>> Химия: Ионные уравнения
Как вам уже известно из предыдущих уроков химии, большая часть химических реакций происходит в растворах. А так как все растворы электролитов включают ионы, то можно говорить о том, что реакции в растворах электролитов сводятся к реакциям между ионами.
Вот такие реакции, которые происходят между ионами, носят название ионных реакций. А ионные уравнения – это, как раз и есть уравнения этих реакций.
Как правило, ионные уравнения реакций получают из молекулярных уравнений, но это происходит при соблюдении таких правил:
Во-первых, формулы слабых электролитов, а также нерастворимых и малорастворимых веществ, газов, оксидов и т.д. в виде ионов не записывают, исключением из этого правила является ион HSO−4, и то в разбавленном виде.
Во-вторых, в виде ионов, как правило, представляют формулы сильных кислот, щелочей, а также растворимых в воде солей. Так же следует отметить, что такая формула, как Са(ОН)2 представлена в виде ионов, в том случае, если используется известковая вода. Если же используется известковое молоко, которое содержит нерастворимые частицы Ca(OH)2, то формула в виде ионов, также не записывается.
При составлении ионных уравнений, как правило, используют полное ионное и сокращенное, то есть краткое ионное уравнения реакции. Если рассматривать ионное уравнение, которое имеет сокращенный вид, то в нем мы не наблюдаем ионов, то есть они отсутствуют обеих частях полного ионного уравнения.
Давайте рассмотрим на примерах, как записываются молекулярные, полные и сокращенные ионные уравнения:
Поэтому следует помнить, что формулы веществ, которые не распадаются, а также нерастворимые и газообразные, при составлении ионных уравнений принято записывать в молекулярном виде.
Также, следует помнить, что в том случае, если вещество выпадает в осадок, то рядом с такой формулой изображают направленную вниз стрелку (↓). Ну, а в том случае, когда в ходе реакции выделяется газообразное вещество, то рядом с формулой должен стоять такой значок, как стрелка направленная вверх ().
Давайте более подробно рассмотрим на примере. Если у нас есть раствор сульфата натрия Na2SO4, и мы к нему добавим раствор хлорида бария ВаСl2 (рис. 132), то увидим, что у нас образовался белый осадок сульфата бария BaSO4.
Посмотрите внимательно на изображение, на котором показано взаимодействие сульфата натрия и хлорида бария:
Теперь давайте запишем молекулярное уравнение реакции:
Ну, а сейчас давайте перепишем это уравнение, где будут изображены сильные электролиты в виде ионов, а реакции, которые уходят из сферы, представлены в виде молекул:
Перед нами записано полное ионное уравнение реакции.
Теперь попробуем убрать из одной м другой части равенства одинаковые ионы, то есть, те ионы, которые не принимают участия в реакции 2Na+ и 2Сl, то у нас получится сокращённое ионное уравнение реакции, которое будет иметь такой вид:
Из этого уравнения мы видим что вся сущность данной реакции сводится к взаимодействию ионов бария Ва2+ и сульфат-ионов
и что в результате образуется осадок BaSO4, даже не зависимо от того, в состав каких электролитов входили эти ионы до реакции.
И напоследок, давайте подведем итоги нашего урока и определим, как же нужно решать ионные уравнения. Мы с вами уже знаем, что все реакции, которые происходят в растворах электролитов между ионами, являются ионными реакциями. Эти реакции принято решать или описывать с помощью ионных уравнений.
Также, следует помнить, что все те соединения, которые относятся к летучим, трудно растворимым или малодиссоциированным, находят решение в молекулярной форме. Также, следует не забывать, что в том случае, когда при взаимодействии растворов электролитов не образуется ни одного из вышеперечисленных видов соединения, то это означает, что реакции практически не протекают.
Для наглядного примера возьмем такое образование труднорастворимого соединения, как:
Nа2SО4 + ВаСl2 = ВаSО4 + 2NаСl
В ионном виде это выражение будет иметь вид:
2Nа+ +SО42- + Ва2+ + 2Сl- = BаSО4 + 2Nа+ + 2Сl-
Так как мы с вами наблюдаем, что в реакцию вступили лишь ионы бария и сульфат-ионы, а остальные ионы не прореагировали и их состояние осталось прежним. Из этого следует, что мы можем это уравнение упростить и записать в сокращенном виде:
Ва2+ + SО42- = ВаSО4
Теперь вспомним, что нам следует предпринять при решении ионных уравнений:
Во-первых, необходимо исключить из обеих частей уравнения одинаковые ионы;
Во-вторых, не следует забывать о том, что сумма электрических зарядов уравнения должна быть одинаковой, и в его правой части, и также в левой.
При нейтрализации любой сильной кислоты любым сильным основанием на каждый моль образующейся воды выделяется около теплоты:
Это говорит о том, что подобные реакции сводятся к одному процессу. Уравнение этого процесса мы получим, если рассмотрим подробнее одну из приведенных реакций, например, первую. Перепишем ее уравнение, записывая сильные электролиты в ионной форме, поскольку они существуют в растворе в виде ионов, а слабые - в молекулярной, поскольку они находятся в растворе преимущественно в виде молекул (вода - очень слабый электролит, см. § 90):
Рассматривая получившееся уравнение, видим, что в ходе реакции ионы и не претерпели изменений. Поэтому перепишем уравнение еще раз, исключив эти ионы из обеих частей уравнения. Получим:
Таким образом, реакции нейтрализации любой сильной кислоты любым сильным основанием сводятся к одному и тому же процессу - к образованию молекул воды из ионов водорода и гидроксид-ионов. Ясно, что тепловые эффекты этих реакций тоже должны быть одинаковы.
Строго говоря, реакция образования воды из ионов обратима, что можно выразить уравнением
Однако, как мы увидим ниже, вода - очень слабый электролит и диссоциирует лишь в ничтожно малой степени. Иначе говоря, равновесие между молекулами воды и ионами сильно смещено в сторону образования молекул. Поэтому практически реакция нейтрализации сильной кислоты сильным основанием протекает до конца.
При смешивании раствора какой-либо соли серебра с соляной кислотой или с раствором любой ее соли всегда образуется характерный белый творожистый осадок хлорида серебра:
Подобные реакции также сводятся к одному процессу. Для того чтобы получить его ионно-молекулярное уравнение, перепишем, например, уравнение первой реакции, записывая сильные электролиты, как и в предыдущем примере, в ионной форме, а вещество, находящееся в осадке, в молекулярной:
Как видно, ионы и не претерпевают изменений в ходе реакции. Поэтому исключим их и перепишем уравнение еще раз:
Это и есть ионно-молекулярное уравнение рассматриваемого процесса.
Здесь также надо иметь в виду, что осадок хлорида серебра находится в равновесии с ионами и в растворе, так что процесс, выраженный последним уравнением, обратим:
Однако, вследствие малой растворимости хлорида серебра, это равновесие очень сильно смещено вправо. Поэтому можно считать, что реакция образования из ионов практически доходит до конца.
Образование осадка будет наблюдаться всегда, когда в одном растворе окажутся в значительной концентрации ионы и . Поэтому с помощью ионов серебра можно обнаружить присутствие в растворе ионов и, наоборот, с помощью хлорид-ионов - присутствие ионов серебра; ион может служить реактивом на ион , а ион - реактивом на ион .
В дальнейшем мы будем широко пользоваться ионно-молекулярной формой записи уравнений реакций с участием электролитов.
Для составления ионно-молекулярных уравнений надо знать, какие соли растворимы в воде и какие практически нерастворимы. Общая характеристика растворимости в воде важнейших солей приведена в табл. 15.
Таблица 15. Растворимость важнейших солей в воде
Ионно-молекулярные уравнения помогают понять особенности протекания реакций между электролитами. Рассмотрим в качеству примера несколько реакций, протекающих с участием слабых кислот и оснований.
Как уже говорилось, нейтрализация любой сильной кислоты любым сильным основанием сопровождается одним и тем же тепловым эффектом, так как она сводится к одному и тому же процессу - образованию молекул воды из ионов водорода и гидроксид-иона.
Однако при нейтрализации сильной кислоты слабым основанием, слабой кислоты сильным или слабым основанием тепловые эффекты различны. Напишем ионно-молекулярные уравнения подобных реакций.
