сильных кислот  (HCl, HBr, HI, H2SO4, HNO3, HClO4 ) (список сильных кислот надо выучить!)

2) сильных оснований (гидроксиды щелочных (ЩМ) и щелочно-земельных металлов(ЩЗМ))

3) растворимых солей

В молекулярном виде записывают формулы:

1) Воды H2O

2) Слабых кислот (H2S, H2CO3, HF, HCN, CH3COOH (и др. практически все органические))

3) Слабых оcнований (NH4OH  и практически все гидроксиды металлов кроме ЩМ и ЩЗМ

4) Малорастворимых солей (↓) («М» или «Н» в таблице растворимости).

5) Оксидов (и др. веществ, не являющихся электролитами)

Попробуем записать уравнение между гидроксидом железа (III) и серной кислотой. В молекулярном виде уравнение их взаимодействия записывается следующим образом:

2Fe(OH)3+ 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 6H2O

Гидроксиду железа (III) соответствует в таблице растворимости обозначение «Н», что говорит нам о его нерастворимости, т.е. в ионном уравнении его надо записывать целиком, т.е. как Fe(OH)3 . Серная кислота растворима и относится к сильным электролитам, то есть существует в растворе преимущественно в продиссоциированном состоянии. Сульфат железа (III), как и практически все другие соли, относится к сильным электролитам, и, поскольку он растворим в воде, в ионном уравнении его нужно писать в виде ионов. Учитывая все вышесказанное, получаем полное ионное уравнение следующего вида:

2Fe(OH)3 + 6H+ + 3SO42- = 2Fe3+ + 3SO42- + 6H2O

Сократив сульфат-ионы слева и справа, получаем:

2Fe(OH)3 + 6H+ = 2Fe3+ + 6H2O

разделив обе части уравнения на 2 получаем сокращенное ионное уравнение:

Fe(OH)3 + 3H+ = Fe3+ + 3H2O

Теперь давайте рассмотрим реакцию ионного обмена, в  результате которой образуется осадок. Например, взаимодействие двух растворимых солей :

Na2CO3 +  CaCl2 = CaCO3↓+  2NaCl

Все три соли – карбонат натрия, хлорид кальция, хлорид натрия и карбонат кальция (да-да, и он тоже) – относятся к сильным электролитам и все, кроме карбоната кальция, растворимы в воде, т.е. есть участвуют в данной реакции в виде ионов:

2Na+ + CO32- +  Ca2+ + 2Cl = CaCO3↓+  2Na+ + 2Cl

Сократив одинаковые ионы слева и справа в данном уравнении, получим сокращенное ионное:

CO32- + Ca2+  = CaCO3

Последнее уравнение отображает причину взаимодействия растворов карбоната натрия и хлорида кальция. Ионы кальция и карбонат-ионы объединяются в нейтральные молекулы карбоната кальция, которые, соединяясь друг с другом, порождают мелкие кристаллы осадка CaCO3 ионного строения.

Примечание важное для сдачи ЕГЭ по химии

Чтобы реакция соли1 с солью2 протекала, помимо базовых требований к протеканиям ионных реакций (газ, осадок или вода в продуктах реакции), на такие реакции накладывается еще одно требование – исходные соли должны быть растворимы.  То есть, например,

CuS + Fe(NO3)2 ≠ FeS + Cu(NO3)2

реакция не идет, хотя FeS – потенциально мог бы дать осадок, т.к. нерастворим. Причина того что реакция не идет – нерастворимость одной из исходных солей (CuS).

А вот, например,

Na2CO3 +  CaCl2 = CaCO3↓+  2NaCl

протекает, так как карбонат кальция нерастворим и исходные соли растворимы.

То же самое касается взаимодействия солей с основаниями. Помимо базовых требований к протеканию реакций ионного обмена, для того чтобы соль с основанием реагировали необходима растворимость их обоих. Таким образом:

Cu(OH)2 + Na2S – не протекает,

т.к. Cu(OH)2 нерастворим, хотя потенциальный продукт CuS был бы осадком.

