РЕАКЦИИ ИОННОГО ОБМЕНА

Наличие зарядов на частицах вещества (ионах) придают им высокую химическую активность. При смешивании растворов различных электролитов находящиеся в них ионы противоположного заряда могут ассоциировать в молекулы, комплексы или кристаллы нового вещества. Реакции, заключающиеся в обмене ионами между различными электролитами, называются реакциями ионного обмена, например,

FeCl₃ + 3KOH = Fe(OH)₃ + 3KCl или HCl + NaOH = NaCl + H₂O.

Отличительной чертой обменных реакций является сохранение элементами всех веществ степеней окисления. Эти реакции протекают с высокими скоростями.

При обменных взаимодействиях в растворах электролитов равновесие смещается в сторону образования трудно растворимых, газообразных или малодиссоциирующих веществ. Такие реакции протекают практически до конца.

В тех случаях, когда слабые электролиты (или малорастворимые вещества) имеются как среди исходных веществ, так и среди продуктов реакции, равновесие реакции смещается в сторону образования наименее диссоциированных (растворимых) веществ.

Так, при взаимодействии слабой кислоты СН₃СООН и сильного основания КОН СН₃СООН + КОН = СН₃СООК + Н₂О в реакции участвуют два слабых электролита - СН₃СООН и H₂O. При этом равновесие оказывается сильно смещенным в сторону образования более слабого электролита – воды константа диссоциации которой (1,8^.10^–16) значительно меньше константы диссоциации уксусной кислоты (1,8^.10^–5). Однако до конца такая реакция протекать не будет.

Сущность протекающих процессов наиболее полно выражается при записи их в форме ионно-молекулярных уравнений. В таких уравнениях слабые электролиты, мало растворимые соединения и газы записываются в молекулярной форме, а находящиеся в растворе сильные электролиты – в виде составляющих их ионов. Различают полное и сокращённое ионно-молекулярные уравнения. В первом указаны ионы и молекулы всех участвующих в реакции веществ, во втором частицы, образующие слабо диссоциирующее вещество. Например, реакция нейтрализации сильной кислоты сильным основанием HCl + NaOH = NaCl + H₂O выражается соответствующими полным H⁺ + Cl⁻ +Na⁺ + OH⁻ = Na⁺ + Cl⁻ + H₂O. Сократив из него формулы одинаковых ионов, получаем сокращённое ионно-молеку-лярное уравнение: Н⁺ + ОН^– = H₂O.

При составлении ионно-молекулярных уравнений следует учитывать, что трудно растворимыми веществами и слабыми электролитами могут быть как продукты реакции, так и реагенты.

ПРИМЕР 3

Составьте уравнения реакций (в молекулярной и ионно-молекулярной формах), происходящих в растворах между веществами:

а) CaCO₃ и HCl;

б) NaNO₂ и H₂SO₄;

в) BaCl₂ и K₂SO₄.

Объясните для каждого случая, образование какого вещества обусловливает протекание реакции.

РЕШЕНИЕ.

Составляем уравнения реакций в молекулярной форме.

а) CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂↑;

б) 2NaNO₂ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + 2HNO₂;

в) BaCl₂ + K₂SO₄ = BaSO₄↓ + 2KCl.

При составлении уравнений в ионно-молекулярной полной форме следует придерживаться правила: сильные и растворимые электролиты указывают в виде ионов – продуктов их диссоциации, а газообразные, трудно растворимые вещества, слабые электролиты - в молекулярной форме. После чего, сократив из уравнения формулы одинаковых ионов, получаем сокращённое ионно-молекулярное уравнение.

Учитывая трудно растворимые, газообразные или малодиссоциирующих вещества (СО₂ – газ, Н₂О, HNO₂ – слабые электролиты, BaSO₄ – трудно растворимое соединение) в реакциях, составляем уравнения реакций в полной и сокращённой ионно-молекулярных формах.

а) Ca²⁺ + CO₃²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ = Ca²⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + CO₂↑

CO₃²⁻ + 2H⁺ = H₂O + CO₂↑

б) 2Na⁺ + 2NO₂⁻ + 2H⁺ + SO₄²⁻ = 2Na⁺ + SO₄²⁻ + 2HNO₂

2H⁺ + 2NO₂⁻ = 2HNO₂ или H⁺ + NO₂⁻ = HNO₂

в) Ba²⁺ + 2Cl ⁻ + 2K⁺ + SO₄^{2 −} = BaSO₄↓ + 2K⁺ + 2Cl ⁻

Ba²⁺ + SO₄^{2 −} = BaSO₄↓

Протекание приведённых реакций практически до конца обусловлено образованием трудно растворимого (BaSO₄), газообразного (СО₂), малодиссоциирующих веществ (Н₂О, HNO₂).

ПРИМЕР 4

Составьте молекулярные уравнения реакций, которым соответствуют следующие ионно-молекулярные уравнения.

а) Mg²⁺ + CO₃²⁻ = MgCO₃↓;

б) Cu²⁺ + H₂S = CuS↓ + 2H⁺.

РЕШЕНИЕ.

Для составления уравнения реакции ионного обмена в молекулярной форме необходимо каждому иону из сокращённого ионно-молекулярного уравнения подобрать противоположный по знаку ион, с которым он составлял бы сильный и растворимый электролит.

Приведённым ионно-молекулярным уравнениям могут соответствовать следующие молекулярные уравнения:

а) Mg(NO₃)₂ + Na₂CO₃ = MgCO₃↓ + 2NaNO₃ или

MgCl₂ + K₂CO₃ = MgCO₃↓ + 2KCl

б) CuSO₄ + H₂S = CuS↓ + H₂SO₄ или

Cu(NO₃)₂ + H₂S = CuS↓ + 2HNO₃