Нейтрализация слабой кислоты (уксусной) сильным основанием (гидроксидом натрия):
Здесь сильные электролиты - гидроксид натрия и образующаяся соль, а слабые - кислота и вода:
Как видно, не претерпевают изменении в ходе реакции только ионы натрия. Поэтому ионно-молекулярное уравнение имеет вид:
Нейтрализация сильной кислоты (азотной) слабым основанием (гидроксидом аммония):
Здесь в виде ионов мы должны записать кислоту и образующуюся соль, а в виде молекул - гидроксид аммония и воду:
Не претерпевают изменений ионы . Опуская их, получаем ионно-молекулярное уравнение:
Нейтрализация слабой кислоты (уксусной) слабым основанием (гидроксидом аммония):
В этой реакции все вещества, кроме образующейся слабые электролиты. Поэтому ионно-молекулярная форма уравнения имеет вид:
Сравнивая между собой полученные ионно-молекулярные уравнения, видим, что все они различны. Поэтому понятно, что неодинаковы и теплоты рассмотренных реакций.
Как уже указывалось, реакции нейтрализации сильных кислот сильными основаниями, в ходе которых ионы водорода и гидроксид-ионы соединяются в молекулу воды, протекают практически до конца. Реакции же нейтрализации, в которых хотя бы одно из исходных веществ - слабый электролит и при которых молекулы малоднссоциирующих веществ имеются не только в правой, но и в левой части ионно-молекулярного уравнения, протекают не до конца.
Они доходят до состояния равновесия, при котором соль сосуществует с кислотой и основанием, от которых она образована. Поэтому уравнения подобных реакций правильнее записывать как обратимые реакции.
1 . Составляется молекулярное уравнение реакции . Формулы веществ записываются в соответствии с правилом валентности. Рассчитываются (если необходимо) коэффициенты в соответствии с законом сохранения массы веществ.
2 . Составляется полное ионно-молекулярное уравнение . В молекулярной форме следует записывать малорастворимые и газообразные вещества, а также слабые электролиты (табл. 4.4, 4.5). Все эти вещества или не образуют в растворах ионов, или образуют их очень мало. В видеионов записывают сильные кислоты и основания, а также растворимые соли. Эти электролиты существуют в растворе в виде ионов, но не молекул.
3 . Составляется сокращённое ионно-молекулярное уравнение . Ионы, которые в ходе реакции не изменяются, сокращаются. Полученное уравнение показывает суть реакции.
Таблица 4.5
Растворимость солей кислот и оснований в воде
Примечание. Р ─ растворимое вещество, М ─ малорастворимое,
Н ─ нерастворимое, «─» ─ разлагается водой
В качестве примера решим вопрос о том, в каком случае произойдет химическое взаимодействие: если к раствору хлорида кальция добавить раствор нитрата натрия или сульфата натрия? Ответ подтвердите, написав ионно-молекулярные реакции.
Запишем молекулярные уравнения предполагаемых реакций, указав растворимость всех участников реакции (Р – растворимое,Н – нерастворимое). Все растворимые соли являются сильными электролитами.
CaCl 2 + 2NaNO 3 → Ca(NO 3) 2 + 2NaCl; CaCl 2 + Na 2 SO 4 → CaSO 4 ↓ + 2NaCl.
Р Р Р Р Р Р Н Р
В соответствии с правилами написания ионно-молекулярных уравнений сильные, растворимые электролиты запишем в виде ионов, аслабые или нерастворимые – в виде молекул.
Ca 2+ + 2Cl ‾ + 2Na + + 2NO 3 ‾ → Ca 2+ + 2NO 3 ‾ + 2Na + + 2Cl‾;
Ca 2+ + 2Cl ‾ + 2Na + + SO 4 2‾ → CaSO 4 ↓ + 2Na + + 2Cl ‾ .
В первом случае все ионы сокращаются, а во втором – сокращенное ионно-молекулярное уравнение имеет вид: Ca 2+ + SO 4 2‾ → CaSO 4 ↓, т.е. в данном случае имеет место химическое взаимодействие с образованием малорастворимого вещества. Данная реакция является практически необратимой , т.к. в обратном направлении, т.е. в сторону растворения осадка, она протекает в очень незначительной степени (рис. 4.6).