А вот реакция между NaOH и Cu(NO3)2 протекает, так оба исходных вещества растворимы и дают осадок Cu(OH)2:

2NaOH + Cu(NO3)2 = Cu(OH)2 ↓+ 2NaNO3

Внимание! Ни в коем случае не распространяйте требование растворимости исходных веществ дальше реакций соль1+ соль2   и   соль + основание.

Например, с кислотами выполнение этого требование не обязательно. В частности, все растворимые кислоты прекрасно реагируют со всеми карбонатами, в том числе нерастворимыми.

Другими словами:

1)Соль1+ соль2 — реакция идет если исходные соли растворимы, а в продуктах есть осадок

2) Соль + гидроксид металла – реакция идет, если в исходные вещества растворимы и в продуктах есть садок или гидроксид аммония.

Рассмотрим третье условие протекания реакций ионного обмена – образование газа. Строго говоря, только в результате ионного обмена образование газа возможно лишь в редких случаях, например, при образовании газообразного сероводорода:

K2S + 2HBr = 2KBr + H2S↑

В большинстве же остальных случаев газ образуется в результате разложения одного из продуктов реакции ионного обмена. Например, нужно точно знать в рамках ЕГЭ, что образованием газа в виду неустойчивости разлагаются такие продукты, как H2CO3, NH4OH и H2SO3:

H2CO3 = H2O + CO2

NH4OH = H2O + NH3

H2SO3 = H2O + SO2

Другими словами, если в результате ионного обмена образуются угольная кислота, гидроксид аммония или сернистая кислота, реакция ионного обмена протекает благодаря образованию газообразного продукта:

Na2CO3 + H2SO4 = Na2SO4 + H2O + CO2

NH4NO3 + KOH = KNO3 + H2O + NH3

Na2SO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + SO2

Запишем ионные уравнения для всех указанных выше реакций, приводящих к образованию газов. 1) Для реакции:

K2S + 2HBr = 2KBr + H2S↑

В ионном виде будут записываться сульфид калия и бромид калия, т.к. являются растворимыми солями, а также бромоводородная кислота, т.к. относится к сильным кислотам. Сероводород же, являясь малорастворимым и плохо диссоциирцющим на ионы газом, запишется в молекулярном виде:

2K+ + S2- + 2H+  + 2Br = 2K+ + 2Br + H2S↑

Сократив одинаковые ионы получаем:

S2- + 2H+ = H2S↑

2) Для уравнения:

Na2CO3 + H2SO4 = Na2SO4 + H2O + CO2

В ионном виде запишутся Na2CO3, Na2SO4 как хорошо растворимые соли и H2SO4 как сильная кислота. Вода является малодиссоциирующим веществом, а CO2 и вовсе неэлектролит, поэтому их формулы будут записываться в молекулярном виде:

2Na+ + CO32- + 2H + + SO42- = 2Na+ + SO42 + H2O + CO2

CO32- + 2H + = H2O + CO2

3) для уравнения:

NH4NO3 + KOH = KNO3 + H2O + NH3

Молекулы воды и аммиака запишутся целиком, а NH4NO3, KNO3 и KOH запишутся в ионном виде , т.к. все нитраты являются хорошо растворимыми солями, а KOH является гидроксидом щелочного металла, т.е. сильным основанием:

NH4+ + NO3+ K+ + OH = K+ + NO3 + H2O + NH3

NH4+ + OH = H2O + NH3

Для уравнения:

Na2SO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + SO2

Полное и сокращенное уравнение будут иметь вид:

2Na+ + SO32- + 2H+ + 2Cl = 2Na+ + 2Cl + H2O + SO2

SO32- + 2H+ = H2O + SO2

 

