1.4.6. Реакции ионного обмена.

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 + Na2Sне 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 требования 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 осадок 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 с 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

Комментариев 27
  1. Сергей Широкопояс

    вам для каких целей?

  2. Наталья

    Скажите, пожалуйста, фосфорная кислота в реакциях ионного обмена рассматривается как сильная, или как слабая? Ее на ионы расписывать или нет?

    • Сергей Широкопояс

      можно как расписывать по первой ступени, так и не расписывать вообще. Оба варианта с позиции разработчиков ФИПИ правильны. По этой причине фосфорную кислоту в 31 задании навряд ли встретим.

  3. Ирина

    Если сможете, подскажите, пожалуйста, какое решение ожидается от ученика в таком задании:
    «Краткое ионное уравнение Н+ + ОН- = Н2О отвечает взаимодействию веществ:
    1) Н2СО3 и КОН
    2) Н3РО4 и Fe(OH)2
    3) HCl и KOH
    4) HCl и Fe(OH)3»
    Вопрос по пункту 1- угольная кислота и гидроксид калия. По сути, это реакция нейтрализации. И как бы краткое ионное уравнение как раз об этом. Но, раз мы не расписываем угольную кислоту на катион и анион, ибо это слабый электролит, то, получается, что не подходит?

    • Соавтор проекта Борисов И.С.

      Добрый день! В сокращенном ионном уравнении частица Н(+) может появиться только при диссоциации сильной кислоты, а ОН(-) — сильного основания. Из представленных вариантов ответа комбинация сильной кислоты и основания есть только в пункте 3).

  4. Яна

    Здравствуйте!
    Образование ортофосфорной кислоты в результате реакции ионного обмена является же признаком реакции?
    Заранее спасибо!

    • Соавтор проекта Борисов И.С.

      Да, вполне. Образование слабого электролита способствует прохождению ионного обмена.

  5. Александр

    Добрый день,можно считать реакции оксид+щелочь или кислота реакциями ионного обмена?если нет то почему?

    • Соавтор проекта Борисов И.С.

      Добрый! В рамках ЕГЭ считаем ионным обменом реакции между электролитами. Оксиды к электролитам не относятся, поэтому приведенный пример к ионному обмену не отнесем.

  6. Александр

    А как же оксиды металлов с ионной связью?неэлектролиты?

    • Соавтор проекта Борисов И.С.

      Электролиты в рамках ЕГЭ — соли, кислоты, основания. Оксиды к ним не относятся.

  7. Таня

    Добрый вечер! А H2S не сможет прореагировать с К3PO4, по той причине, что H2S слабее, верно?)

    • Соавтор проекта Борисов И.С.

      Добрый день! Да, считаем, что так.

  8. Татьяна

    Доброе утро! Скажите, пожалуйста, мы можем сказать, что кислород из BaO, является анионом?

    • Соавтор проекта Борисов И.С.

      Добрый день! Очевидно, что в кристаллической решетке оксида бария такой ион существует. Для целей ионного обмена в растворе оксиды, если что, не берем.

  9. Татьяна

    Добрый вечер! Скажите, пожалуйста, если сокращенное ионное уравнение полностью похоже на полное ионное уравнение, то нужно записать такую фразу «сокращенное ионное уравнение похоже на полное ионное уравнение», а без этой фразы не засчитают сокращенное уравнение?

    • Соавтор проекта Борисов И.С.

      Добрый день! Проще переписать его еще раз и не думать, прочитают ли фразу и как поймут.

      • Татьяна

        Хорошо, а если написать только молекулярное уравнение и полное ионное (которое будет совпадать с сокращенным ионным), а сокращенное ионное уравнение не писать, то за такое задание будет только 1 балл из 2?

        • Соавтор проекта Борисов И.С.

          Да, вероятно. Человек никак не обозначил, что с сокращенным. Значит, не знает, как делать. Балл можно снять.

  10. Данил

    Здравствуйте!
    Уточните, пожалуйста, при взаимодействии растворимых солей каких двухвалентных металлов (для ЕГЭ) с растворимыми карбонатами/сульфитами будут образовываться оснОвные соли?
    Как, например, в реакции:
    2CuSO4+2Na2CO3+H2O= (CuOH)2CO3+CO2+2Na2SO4.
    И почему в данном случае нельзя написать просто образование осадка CuCO3?(в ЕГЭ-шной таблице растворимости карбонат меди(II)нерастворим)

    • Соавтор проекта Борисов И.С.

      Добрый день! Вопросов об этом в рамках ЕГЭ, а также просьбы записать подобную реакцию, не будет.

  11. Алёна

    Добрый день! Реакция фосфата натрия с йодоводородной кислотой осуществима?

    • Соавтор проекта Борисов И.С.

      Добрый день! Да, вполне.

  12. Лисёк

    Здравствуйте, сульфат кальция будет распадаться на ионы?

    • Соавтор проекта Борисов И.С.

      Добрый день! Считаем осадком, поэтому расписывать не будем.

  13. Татьяна

    Здравствуйте, подскажите пожалуйста, в ионном уравнении сульфат цинка с раствором аммиака правильнее записать NH3 * H2O или NH3 +H2O? И конечно не расписываем на ионы?

    • Соавтор проекта Борисов И.С.

      Добрый день! Лучше аммиак + вода.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.