Первые химические преобразования, которые мы рассмотрим – это реакции ионного обмена (РИО).

Реакция ионного обмена (РИО) – это реакции, протекающие между растворами электролитов. В хоте этих реакций электролиты обмениваются ионами:

Почему вдруг электролиты решают обменяться своими ионами? Чтобы это произошло, нужно, чтобы образовался газ, осадок (нерастворимое вещество) или же просто слабый электролит.

Если слить вместе раствор хлорида калия и раствор нитрата серебра:

В одном растворе одновременно оказываются четыре иона: K + , Cl – , Ag + , NO 3 – . Ионы не могут находиться в одном растворе (см. таблицу растворимости: AgCl – нерастворимое вещество):

Ag + + Cl – → AgCl↓

Поэтому реакция идет до конца.

«Обычная» запись уравнения:

Называется уравнением в молекулярном виде . Так как записываются формулы молекул, не обозначаются взаимодействия ионов.

А вот если мы распишем каждый электролит в ионном виде (что более точно отображает действительность, ведь именно в виде отдельных ионов электролиты существуют в растворе):

Мы получим полное ионное уравнение . Оно отражает, что происходит с ионами в ходе реакции. Какие ионы объединяются, какие остаются в свободном виде в растворе.

А если мы запишем отдельно процесс того, как ионы «не ужились» в растворе и объединились:

А вот если добавить к раствору NaCl раствор CuSO 4:

Нет ионов, которые могут образовать осадок, газ или слабый электролит: ионы остаются неизмененном виде в растворе. Реакция не может пройти до конца.

Всего три условия протекания реакции ионного обмена до конца:

1. Образование осадка
2. Выделение газа
3. Образование слабого электролита

Берем любые два электролита: если соблюдается одно из этих условий – значит реакция между ними протекает.

Разберем примеры .

1. Образование осадка.

Например, взаимодействие сульфата калия и хлорида бария.

1. Выделение газа.

Газом может быть, например, сульфид водорода (чаще его называют сероводородом) – H 2 S. Водный раствор этой кислоты вам уже знаком, под названием сероводородная кислота. Когда H 2 S образуется в результате реакции – то он не успевает растворяться и выделяется в виде газа.

1. Образование слабого электролита.

Ни газ, ни осадок, а просто слабодиссоциирующее вещество – слабый электролит. Таким слабым электролитом может быть слабая кислота или вода.

Золотая пятерка неожиданных продуктов.

1. Гидроксид серебра (AgOH)

Что образуется при взаимодействии нитрата серебра и гидроксида натрия?

Смотрим в таблицу растворимости: и видим, что гидроксид серебра не существует (прочерк «–» в квадратике)

Оксид серебра (Ag 2 O) – это осадок – нерастворимое вещество.

1. Гидроксид ртути (II) (Hg(OH) 2)

Та же история, что и с гидроксидом серебра.

Оксид ртути (HgO) – это тоже нерастворимое вещество (осадок).

Разберем, например, взаимодействие гидроксида калия и нитрата ртути (II).

1. Гидроксид аммония (NH 4 OH)

Совру, если скажу, что это соединение не существует. Оно существует, но крайне нестабильно. И тоже разлагается в момент получение на аммиак (NH 3) и воду. Аммиак (NH 3) – это газ.

Аммиак образуется при взаимодействии соли аммония с щелочью:

1. Угольная кислота (H 2 CO 3)

Та же ситуация, что и с гидроксидом аммония. Эта кислота разлагается моментально на соответствующий кислотный оксид (CO 2) и воду. Оксид углерода (IV) CO 2 так же называют углекислым газом.

Разберем взаимодействие карбоната калия и соляной кислоты.

1. Сернистая кислота (H 2 SO 3)

Сернистая кислота – это сестра угольной кислоты.

SO 2 – это газ, его называют сернистым (по названию соответствующей кислоты).

N.B. При написании реакции ионного обмена придерживайтесь следующих правил:

1. Всегда сверяйте растворимость солей по таблице (растворимости). Растворимые основания, как говорилось ранее, нужно запомнить. Сильные кислоты – сильные электролиты тоже нужно знать наизусть.
2. Если образуется малорастворимый продукт (обозначается как «М» в таблице растворимости), то в качестве исходных веществ нужно использовать довольно сильные электролиты, причем в достаточно высокой концентрации.