Рассмотрим реакции, приводящие к образованию слабого электролита и газа (рис. 4.7).
NH 4 Cl + KOH → NH 4 OH + KCl,
NH 4 + + Cl¯ + K + + OH¯ → NH 4 OH + K + + Cl¯,
NH 4 + + OH¯ → NH 4 OH.
Na 2 CO 3 + 2 HCl → 2 NaCl + H 2 CO 3 (H 2 O + CO 2 ),
2 Na + + CO 3 2 ¯ + 2 H + + 2 Cl → 2 Na + + 2 Cl¯ + H 2 O + CO 2 ,
2 H + + CO 3 2 ¯ → H 2 O + CO 2 .
Рис. 4.6 – Практически необратимая реакция двойного обмена с образованием осадка
Рис. 4.7 – Практически необратимые реакции двойного обмена
с образованием слабого электролита и газа
Если малорастворимые или малодиссоциирующие вещества есть и среди исходных веществ и среди продуктов реакции, то ионно-молекулярное равновесие смещается в сторону менее диссоциирующего или менее растворимого электролита.
СН 3 СООН + NaOH ↔ CH 3 COONa + H 2 O,
СН 3 СООН + Na + + OH¯ ↔ СН 3 СОО¯ +Na + + H 2 O,
СН 3 СООН + OH¯ ↔ СН 3 СОО¯ + H 2 O.
слабая кислота слабый электролит
Константа диссоциации уксусной кислоты равна около 10 –5 , а воды около 10 –16 , т.е. вода является более слабым электролитом и равновесие смещено в сторону образования продуктов реакции.
На смещении ионно-молекулярного равновесия основано растворение малорастворимого гидроксида магния при добавлении порциями раствора хлорида аммония:
Mg(OH) 2 + 2 NH 4 Cl ↔ MgCl 2 + 2 NH 4 OH,
Mg(OH) 2 + 2 NH 4 + + 2 Cl¯ ↔ Mg 2+ + 2 Cl¯ + 2 NH 4 OH,
Mg(OH) 2 + 2 NH 4 + ↔ Mg 2+ + 2 NH 4 OH.
Введение дополнительных порций иона NH 4 + смещает равновесие в сторону продуктов реакции.
Сбалансируйте полное молекулярное уравнение. Прежде чем приступить к записи ионного уравнения, следует сбалансировать исходное молекулярное уравнение. Для этого необходимо расставить соответствующие коэффициенты перед соединениями, так чтобы число атомов каждого элемента в левой части равнялось их количеству в правой части уравнения.
Определите, в каком состоянии находится каждое вещество, которое участвует в реакции. Часто об этом можно судить по условию задачи. Есть определенные правила, которые помогают определить, в каком состоянии находится элемент или соединение.
Определите, какие соединения диссоциируют (разделяются на катионы и анионы) в растворе. При диссоциации соединение распадается на положительный (катион) и отрицательный (анион) компоненты. Эти компоненты затем войдут в ионное уравнение химической реакции.
Посчитайте заряд каждого диссоциировавшего иона. При этом помните, что металлы образуют положительно заряженные катионы, а атомы неметаллов превращаются в отрицательные анионы. Определите заряды элементов по таблице Менделеева. Необходимо также сбалансировать все заряды в нейтральных соединениях.
Перепишите уравнение так, чтобы все растворимые соединения были разделены на отдельные ионы. Все что диссоциирует или ионизируется (например, сильные кислоты) распадется на два отдельных иона. При этом вещество останется в растворенном состоянии (р-р ). Проверьте, чтобы уравнение было сбалансировано.
Сократите одинаковые ионы в левой и правой части уравнения. Можно вычеркнуть лишь те ионы, которые полностью идентичны с обеих сторон уравнения (имеют одинаковые заряды, нижние индексы и так далее). Перепишите уравнение без этих ионов.
Тема: Химическая связь. Электролитическая диссоциация
Урок: Составление уравнений реакций ионного обмена
Составим уравнение реакции между гидроксидом железа (III) и азотной кислотой.
