Реакции ионного обмена

На этой странице вы узнаете

• Кто такие диполи, и зачем они окружают молекулы?
• Какой стишок позволит вам запомнить пятерку сульфидов нерастворимых в кислотах?
• Можно ли приготовить кашу из известкового молока?

В детстве многие из нас обменивались фантиками, наклейками, фигурками и другими приятными мелочами. Оказывается, в химии вещества тоже любят чем-то обмениваться. Давайте разберемся, как это происходит!

Как и почему вещества растворяются в растворителе?

Чтобы лучше разобраться в этой теме, нужно вспомнить, что же такое растворение.

Растворение — физико-химический процесс, при котором происходит диссоциация (распад) вещества и взаимодействие образовавшихся частиц с молекулами растворителя.

Растворение связано также с такими понятием, как электролитическая диссоциация. 

Электролитическая диссоциация — это процесс распада вещества на ионы, то есть заряженные частицы, в растворе или расплаве.

Мы уже узнали, что в ходе электролитической диссоциации образуются ионы. Но как понять, на какие ионы разложится вещество? Для этого посмотрим в таблице растворимости, какие анионы и катионы составляют указанное соединение. В строчке сверху записаны катионы (обозначены в таблице голубым цветом), а в столбце слева — анионы (обозначены розовым цветом).

А подробнее изучить данную тему можно с помощью другой нашей статьи «Электролитическая диссоциация».

Электролитическая диссоциация является важным процессом, изучая который мы можем описывать и предсказывать течение реакций ионного обмена.

Реакции ионного обмена (РИО) — это реакции, которые протекают между ионами в растворе электролитов.

С процессами растворения мы сталкиваемся в обычной жизни постоянно. Например, чтобы сварить пельмени, мы прежде растворяем соль в воде. А задумывались ли вы, что же происходит с молекулой поваренной соли (NaCl) в воде? Куда она «исчезает»?

В молекуле хлорида натрия ионный тип химической связи, то есть атомы притягиваются друг к другу за счет разных по знаку зарядов. Если вы забыли, какие существуют типы связей, то о них можно прочесть в статье «Химическая связь». Атом натрия отдает свой электрон хлору, заряжаясь положительно, соответственно, атом хлора становится отрицательно заряженным. Растворяемый в воде хлорид натрия оказывается в среде полярного растворителя, иначе говоря, мы «обогащаем» жидкость заряженными частицами, а именно: катионами натрия (Na⁺) и анионами хлора (Cl^—). 

Полярный растворитель — это жидкое при нормальных условиях (н. у.) вещество, в молекуле которого присутствует атом очень электроотрицательного элемента (F, O, N, Cl, Br). 

Полярными растворителями являются, например, вода, метанол, уксусная кислота и т.д. Их молекулы можно представить в виде диполей. 

Кто такие диполи, и зачем они окружают молекулы? Диполь — это частица, которая с одной стороны имеет положительный заряд, а с другой — отрицательный. Так как диполь воды, например, имеет два противоположных заряда, то он окружает другие заряженные частицы (катионы и анионы), притягиваясь к ним.

Анион хлора окружает себя молекулами воды, которые повернуты к нему своим положительным зарядом. Натрий, в свою очередь, притягивает к себе диполи воды их отрицательно заряженной частью. Так и происходит процесс растворения соли в воде.

Мы познакомились с сутью процесса растворения, который всегда сопровождает любую реакцию ионного обмена. Теперь необходимо выяснить, когда эта реакция может протекать, а когда нет.

Условия протекания РИО

Не все вещества способны реагировать друг с другом и вступать в РИО. Для протекания реакции должны выполняться определенные условия как для реагентов, так и для продуктов. 

I. Условия для реагентов

Давайте сначала познакомимся с основным условием для реагентов: реагенты в большинстве случаев должны быть растворимы (Р + Р).
Запомнить это условие протекания реакции нам поможет рычание тигрицы (длинный угрожающий звук «ррр»).

Традиционно правило не обошлось без исключений. 

В мире есть люди, которые любят нарушать правила и все делать наоборот. Вот и в химии есть одна бунтарская компания, которая не хочет следовать этим правилам.

Исключения:

1. Кислоты способны вступать в реакцию с малорастворимыми и с некоторыми нерастворимыми солями, кроме пятерки сульфидов: Ag₂S, PbS, CuS, CdS, HgS.

Ba(NO₃)₂ + H₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2HNO₃
FeS + 2HCl → FeCl₂ + H₂S↑
CuS + H₂SO₄ → реакция не идет

Но и на это правило нашлось исключение: соли все той же пятерки металлов (меди, серебра, ртути, кадмия и свинца) способны реагировать со слабой сероводородной кислотой. 

Почему? В результате таких реакций образуется нерастворимая соль, которая не реагирует с образовавшейся кислотой.

Cu(NO₃)₂ + H₂S → CuS↓ + 2HNO₃
Fe(NO₃)₂ + H₂S → реакция не идет, так как образующийся
сульфид железа(II) реагирует с образующейся азотной кислотой.

Такая вот вышла «матрешка» исключений.

Какой стишок позволит вам запомнить пятерку сульфидов, нерастворимых в кислотах? Чтобы было легче запоминать эту пятерку исключений, существует стишок: «Серебро, свинец и медь — все мечтают почернеть,Тут и кадмий, тут и ртуть, H2S готов нагнуть».

2. Кислота должна быть растворимой, а гидроксид (не кислотный) может быть любым.

Cu(OH)₂ + 2HCl → CuCl₂ + H₂O
Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O
Cu(OH)₂ + H₂SiO₃ → реакция не протекает

3. Если кислота нерастворима, то она может реагировать только со щелочами.

H₂SiO₃ + 2KOH → K₂SiO₃ + 2H₂O

II. Условия для продуктов

Мы рассмотрели условия для реагентов, теперь рассмотрим условия для продуктов реакции. 

1. Выделяется газ или образуется неустойчивое вещество, которое разлагается с образованием газа (H₂CO₃ = H₂O + CO₂↑, H₂SO₃ = H₂O + SO₂↑, NH₃·H₂O = NH₃↑ + H₂O).

ZnS + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂S↑
Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑

2. Выпадает осадок или образуется неустойчивое вещество, которое разлагается с образованием осадка (2AgOH = Ag₂O↓ + H₂O, Hg(OH)₂ = HgO↓ + H₂O). 

AgNО₃ + КВr → АgВr↓ + КNО₃
2AgF + 2KOH → 2KF + Ag₂O↓ + H₂O

3. Образуется вода или слабая кислота.

NaHCO₃ + NaOH → Na₂CO₃ + H₂O

В принципе, ничего сложного, осталось только запомнить. Чтобы было проще это сделать, взглянем на обобщенную схему условий протекания РИО для реагентов и продуктов:

Мы научились определять, из каких ионов состоят вещества, а также изучили условия протекания РИО. Приступаем к самому интересному — к составлению ионных уравнений.

Молекулярное и ионные уравнения

Для начала давайте познакомимся с новыми понятиями.

Молекулярное уравнение — уравнение, включающее в себя незаряженные атомы и/или молекулы: 

HCl + NaOH → NaCl + H₂O.

Полное ионное уравнение — уравнение, включающее в себя заряженные ионы, которые образовались при диссоциации: 

H⁺ + Cl^– + Na⁺ + OH^– → Na⁺ + Cl^– + H₂O.

Сокращенное ионное уравнение — уравнение, которое получается путем сокращения одинаковых ионов в правой и левой частях полного ионного уравнения: 

H⁺ + OH^– → H₂O.

С помощью ионных уравнений на примере реакции соляной кислоты с гидроксидом натрия мы можем увидеть, что катионы натрия (Na⁺) и анионы хлора (Cl^–) не участвуют в химической реакции, а, растворяясь, просто «плавают» в воде.

При составлении полного и сокращенного ионных уравнений на ионы мы расписываем сильные кислоты, растворимые соли и растворимые основания (кроме NH₃·H₂O). Вспомнить написание уравнений реакций диссоциации вы можете в нашей статье «Электролитическая диссоциация».

Обратите внимание, что малорастворимые соединения, такие как Ca(OH)₂ и Sr(OH)₂, в левой части уравнения мы расписываем, а в правой части не расписываем:

Sr²⁺ + 2OH^– → Sr(OH)₂
Ca²⁺ + 2OH^– → Ca(OH)₂

Можно ли приготовить кашу из известкового молока? Известковое молоко внешне выглядит как суспензия белого порошка. А это по цвету очень напоминает привычное нам молоко. Однако прилагательное «известковое» дает нам понять, что этот раствор содержит соединение кальция. Речь не о какой-нибудь соли, а о малорастворимом гидроксиде кальция (Ca(OH)2), который проявляет щелочные свойства. При растворении его в воде действительно образуется жидкость белого цвета, однако она чаще всего применяется для побелки поверхностей. Так что ни о какой каше речи быть не может, ведь с этим веществом можно работать только в перчатках.

Чтобы структурировать все полученные знания, давайте составим план, по которому мы будем выполнять задание второй части ЕГЭ на тему «Реакции ионного обмена»:

1. В списке веществ находим два вещества, между которыми будет протекать реакция ионного обмена, описанная в задании.
   Не забывайте про исключения!

2. Записываем уравнение реакции в молекулярном виде.
   Не забывайте уравнивать реакцию! Вспомнить, как уравниваются реакции, можно в нашей статье «Химическая реакция».

3. Записываем полное ионное уравнение, расписывая на ионы все вещества, которые диссоциируют.
   Не забывайте писать над ионами заряды (Ca²⁺), а не степени окисления (Ca⁺²)!

4. Записываем сокращенное ионное уравнение, подчеркивая и убирая все одинаковые ионы из левой и правой частей полного ионного уравнения.
   Не забывайте сокращать коэффициенты!

Предлагаем решить аналог задания №30 ЕГЭ по химии по этому плану.

Задание. Из предложенного перечня веществ выберите соль и вещество, между которыми протекает реакция ионного обмена без выпадения осадка. Запишите молекулярное, полное и сокращенное ионные уравнения реакции с использованием выбранных веществ.

Для выполнения задания используйте следующий перечень веществ: серная кислота, сульфит натрия, хлорид бария, гидросульфат лития, иод. Допустимо использование водных растворов веществ.

Решение:
Серная кислота, сульфит натрия, хлорид бария, гидросульфат лития — электролиты; иод — не электролит. Переберем возможные вариантыреакций.

— Серная кислота реагирует с сульфитом натрия, при этом выпадение осадка не наблюдается. Эта реакция удовлетворяет условию.
H₂SO₄ + Na₂SO₃ → H₂O + SO₂↑ + Na₂SO₄

— Серная кислота реагирует с хлоридом бария с образованием осадка, что не удовлетворяет условию.
H₂SO₄ + BaCl₂ → 2HCl + BaSO₄↓

— Серная кислота не реагирует с гидросульфатом лития, так как не образуется газ, осадок или слабый электролит.

— Сульфит натрия реагирует с хлоридом бария с образованием осадка, что не удовлетворяет условию.
Na₂SO₃ + BaCl₂ → BaSO₃↓ + 2NaCl

— Сульфит натрия не реагирует с гидросульфитом лития, так как не образуется газ, осадок или слабый электролит.

— Хлорид бария не реагирует с гидросульфатом лития, так как не образуется газ, осадок или слабый электролит.

Ответ:
Молекулярное уравнение: H₂SO₄ + Na₂SO₃ → H₂O + SO₂ +Na₂SO₄
Полное ионное уравнение: 2H⁺ + SO₄^2– + 2Na⁺ + SO₃^2– → H₂O + SO₂ + 2Na⁺ + SO₄^2–
Сокращенное ионное уравнение: 2H⁺ + SO₃^2– → H₂O + SO₂ 

Реакции ионного обмена можно не только расписывать на ионы, но и наоборот восстанавливать с помощью ионных уравнений. 

Подбор реагентов для возможного уравнения реакции можно сравнить с работой детектива, который, опираясь на улики (а в нашем случае это будут ионы), делает свои выводы и по крупицам воссоздает момент преступления (реакцию ионного обмена).

Попробуем восстановить реакцию ионного обмена по следующему сокращенному ионному уравнению:

3Ca²⁺ + 2PO₄^3– → Ca₃(PO₄)₂

Наличие катиона кальция и фосфат-аниона в левой части уравнения говорит о том, что в качестве реагентов у нас два растворимых соединения. Обратившись к таблице растворимости, мы видим, что выбрать в качестве реагентов мы можем несколько веществ.

Возьмем, например, в качестве реагентов хлорид кальция и фосфат калия.

3CaCl₂ + 2K₃PO₄ → Ca₃(PO₄)₂↓ + 6KCl
3Ca²⁺ + 6Cl^– + 6K⁺ + 2PO₄^3– → Ca₃(PO₄)₂↓ + 6K⁺ + 6Cl^–
3Ca²⁺ + 2PO₄^3– → Ca₃(PO₄)₂↓ 

Ура! Мы верно выполнили задание. Обратите внимание, что взять гидроксид кальция и фосфорную кислоту мы не можем, так как в таком случае в ионном уравнении будут вода и слабая фосфорная кислота:

3Ca(OH)₂ + 2H₃PO₄ → Ca₃(PO₄)₂↓ + 6H₂O
3Ca²⁺ + 6OH^– + 2H₃PO₄ → Ca₃(PO₄)₂↓ + 6H₂O

Вариантов решения этого задания много, поэтому выбор веществ должен быть ограниченным.