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:

HNO 3 + KOH = KNO 3 + H 2 O (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 + + NO 3 − + K + + OH ‑ = K + + NO 3 − + H 2 O (2)

Как можно заметить из уравнения (2), что до реакции, что после в растворе находятся ионы NO 3 − 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 + + NO 3 − + K + + OH ‑ = K + + NO 3 − + H 2 O

мы получим:

H + + OH ‑ = H 2 O (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 = BaCl 2 + 2H 2 O

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 − + Ba 2+ + 2OH − = Ba 2+ + 2Cl − + 2H 2 O

Сократим одинаковые ионы слева и справа и получим:

2H + + 2OH − = 2H 2 O

Разделив и левую и правую часть на 2, получим:

H + + OH − = H 2 O,

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, H 2 SO 4 , HNO 3 , HClO 4) (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 H 2 O

2) Слабых кислот (H 2 S, H 2 CO 3 , HF, HCN, CH 3 COOH (и др. практически все органические))

3) Слабых оcнований (NH 4 OH 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 + 3H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O

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 + + 3SO 4 2- = 2Fe 3+ + 3SO 4 2- + 6H 2 O

Сократив сульфат-ионы слева и справа, получаем:

2Fe(OH) 3 + 6H + = 2Fe 3+ + 6H 2 O

разделив обе части уравнения на 2 получаем сокращенное ионное уравнение:

Fe(OH) 3 + 3H + = Fe 3+ + 3H 2 O

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

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 + + CO 3 2- + Ca 2+ + 2Cl − = CaCO 3 ↓+ 2Na + + 2Cl −

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

CO 3 2- + Ca 2+ = CaCO 3 ↓

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 CaCO 3 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(NO 3) 2 ≠ FeS + Cu(NO 3) 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, Na 2 CO 3 + CaCl 2 = CaCO 3 ↓+ 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 + Na 2 S – не протекает, т.к. Cu(OH) 2 нерастворим, хотя потенциальный продукт CuS был бы осадком. А вот реакция между NaOH и Cu(NO 3) 2 протекает, так оба исходных вещества растворимы и дают осадок Cu(OH) 2: 2NaOH + Cu(NO 3) 2 = Cu(OH) 2 ↓+ 2NaNO 3 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 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:

K 2 S + 2HBr = 2KBr + H 2 S

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 H 2 CO 3 , NH 4 OH и H 2 SO 3:

H 2 CO 3 = H 2 O + CO 2

NH 4 OH = H 2 O + NH 3

H 2 SO 3 = H 2 O + SO 2

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

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

K 2 S + 2HBr = 2KBr + H 2 S

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 + + S 2- + 2H + + 2Br — = 2K + + 2Br — + H 2 S

Сократив одинаковые ионы получаем:

S 2- + 2H + = H 2 S

2) Для уравнения:

Na 2 CO 3 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + H 2 O + CO 2

В ионном виде запишутся Na 2 CO 3 , Na 2 SO 4 как хорошо растворимые соли и H 2 SO 4 как сильная кислота. Вода является малодиссоциирующим веществом, а CO 2 и вовсе неэлектролит, поэтому их формулы будут записываться в молекулярном виде:

2Na + + CO 3 2- + 2H + + SO 4 2- = 2Na + + SO 4 2 + H 2 O + CO 2

CO 3 2- + 2H + = H 2 O + CO 2

3) для уравнения:

NH 4 NO 3 + KOH = KNO 3 + H 2 O + NH 3

Молекулы воды и аммиака запишутся целиком, а NH 4 NO 3 , KNO 3 и KOH запишутся в ионном виде, т.к. все нитраты являются хорошо растворимыми солями, а KOH является гидроксидом щелочного металла, т.е. сильным основанием:

NH 4 + + NO 3 − + K + + OH − = K + + NO 3 − + H 2 O + NH 3

NH 4 + + OH − = H 2 O + NH 3

Для уравнения:

Na 2 SO 3 + 2HCl = 2NaCl + H 2 O + SO 2

Полное и сокращенное уравнение будут иметь вид:

2Na + + SO 3 2- + 2H + + 2Cl − = 2Na + + 2Cl − + H 2 O + SO 2

Реакции ионного обмена — реакции, протекающие между ионами в растворе электролитов.

Для составления уравнений реакций ионного обмена необходимо помнить следующее:

1. Диссоциации не подвергаются: оксиды, газообразные вещества, вода, нерастворимые в воде соединения
2. Реакция ионного обмена идёт до конца если образуется:

• осадок

Алгоритм составления уравнений реакций ионного обмена:

1) Записывают уравнение в молекулярном виде и расставляют коэффициенты:

На этом шаге надо обратить внимание на 2 момента:

• составление формул продукта реакции (Только по валентности. Можно воспользоваться и таблицей растворимости — заряд иона по модулю равен валентности иона. Напр., чтобы составить формулу, состоящую из катиона бария и сульфат-аниона, мы записываем их рядом. Заряд катиона бария — 2+ , а значит его валентность равна II, заряд сульфат аниона — 2-, а следовательно, валентность также равна II. Т.о. формула BaSO4) Повторить тему
• расстановка коэффициентов (число атомов одного и того же элемента справа и слева должно быть одинаково)

2) Записывают уравнение в ионном виде .

Для этого необходимо посмотреть в таблицу растворимости. Если вещество растворимо — его записывают в виде ионов (на пересечение которых смотрели, чтобы определить растворимо ли вещество). Если вещество нерастворимо — записывают в молекулярном виде:

Хлорид бария — растворим, значит записываем его в виде ионов бария и хлора. При этом необходимо помнить о коэффициентах и индексах. (напр., BaCl2 состоит из бария и 2-х хлоров, поэтому индекс «2» мы будем ставить перед анионами хлора):

Смотрим на растворимость серной кислоты — растворима, записываем в виде протонов водорода и сульфат-анионов (т.к. в серной кислоте 2 атома водорода — значит при её диссоциации образуется 2 протона):

Соляная кислота: растворима, записываем в виде ионов. Т.к. перед формулой стоит коэффициент «2» — мы ставим его и перед ионами:

Т.о. появилась 2 строчка — уравнение в ионном виде .

3) Составляем уравнение в сокращённом ионном виде. Для этого мы вычёркиваем те ионы, которые повторяются слева и справа (т.е. не участвуют в реакции):

1.2.1 Правила написания уравнений реакций в ионном виде. Реакции, протекающие в растворах электролитов и не сопровождающиеся изменением степеней окисления элементов, называются реакциями ионного обмена. Все электролиты диссоциируют на ионы, поэтому суть реакции между электролитами выражают кратким ионным уравнением.

Сущность реакции ионного обмена заключается в связывании ионов.

Для того, чтобы реакция между электролитами протекала необратимо, необходимо, чтобы часть ионов оказалась связанной или в легко летучее соединение, или в трудно растворимый осадок, или в слабый электролит, или в комплексный ион. При чем, если и в правой и в левой частях уравнения присутствуют слабые электролиты, то равновесие смещено в сторону образования менее диссоциирующего соединения.

1.2.1.1. Правила составления ионных уравнений реакций.

1 Как правило, на первом месте в формуле химического соединения записываются положительные ионы (это можно проверить с помощью таблицы растворимости). Таким образом, при составлении формул продуктов реакции, меняют местами положительные (или отрицательные) ионы не учитывая их количество в исходных соединениях:

Al(OH) 3 + H 2 SO 4 → AlSO 4 + H 2 (OH) 3 .

2 Уравнивают заряды «внутри полученных молекул», то есть составляют формулы по валентности. Чтобы это сделать, необходимо использовать таблицу растворимости и не забывать, что молекула в целом электронейтральна (сумма положительных зарядов внутри нее равна сумме отрицательных):

3+ 2– + – (эти заряды ставят карандашом или на черновике)

Al(OH) 3 + H 2 SO 4 → AlSO 4 + HOH, а не

Наименьшее общее кратное

Отсюда, разделив шесть на три и два соответственно, получаем:

Al(OH) 3 + H 2 SO 4 → Al 2 (SO 4) 3 + HOH.

3 Проверяют, идет ли реакция, т. е. выполняется ли хотя бы одно из условий, приведенных в пункте 1.2.1 (осадок, газ, слабый электролит, комплексный ион). Данная реакция протекает, поскольку одним из продуктов является вода – слабый электролит.

4 Проверяют, совпадает ли число одноименных ионов в левой и правой частях равенства (учитывая атомы, входящие в состав недиссоциированных молекул), т. е. расставляют коэффициенты (начинать обычно следует с самой «громоздкой» формулы):

2Al(OH) 3 + 3H 2 SO 4 → Al 2 (SO 4) 3 + 6HOH.

