Ионные химические реакции
02-Фев-2014 | комментария 3 | Лолита Окольнова
Ионные реакции — реакции между ионами в растворе
Давайте разберем основные ионные химические реакции неорганической и некоторые реакции органической химии.
Очень часто в различных заданиях по химии просят написать не только химические уравнения в молекулярной форме, но и в ионной (полные и сокращенные). Как уже было замечено, ионные химические реакции идут в растворах. Зачастую, вещества распадаются на ионы именно в воде.
Полное ионное уравнение химической реакции: все соединения — электролиты, переписываем в ионном виде с учетом коэффициентов:
2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2H2O — молекулярное уравнение реакции
2Na+ +2OH— +2H+ + SO-2 = 2Na+ + SO4-2 + 2H2O — полное ионное уравнение реакции
Сокращенное ионное уравнение химической реакции: сокращаем одинаковые составляющие:
2Na+ +2OH— +2H+ + SO-2 = 2Na+ + SO4-2 + 2H2O
OH— + H+ = H2O — сокращенное ионное уравнение реакции
По результатам этого сокращения одинаковых ионов видно, какие ионы образовали то, что нерастворимо или малорастворимо — газообразные продукты или реагенты, осадки или малодиссоциирующие вещества.
Не раскладывают на ионы в ионных химических реакциях вещества:
1. нерастворимые в воде соединения (или малорастворимые) (см. ТАБЛИЦЫ);
Ca(NO3)2 + 2NaOH = Ca(OH)2↓ + 2NaNO3
Сa2+ + 2NO3— + 2Na+ +2OH— = Ca(OH)2 + 2Na+ +2NO3— — полное ионное уравнение реакции
Сa2+ + 2OH— = Ca(OH)2 — сокращенное ионное уравнение реакции
2. газообразные вещества, например, O2, Cl2, NO и т.д.:
Na2S + 2HCl = 2NaCl + H2S
2Na+ + S-2 + 2H+ +2Cl— = 2Na+ + 2Cl— + H2S — полное ионное уравнение реакции
S-2 + 2H+ = H2S — сокращенное ионное уравнение реакции
3. малодиссоциирующие вещества (H2O, NH4OH);
реакция нейтрализации
OH— + H+ = H2O — сокращенное ионное уравнение реакции
4. оксиды (все: и образованные металлами, и неметаллами);
2AgNO3 + 2NaOH = Ag2O + 2NaNO3 + H2O
2Ag+ + 2NO3— + 2Na+ + 2OH— = Ag2O + 2NO3— + 2Na+ + H2O — полное ионное уравнение реакции
2Ag+ + 2OH— = Ag2O + H2O — сокращенное ионное уравнение реакции
5. органические вещества (органические кислоты относят к малодиссоциирующим веществам)
CH3COOH + NaOH = CH3COONa + H2O
CH3COOH + Na+ + OH— = CH3COO— + Na+ + H2O — полное ионное уравнение реакции
CH3COOH + OH— = CH3COO— + H2O — сокращенное ионное уравнение реакции
Зачастую ионные химические реакции — это реакции обмена.
Если все участвующие в реакции вещества находятся в виде ионов, то связывание их с образованием нового вещества не происходит, поэтому реакция в этом случае практически не осуществима.
Отличительной особенностью химических реакций ионного обмена от окислительно-восстановительных реакций является то, что они протекают без изменения степеней окисления, участвующих в реакции частиц.
- в ЕГЭ это вопрос А23 — Реакции ионного обмена
- в ГИА (ОГЭ) это А8 — Реакции ионного обмена
Обсуждение: “Ионные химические реакции”
(Правила комментирования)
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 + Na2S – не 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 ↑
(«NH4OH» — такая запись формулы в кавычках подразумевает, что в реальности вещества с такой формулой не существует. Формула используется для большей простоты промежуточных записей. В реальности вместо «гидроксида аммония» правильнее писать формулу гидрата аммиака NH3·H2O).
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 ↑
Тонкости взаимодействия кислых солей (в частности, гидрокарбонатов, дигидрофосфатов и гидрофосфатов) со щелочами рассмотрены в данной публикации.
Реакции ионного обмена – это реакции между сложными веществами в растворах, в результате которых реагирующие вещества обмениваются своими составными частями. Так как в этих реакциях происходит обмен ионами – они называются ионными.
Правило Бертолле: Реакции обмена в растворах электролитов протекают до конца (возможны) только тогда, когда в результате реакции образуется либо твердое малорастворимое вещество (осадок), либо газ, либо вода или любой другой слабый электролит.
Например, нитрат серебра взаимодействует с бромидом калия
AgNО3 + КВr = АgВr↓ + КNО3
Правила составления уравнений реакций ионного обмена
1. Записываем молекулярное уравнение реакции, не забывая расставить коэффициенты:
3KOH +FeCl3 = Fe(OH)3 + 3KCl
2. С помощью таблицы растворимости определяем растворимость каждого вещества. Подчеркнем вещества, которые мы не будем представлять в виде ионов.
р р н р
3KOH + FeCl3 = Fe(OH)3 + 3KCl
3. Составляем полное ионное уравнение. Сильные электролиты записываем в виде ионов, а слабые электролиты, малорастворимые вещества и газообразные вещества записываем в виде молекул.
3K+ + 3OH— + Fe3+ + 3Cl— = Fe(OH)3 + 3K+ + 3Cl—
4. Находим одинаковые ионы (они не приняли участия в реакции в левой и правой частях уравнения реакции) и сокращаем их слева и справа.
3K+ + 3OH— + Fe3+ + 3Cl— = Fe(OH)3 + 3K+ + 3Cl—
5. Составляем итоговое сокращенное ионное уравнение (выписываем формулы ионов или веществ, которые приняли участие в реакции).
Fe3+ + 3OH— = Fe(OH)3
На ионы мы не разбиваем:
- Оксиды; осадки; газы; воду; слабые электролиты (кислоты и основания)
- Анионы кислотных остатков кислых солей слабых кислот (НСО3—, Н2РО4— и т.п.) и катионы основных солей слабых оснований Al(OH)2+
- Комплексные катионы и анионы: [Al(OH)4]—
Например, взаимодействие сульфида цинка и серной кислоты
Составляем уравнение реакции и проверяем растворимость всех веществ. Сульфид цинка нерастворим.
н р р р
ZnS + H2SO4 = ZnSO4 + H2S
Реакция протекает до конца, т.к. выделяется газ сероводород, который является слабым электролитом. Полное ионно-молекулярное уравнение:
ZnS + 2H+ + SO42— = Zn2+ + SO42— + H2S
Сокращаем ионы, которые не изменились в процессе реакции – в данном случае это только сульфат-ионы, получаем сокращенное ионное уравнение:
ZnS + 2H+ = Zn2+ + H2S
Например, взаимодействие гидрокарбоната натрия и гидроксида натрия
Составляем уравнение реакции и проверяем растворимость всех веществ:
р р р
NaHCO3 + NaOH = Na2CO3 + H2O
Кислые анионы слабых кислот являются слабыми электролитами и на ионы не разбиваются:
Na+ + НСО3— + Na+ + ОН— = 2Na+ + CO32- + H2O
Сокращаем одинаковые ионы, получаем сокращенное ионное уравнение:
НСО3—+ ОН— = CO32- + H2O
Например, взаимодействие тетрагидроксоалюмината натрия и соляной кислоты
Составляем уравнение реакции и проверяем растворимость всех веществ:
р р р р
Na[Al(OH)4] + 4HCl = NaCl + AlCl3 + H2O
Комплексные ионы являются слабыми электролитами и на ионы не разбиваются:
Na+ + [Al(OH)4]— + 4H+ + 4Cl— = Na+ + Cl— + Al3+ + 3Cl— + H2O
Сокращаем одинаковые ионы, получаем сокращенное ионное уравнение:
[Al(OH)4]— + 4H+ = Al3+ + 4H2O
Реакции ионного обмена – это химические взаимодействия, в которых участвуют вещества, находящиеся в состоянии водных растворов. При этом степень окисления элементов, из которых они состоят, никогда не изменяется. Такие реакции проходят только с веществами, являющимися электролитами.
Это химические соединения, обладающие свойством проводить электрический ток.
В данных процессах реагирующие вещества обмениваются ионами друг с другом. Эти ионы образуют новые устойчивые связи.