Предлагаем решить пример задания №14 ОГЭ по химии.

Задание. Выберите два исходных вещества, взаимодействию которых соответствует сокращенное ионное уравнение реакции.

Ca²⁺ + CO₃^2– → CaCO₃

1) хлорид кальция и карбонат натрия
2) фосфат кальция и угольная кислота
3) оксид кальция и оксид углерода
4) хлорид кальция и карбонат бария
5) бромид кальция и карбонат лития
6) карбонат кальция и угольная кислота

Решение:
1) Этот вариант ответа подходит.
CaCl₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2NaCl
Ca²⁺ + 2Cl^– + 2Na⁺ + CO₃^2– → CaCO₃↓ + 2Na⁺ + 2Cl^– 
Ca²⁺ + CO₃^2– → CaCO₃↓

2) Реакция не протекает, так как фосфат кальция является осадком и может растворяться только в сильных кислотах.

3) Этот вариант ответа не подходит, так как оксиды не являются электролитами и не расписываются на ионы.
CaO + CO₂ → CaCO₃↓

4) Реакция не протекает, так как карбонат бария является осадком и может растворяться только в сильных кислотах.

5) Этот вариант ответа подходит.
CaBr₂ + Li₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2LiBr
Ca²⁺ + 2Br^– + 2Li⁺ + CO₃^2– → CaCO₃↓ + 2Li⁺ + 2Br^–
Ca²⁺ + CO₃^2– → CaCO₃↓

6) Сокращенное ионное уравнение не соответствует заданию.
CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂
CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca²⁺ + 2HCO₃^–
CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca²⁺ + 2HCO₃^–

Ответ: 15.

Тема «Реакции ионного обмена» является очень важной для понимания протекания многих процессов в химии. Безусловно, мы разобрали много фундаментальных понятий, без которых не стоит приступать к изучению химических свойств различных классов неорганических соединений. Поэтому, если вам удалось разобраться в этой теме, вы смело можете отнести себя к химику из мема ниже, а также прочесть следующую немаловажную статью о реакциях, противоположных реакциям ионного обмена: «Окислительно-восстановительные реакции».

Термины

Ионы — положительно или отрицательно заряженные частицы, образованные из атомов путем присоединения или отдачи электронов.

Степень окисления — это условный заряд атома элемента, вычисленный на основе предположения, что все связи в данном соединении являются ионными (показывает, сколько электронов атом «притянул» или, наоборот, «отдал» при образовании химической связи).

Фактчек

• Реакции ионного обмена — это реакции, которые протекают между ионами в растворе электролитов без изменения степеней окисления.
• При электролитической диссоциации на ионы расписываются только сильные кислоты, растворимые соли и растворимые основания (кроме NH₃·H₂O).
• Для протекания РИО реагенты должны быть растворимы (кроме нескольких исключений), а в продуктах должен быть газ, осадок, вода или слабая кислота.
• Ионные уравнения нам нужны для того, чтобы понимать, какие ионы взаимодействуют друг с другом, а какие просто присутствуют в растворе и не расходуются в химической реакции.
• В ионных уравнениях необходимо указывать заряд иона (сначала число, затем знак), а не степень окисления (сначала знак, затем число).

Проверь себя

Задание 1.
Какое утверждение о реакциях ионного обмена неверно?

1. Реакции ионного обмена можно записать в виде ионных уравнений.
2. Реакции ионного обмена не могут протекать между простыми веществами.
3. Реакции ионного обмена являются окислительно-восстановительными.
4. Реакции ионного обмена могут протекать не только между растворимыми в воде веществами.

Задание 2.
Взаимодействию каких веществ соответствует сокращенное ионное уравнение
H⁺ + OH^– → H₂O?

1. соляная кислота и гидроксид железа(II)
2. хлорная кислота и гидроксид калия
3. кремниевая кислота и гидроксид натрия
4. сероводород и гидроксид меди(II)

Задание 3.
В каком из вариантов ответа представлены ионы, образующиеся при диссоциации сульфата железа(III)?

1. SO₄^2–, Fe²⁺
2. SO₃^2–, Fe³⁺
3. SO₄^–, Fe³⁺
4. SO₄^2–, Fe³⁺

Задание 4.
Между какими веществами протекает реакция ионного обмена?

1. карбонат бария и сульфат натрия
2. кремниевая кислота и гидроксид бериллия
3. гидроксид меди(II) и соляная кислота
4. сульфид серебра(I) и хлороводород

Ответы: 1. — 3; 2. — 2; 3. — 4; 4. — 3.