Реакции ионного обмена
В данной статье мы познакомимся с реакциями ионного обмена, изучим их механизм и научимся составлять данные уравнения.
Как известно, многие химические реакции протекают в растворах, а это значит, что в них участвуют электролиты. Как мы знаем электролитами являются вещества, способные проводить электрический ток. Данные соединения диссоциируют на ионы в растворах. Таким образом, делаем вывод, что эти реакции протекают между ионами.
Особую роль в таких типах реакций играют реакции ионного обмена. Познакомимся подробнее с механизмом реакций ионного обмена на примере следующих экспериментов.
Осуществим реакции между растворами следующих соединений:
1) сульфат натрия и хлорид калия;
2) сульфат калия и нитрат бария;
3) сульфид калия и серная кислота;
4) гидроксид натрия и азотная кислота.
В первой реакции не будет наблюдаться существенных изменений. Во второй реакции мы увидим выпадение белого осадка. В третьей реакции будет наблюдаться выделение газа с запахом тухлых яиц. В четвертой реакции перед добавлением азотной кислоты добавим индикатор фенолфталеин, который станет в растворе гидроксида натрия малиновым. После добавления азотной кислоты раствор обесцветится и в результате взаимодействия данных соединений выделится теплота.
Составим уравнения данных реакций.
Первая реакция взаимодействия сульфата натрия и хлорида калия протекает по следующему уравнению:
Na2SO4 + 2KCI = 2NaCl + K2SO4
Данная реакция является молекулярным уравнением.
В этой реакции мы не увидели видимых изменений. Для выяснения причины составим полное ионное уравнение соответствующей реакции обмена:
2Na+ + SO42- + 2K+ + 2Cl— = 2Na+ + 2Cl— + 2K+ + SO42-
Как можно заметить, чтобы расписать диссоциацию вещества на ионы, необходимо соответствующий индекс в молекулярном уравнении перенести в коэффициент перед определенным веществом. Если коэффициент уже стоит в молекулярном уравнении, то нужно умножить соответствующий индекс на коэффициент и получится общий коэффициент числа ионов.
В таблице растворимости можно посмотреть, является ли данное вещество растворимым или нерастворимым. Растворимое вещество соответственно будет диссоциировать на ионы, а нерастворимое вещество является осадком, т.е. распадаться на ионы не будет.
Так как оба реагента представляют собой сильные электролиты, то они будут в растворе диссоциировать на ионы.
Путем сокращения подобных ионов в левой и правой частях уравнения все частицы уходят:
2Na+ + SO42- + 2K+ + 2Cl— = 2Na+ + 2Cl— + 2K+ + SO42-
Таким образом, данная реакция является обратимой реакцией обмена. В таком случае реакция идет не до конца.
На практике данные реакции не имеют смысла. Их проведение приносит трудности ввиду сложности управления такими реакциями. Уравнения таких реакций показывают следующим образом, зачеркивая знак равенства:
Na2SO4 + 2KCI
Во второй реакции мы наблюдали выпадение белого осадка. Объясним данное явление молекулярным уравнением реакции обмена:
Na2SO4 + BaCI2 = 2NaCI + BaSO4↓
Оба реагента в левой части уравнения, сульфат натрия и хлорид бария, являются растворимыми, а также представляют собой сильные электролиты, поэтому они диссоциируют на ионы.
В правой части уравнения хлорид натрия является сильным электролитом, а сульфат бария — нерастворимое вещество, осадок, следовательно он не диссоциирует на ионы.
Полное ионное уравнение выглядит следующим образом:
2Na+ + SO42- + Ba2+ + 2Cl— = 2Na+ + 2Cl— + BaSO4↓
Сократим подобные ионы в левой и правой частях уравнения:
2Na+ + SO42- + Ba2+ + 2Cl— = 2Na+ + 2Cl— + BaSO4↓
Получим следующее сокращенное (краткое) ионное уравнение реакции:
Ba2+ + SO42- = BaSO4↓
Так как в данной реакции выпадает белый осадок в виде сульфата бария BaSO4, реакция ионного обмена идет необратимо. В таком случае говорят, что реакция идет до конца.