При написании уравнений ионных реакций надо обязательно руководствоваться таблицей растворимости.
   Примеры реакций с выпадением осадков:
a)   Ba(OH)2 + H2SO4 = BaSO4↓ + 2H2O
Ba2+ + SO42- = BaSO4
б)  AgNO3 + KI = AgI↓ + KNO3
Ag+ + I = AgI↓
в) MgCl2 + 2KOH = Mg(OH)2↓ + 2KCl
      Mg2+ + 2OH = Mg(OH)2
г) 3Zn(CH3COO)2 + 2Na3PO4 = Zn3(PO4)2↓ + 6Na(CH3COO)
3Zn2+ + 2PO43- = Zn3(PO4)2
Обратите внимание, AgCO3, BaCO3 и CaCO3 ПРАКТИЧЕСКИ НЕРАСТВОРИМЫЕ В ВОДЕ И ВЫПАДАЮТ В ОСАДОК КАК ТАКОВЫЕ, НАПРИМЕР:
Ba(NO3)2 + K2CO3 = BaCO3↓ + 2KNO3
Ba2+ + CO32- = BaCO3
Соли остальных катионов, такие как MgCO3, CuCO3, FeCO3, ZnCO3  и другие, хотя и нерастворимые в воде, но не осаждаются из водного раствора при проведении ионных реакций (т.е. их нельзя получить этим способом).
Например карбонат железа (II) FeCO3, полученный «сухим путем» или взятый в виде минерала сидерит, при внесении в воду осаждается без видимого взаимодействия. Однако при попытке его получения по обменной реакции в растворе между FeSO4 и K2CO3 выпадает осадок основной соли (приведен условный состав, на практике состав более сложный) и выделяется углекислый газ:
2FeSO4 + H2O + 2Na2CO3 = 2Na2SO4 + Fe2CO3(OH)2↓ + CO2
2Fe2+ + H2O + 2CO32-  = Fe2CO3(OH)2↓ + CO2
Аналогично FeCO3, сульфид хрома (3) Cr2S3 (нерастворимый в воде) не осаждается из раствора:

2CrCl3 + 6H2O + 3Na2S = 6NaCl + 2Cr(OH)3↓ + 3H2S↑
2Cr3+ + 6H2O + 3S2- = 2Cr(OH)3↓ + 3H2S↑
Некоторые соли разлагаются водой – сульфид алюминия Al2S3 (а также BeS) и ацетат хрома(III) Cr(CH3COO)3:
а) Al2S3 + 6H2O = 2Al(OH)3↓ + 3H2S↑
б) Cr(CH3COO)3 + 2H2O= Cr(CH3COO)(OH)2↓ + 2CH3COOH
Следовательно, эти соли нельзя получить по обменной реакции в растворе:
а) 2AlCl3 + 6H2O +3K2S = 6KCl + 2Al(OH)3↓ +3H2S↑
2Al3+ + 6H2O + 3S2- = 2Al(OH)3↓ + 3H2S↑
б) CrCl3 + 2H2O + 3Na(CH3COO) =
3NaCl + Cr(CH3COO)(OH)2↓ + 2CH3COOH
Cr3+ + 2H2O + 3CH3COO=
Cr(CH3COO)(OH)2↓ + CH3COOH

Примеры реакций с выделением газа:
а) BaS + 2HCl = BaCl2 + H2S↑
S2- + 2H+ = H2S↑
б) Na2CO3 + H2SO4 = Na2SO4 + CO2↑ + H2O
CO32- + 2H+ = CO2↑+ H2O
в) CaCO3(T) + 2HNO3 = Ca(NO3)2 + CO2↑ + H2O
CaCO3(T) + 2H+ = Ca2+ + CO2↑ + H2O
   Примеры реакций с образованием слабых электролитов:
а) 3NaOH + H3PO4 = Na3PO4  + 3H2O
3OH + H3PO4 = PO43- + 3H2O
б) Mg(CH3COO)2 + H2SO4 = MgSO4 + 2CH3COOH
CH3COO + H+   = CH3COOH
в) NH4F + HBr = NH4Br + HF
F + H+ = HF
Если реагенты и продукты обменной реакции не являются сильными электролитам, ионный вид уравнения отсутствует, например:
Mg(OH)2(T) + 2HF = MgF2↓ + 2H2O

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Одноклассники

Комментарии: