Как найти вещества для ионного обмена

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⁺ + 3SO₄^2- = 2Fe³⁺ + 3SO₄^2- + 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⁺ + CO₃^2- +  Ca²⁺ + 2Cl⁻ = CaCO₃↓+  2Na⁺ + 2Cl⁻

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

CO₃^2- + 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.

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⁺ + S^2- + 2H⁺  + 2Br^— = 2K⁺ + 2Br^— + H₂S↑

Сократив одинаковые ионы получаем:

S^2- + 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⁺ + CO₃^2- + 2H ⁺ + SO₄^2- = 2Na⁺ + SO₄² + H₂O + CO₂ ↑
CO₃^2- + 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⁺ + SO₃^2- + 2H⁺ + 2Cl⁻ = 2Na⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + SO₂ ↑
SO₃^2- + 2H⁺ = H₂O + SO₂ ↑

Тонкости взаимодействия кислых солей (в частности, гидрокарбонатов, дигидрофосфатов и гидрофосфатов) со щелочами рассмотрены в данной публикации.