В третьей реакции мы наблюдали выделение газа с запахом тухлых яиц — сероводорода. Разберем, как происходит данная реакция обмена.
Молекулярное уравнение выглядит следующим образом:
Na2S + 2HCl = 2NaCI + H2S↑
В левой стороне уравнения оба вещества, сульфид натрия и соляная кислота, являются сильными электролитами, поэтому они распадаются на ионы. В правой части уравнения распадается на ионы только хлорид натрия, являющийся электролитом, а газ сероводород не распадается на ионы, так как является неэлектролитом.
Следовательно, полное ионное уравнение реакции обмена выглядит так:
2Na+ + S2- + 2H+ + 2Cl— = 2Na+ + 2Cl— + H2S↑
Сокращаем подобные ионы в левой и правой частях уравнения:
2Na+ + S2- + 2H+ + 2Cl— = 2Na+ + 2Cl— + H2S↑
Получаем следующее сокращенное ионное уравнение:
2H+ + S2- = H2S↑
Делаем вывод, что данная реакция ионного обмена идет необратимо, т. е. до конца, потому что в результате реакции выделяется газ.
В четвертой реакции мы наблюдали изменение окраски индикатора фенолфталеина и выделение теплоты. Для данной реакции молекулярное уравнение выглядит следующим образом:
KOH + HCI = KCI + H2O + Q
В левой и правой частях уравнения все вещества, исключая воду, являются сильными электролитами, следовательно, они диссоциируют на ионы. Вода — это малодиссоциирующий электролит (степень ее диссоциации очень мала, составляет 1 молекулу из 55 млн.), поэтому распад воды мы не учитываем.
Получаем следующее полное ионное уравнение:
K+ + OH— + H+ + CI— = K+ + CI— + H2O + Q
Сокращаем подобные ионы в левой и правой частях уравнения реакции:
K+ + OH— + H+ + CI— = K+ + CI— + H2O + Q
Тогда сокращенное ионное уравнение выглядит следующим образом:
H+ + OH— = H2O + Q
Делаем вывод, что данная реакция ионного обмена идет необратимо, т.е. до конца, потому что образуется вода — малодиссоциирующее вещество.
Реакция взаимодействия кислот и щелочей называется реакцией нейтрализации.
Есть одно интересное примечание: какие бы кислоту и щелочь ни взять, тепловой эффект реакции нейтрализации всегда практически один и тот же: 57 кДж (если на 1 моль щелочи приходится соответствующее количество кислоты). Выходит, что кислот и щелочей много, но реакция нейтрализации по сути всегда одна и та же.
К примеру, при проведении похожего опыта между гидроксидом натрия и азотной кислотой, сокращенное ионное уравнение выглядит таким же образом, как в случае реакции нейтрализации между гидроксидом калия и соляной кислотой:
H+ + OH— = H2O + Q
Следовательно, реакция нейтрализации не зависит от природы катиона основания или аниона кислоты, потому что данный тип реакций всегда приводит к взаимодействию катионов водорода Н+ и гидроксид-анионов ОН—. При этом тепловой эффект всех этих реакций одинаков.
Реакции между ионами называются ионными реакциями, а уравнения таких реакций — ионными уравнениями.
Для составления ионных уравнений придерживаются следующих правил:
- Формулы электролитов в ионных уравнениях расписывают в виде ионов (например, Ba2+ и NO3—).
- Формулы малодиссоциирующих нерастворимых, газообразных веществ пишутся в молекулярном виде (например, Al(ОН)3, SO3, H2O).
- Если вещество выпадает в осадок, то рядом с его формулой ставят знак (↓) (например, BaSO4).
- Если вещество выделяется в виде газа, то рядом с его формулой ставят знак (↑) (например, СО2 ↑).
Таким образом, сделаем главные выводы по данной теме:
Реакции в растворах электролитов происходят между ионами.