Правило Бертолле
В соответствии с этим правилом можно определить, будет ли реакция ионного обмена протекать до конца. Такая реакция будет идти, если:
- образуется твердое вещество, являющееся практически нерастворимым (его легко обнаружить по выпавшему на дне пробирки осадку):
Ba(OH)2+H2SO4→BaSO4↓+2H2O;
- происходит образование летучего газообразного вещества (пузырьки газа всплывают из раствора на поверхность):
CaCO3+2HNO3→Ca(NO3)2+CO2↑+H2O;
- образуется хорошо растворяющееся в воде вещество, являющееся слабым малодиссоциирующим электролитом (также может образовываться вода, которая тоже относится к слабым электролитам):
3NaOH+H3PO4→Na3PO4+3H2O;
- происходит формирование комплексного иона (образуется комплексная соль):
2KOH+ZnO+H2O→K2[Zn(OH)4].
Для протекания реакции достаточно выполнения хотя бы одного из приведенных здесь условий. Если же не соблюдается ни одно условие, реакция в водном растворе так и не начнется.
Как составить ионное уравнение реакции
При составлении ионных уравнений необходимо учитывать, что:
- вещества, которые не растворяются в воде, не могут диссоциировать, т.е. в таком случае реакция ионного обмена начаться не может;
- вещества, относящиеся к малорастворимым, также присутствуют в растворах, находясь в них в виде ионов;
- если в процессе реакции образуется малорастворимое соединение, при записи уравнения в ионном виде оно условно считается нерастворимым;
- суммарные значения зарядов в левой и правой частях уравнения должны иметь одинаковую величину.
Составляя ионное уравнение, нужно всегда придерживаться следующей последовательности действий:
- Записать уравнение реакции в обычном, молекулярном виде. Чтобы правильно составить формулы образующихся соединений, необходимо к положительно заряженному иону одного реагирующего вещества (это начальный элемент его формулы) присоединить отрицательный ион другого вещества. Для оставшихся ионов следует проделать аналогичную операцию.
MgCl2+2AgNO3→2AgCl+Mg(NO3)2
- Используя таблицу растворимости, определить степень растворимости каждого соединения. Эти данные нужно получить для веществ из обеих частей уравнения.
MgCl2+2AgNO3→2AgCl+Mg(NO3)2
- Составить уравнение, которое отображает процесс диссоциации соединений, считающихся растворимыми. Это нужно сделать как для исходных компонентов, так и для конечных продуктов реакции.
MgCl2↔Mg2++2Cl–
AgNO3↔Ag++NO3–
AgCl – эта соль не диссоциирует, поскольку согласно данным, полученным из таблицы растворимости, она является нерастворимой:
Mg(NO3)2↔Mg2++2NO3–
- В соответствии с данными, полученными при выполнении предыдущего шага, составить полное ионное уравнение.
Mg2++2Cl–+2Ag++2NO3–→2AgCl↓+Mg2++2NO3–
- Записать ионное уравнение в сокращенном виде. Для этого достаточно просто убрать из левой и правой частей полного ионного уравнения совпадающие и одинаковые ионы.
Mg2++ 2Cl–+ 2Ag++2NO3– → 2AgCl↓+Mg2++2NO3–
Удалив все парные ионы, получим:
Ag++Cl–→AgCl↓
Ионное уравнение наглядно отображает сущность протекания реакции. В нем содержится информация, из которой можно узнать, что же на самом деле происходит в растворе. Что касается сокращенной записи ионного уравнения, то тут стоит отметить, что в виде одного и того же ионного уравнения может быть записано несколько реакций с разными веществами. Проиллюстрируем этот факт двумя примерами.
Примеры реакций ионного обмена
| Пример 1 | Пример 2 |
|---|---|
| HNO3+KOH→KNO3+H2O | 2HCl+Ba(OH)2→BaCl2+2H2O |
| H++NO3–+K++OH–→K++NO3–+H2O | 2H++2Cl–+Ba2++2OH–→Ba2++2Cl–+2H2O |
| H++OH–→H2O | H++OH–→H2O |
Данные примеры свидетельствуют, что химические процессы, наблюдающиеся в обеих случаях, схожи по своей сути.
Следует иметь в виду, что некоторые вещества при их растворении в воде начинают активно разлагаться. В частности, к ним относятся такие соли, как сульфид алюминия (Al2S3) и трехвалентный ацетат хрома (Cr(CH3COO)3). Это значит, что такие соединения в результате проведения реакций ионного обмена получить не удастся.