Fe(OH) 3 + 3HNO 3 = Fe(NO 3) 3 + 3H 2 O
(Гидроксид железа (III) является нерастворимым снованием, поэтому не подвергается . Вода - малодиссоциируемое вещество, на ионы в растворе практически недиссоциировано.)
Fe(OH) 3 + 3H + + 3NO 3 - = Fe 3+ + 3NO 3 - + 3H 2 O
Зачеркнем одинаковое количество нитрат-анионов слева и справа, запишем сокращенное ионное уравнение:
Fe(OH) 3 + 3H + = Fe 3+ + 3H 2 O
Данная реакция протекает до конца, т.к. образуется малодиссоциируемое вещество - вода.
Составим уравнение реакции между карбонатом натрия и нитратом магния.
Na 2 CO 3 + Mg(NO 3) 2 = 2NaNO 3 + MgCO 3 ↓
Запишем данное уравнение в ионной форме:
(Карбонат магния является нерастворимым в воде веществом, следовательно, на ионы не распадается.)
2Na + + CO 3 2- + Mg 2+ + 2NO 3 - = 2Na + + 2NO 3 - + MgCO 3 ↓
Зачеркнем одинаковое количество нитрат-анионов и катионов натрия слева и справа, запишем сокращенное ионное уравнение:
CO 3 2- + Mg 2+ = MgCO 3 ↓
Данная реакция протекает до конца, т.к. образуется осадок - карбонат магния.
Составим уравнение реакции между карбонатом натрия и азотной кислотой.
Na 2 CO 3 + 2HNO 3 = 2NaNO 3 + CO 2 + H 2 O
(Углекислый газ и вода - продукты разложения образующейся слабой угольной кислоты.)
2Na + + CO 3 2- + 2H + + 2NO 3 - = 2Na + + 2NO 3 - + CO 2 + H 2 O
CO 3 2- + 2H + = CO 2 + H 2 O
Данная реакция протекает до конца, т.к. в результате нее выделяется газ и образуется вода.
Составим два молекулярных уравнения реакций, которым соответствует следующее сокращенное ионное уравнение: Ca 2+ + CO 3 2- = CaCO 3 .
Сокращенное ионное уравнение показывает сущность реакции ионного обмена. В данном случае можно сказать, что для получения карбоната кальция необходимо, чтобы в состав первого вещества входили катионы кальция, а в состав второго - карбонат-анионы. Составим молекулярные уравнения реакций, удовлетворяющих этому условию:
CaCl 2 + K 2 CO 3 = CaCO 3 ↓ + 2KCl
Ca(NO 3) 2 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓ + 2NaNO 3
1. Оржековский П.А. Химия: 9-й класс: учеб. для общеобраз. учрежд. / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, Л.С. Понтак. - М.: АСТ: Астрель, 2007. (§17)
2. Оржековский П.А. Химия: 9-ый класс: учеб для общеобр. учрежд. / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, М.М. Шалашова. - М.: Астрель, 2013. (§9)
3. Рудзитис Г.Е. Химия: неорган. химия. Орган. химия: учеб. для 9 кл. / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - М.: Просвещение, ОАО «Московские учебники», 2009.
4. Хомченко И.Д. Сборник задач и упражнений по химии для средней школы. - М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2008.
5. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред. В.А. Володин, вед. науч. ред. И. Леенсон. - М.: Аванта+, 2003.
Дополнительные веб-ресурсы
1. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов (видеоопыты по теме): ().
2. Электронная версия журнала «Химия и жизнь»: ().
Домашнее задание
1. Отметьте в таблице знаком «плюс» пары веществ, между которыми возможны реакции ионного обмена, идущие до конца. Составьте уравнения реакций в молекулярном, полном и сокращенном ионном виде.
|
Реагирующие вещества |
K 2 CO 3 |
AgNO 3 |
FeCl 3 |
HNO 3 |
|
|
CuCl 2 |
|||||
2. с. 67 №№ 10,13из учебника П.А. Оржековского «Химия: 9-ый класс» / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, М.М. Шалашова. - М.: Астрель, 2013.