Реакции обмена идут необратимо только в том случае, если образуется осадок, газ или малодиссоциирующее вещество — вода.
Разберем несколько примеров написания молекулярных, полных и сокращенных ионных уравнений реакций.
Пример 1. Реакция взаимодействия между растворами хлорида кальция и нитрата натрия.
Решение. Молекулярное уравнение данной реакции выглядит следующим образом:
CaCl2 + 2NaNO3 = Ca(NO3)2 + 2NaCl
Составляем полное ионное уравнение:
Ca2+ + 2Cl— + 2Na+ + 2NO3— = Ca+ + 2NO3— + 2Na+ + 2Cl—
Сокращаем подобные частицы и видим, что все ионы сокращаются:
Ca2+ + 2Cl— + 2Na+ + 2NO3— = Ca+ + 2NO3— + 2Na+ + 2Cl—
Следовательно, данная реакция ионного обмена не осуществима, т.е. она является обратимой:
CaCl2 + 2NaNO3
Пример 2. Реакция взаимодействия между растворами гидроксида калия и сульфата алюминия.
Решение. Молекулярное уравнение выглядит следующим образом:
6КОН + Al2(SO4)3 = 3K2SO4 + 2Al(OH)3↓
Записываем полное ионное уравнение:
6К+ + 6ОН— + 2Al3+ + 3SO42- = 6K+ + 3SO42- + 2Al(OH)3↓
Сокращаем подобные ионы:
6К+ + 6ОН— + 2Al3+ + 3SO42- = 6K+ + 3SO42- + 2Al(OH)3↓
Получаем сокращенное ионное уравнение:
2Al3+ + 6ОН— = 2Al(OH)3↓
Пример 3. Реакция взаимодействия между растворами карбоната натрия и сернистой кислоты.
Решение. Молекулярное уравнение выглядит следующим образом:
Na2CO3 + H2SO3 = Na2SO3 + H2O + CO2↑
Полное ионное уравнение выглядит следующим образом:
2Na+ + CO32- + 2H+ + SO32- = 2Na + SO32- + H2O + CO2↑
Сокращаем подобные ионы:
2Na+ + CO32- + 2H+ + SO32— = 2Na+ + SO32- + H2O + CO2↑
Получаем сокращенное ионное уравнение:
2H+ + CO32-= H2O + CO2↑
Задания для самопроверки:
Задание 1
Реакция ионного обмена идет до конца при взаимодействии:
A) хлорида бария и йодида лития
B) нитрата олова (II) и хлорида цинка
C) карбоната натрия и сернистой кислоты
D) сульфата железа (III) и нитрата марганца (II)
Е) нитрита калия и сульфита лития
Задание 2
Сумма всех коэффициентов полного ионного уравнения взаимодействия оксида серы (VI) и гидроксида натрия, если образуется средняя соль:
A) 9
B) 6
C) 10
D) 8
Е) 7
Задание 3
Реакция ионного обмена, идущая до конца:
A) NaOH + LiCl → NaCl + LiOH
B) AgNO3 + KF → AgF + KNO3
С) Na2CO3 + 2NH4OH → (NH4)2CO3 + 2NaOH
D) Li2CO3 + Ca(NO3)2 → CaCO3 + 2LiNO3
Е) NaNO2 + LiOH → NaOH + LiNO2
Задание 4
Общая сумма коэффициентов в ионном полном уравнении реакции взаимодействия фосфата натрия и нитрата серебра составляет:
A) 16
B) 22
C) 13
D) 17
Е) 20
Задание 5
Реакция ионного обмена, идущая до конца:
A) LiOH + HNO3 → LiNO3 + H2O
B) NaNO2 + KI → NaI + KNO2
C) Zn + 2HBr → ZnBr2 + H2
D) Na2SO3 + 2NH4OH → (NH4)2SO3 + 2NaOH
Е) CaCO3 → CaO + CO2
Ответы:
1 – C, 2 – A, 3 – D, 4 – D, 5 – A.
Загрузка...