5 Для записи ионно-молекулярного уравнения определяют силу каждого соединения как электролита. Следует помнить, что силу оснований определяют исходя из положения элемента в периодической системе Менделеева (пункт 1.1.4, а), сильные кислоты помнят (пункт 1.1.4 ,б), соли смотрят по таблице растворимости (пункт 1.1.4, в). На кислых, основных и комплексных солях остановимся чуть позднее. Учитываю, что сильные электролиты записываются в виде ионов («раскладываются на ионы»), а слабые в виде молекул (просто переписываются).

В нашем случае:

2Al(OH) 3 + 6H + + 3SO 4 2 – → 2Al 3+ + 3SO 4 2 – + 6HOH.

Гидроксид алюминия записывается в виде молекулы, поскольку является слабым электролитом (алюминий не относится к щелочным или щелочно-земельным металлам, поскольку расположен в третье группе периодической системы Менделеева); серную кислоту записываю в виде ионов, поскольку она относится к шести сильным кислотам, перечисленным ранее; сульфат алюминия – растворимая соль и поэтому записывается в виде ионов, поскольку является сильным электролитом; вода – слабый электролит.

В данной реакции и справа, и слева присутствуют слабые электролиты(Al(OH) 3 и НОН), но равновесие реакции смещено вправо, поскольку вода является более слабым электролитом.

6 Находят в левой и правой частях ионного уравнения подобные члены с одинаковыми знаками и исключают их из уравнения, а затем записывают полученное сокращенное ионное уравнение, которое выражает сущность реакции.

Реакции обмена между растворами электролитов
Реакции, идущие с образованием осадка. В одну пробирку налейте 3-4 мл раствора сульфата меди(И), во вторую - столько же раствора хлорида кальция, а в третью - сульфата алюминия. В первую пробирку добавьте немного раствора гидроксида натрия, во вторую - раствор ортофосфата натрия, а в третью - раствор нитрата бария. Во всех пробирках образуются осадки.
Задание. Составьте уравнения реакций в молекулярном, ионном и сокращенном ионном виде. Объясните, почему образовались осадки. Растворы каких еще веществ можно прилить в пробирки, чтобы выпали осадки? Составьте уравнения этих реакций в молекулярном, ионном и сокращенном ионном виде.
Реакции, идущие с выделением газа. В одну пробирку налейте 3-4 мл раствора сульфита натрия, во вторую - такой же объем раствора карбоната натрия. В каждую из них добавьте столько же серной кислоты. В первой пробирке выделяется газ с острым запахом, во второй - газ без запаха.
Задание. Составьте уравнения происходящих реакций в молекулярном, ионном и сокращенном ионном виде. Подумайте, какими еще кислотами можно было подействовать на данные растворы, чтобы получить аналогичные результаты. Составьте уравнения этих реакций в молекулярном, ионном и сокращенном ионном виде.
Реакции, идущие с образованием малодиссоциирующего вещества. В одну пробирку налейте 3-4 мл раствора гидроксида натрия и добавьте две-три капли фенолфталеина. Раствор приобретает малиновый цвет. Затем прилейте соляную или серную кислоту до обесцвечивания.
В другую пробирку налейте примерно 10 мл сульфата меди(II) и добавьте немного раствора гидроксида натрия. Образуется голубой осадок гидроксида меди(II). Прилейте в пробирку серную кислоту до растворения осадка.
Задание. Составьте уравнения происходящих реакций в молекулярном, ионном и сокращенном ионном виде. Поясните, почему в первой пробирке произошло обесцвечивание, а во второй - растворение осадка. Каким общим свойством обладают растворимые и нерастворимые основания?
Качественная реакция на хлорид-ион. В одну пробирку налейте 1-2 мл разбавленной соляной кислоты, во вторую - столько же раствора хлорида натрия, а в третью - раствор хлорида кальция. Во все пробирки добавьте по нескольку капель раствора нитрата серебра(I) AgNO3. Проверьте, растворяется ли выпавший осадок в концентрированной азотной кислоте.
Задание. Напишите уравнения соответствующих химических реакций в молекулярном, ионном и сокращенном ионном виде. Подумайте, как можно отличить: а) соляную кислоту от других кислот; б) хлориды от других солей; в) растворы хлоридов от соляной кислоты. Почему вместо раствора нитрата серебра(I) можно также использовать раствор нитрата свинца(II)?