Что есть реакция ионного обмена? Определение
Химическое взаимодействие ионов в электролитах называется реакцией ионного обмена (РИО).
Сущность РИО заключается в связывании ионов.
Напоминание. Электролиты – это водные растворы кислот, солей или оснований, в которых эти вещества распадаются (диссоциируют) на свободные заряженные ионы.
Необходимое условие РИО. Правило Бертолле
Главное условие необратимого протекания ионнообменной реакции между электролитами – образование осадка, газообразного вещества или малодиссоциирующего соединения (слабого электролита, в т.ч. воды).
Данное утверждение носит название правила Бертолле. Этот французский химик сформулировал его в 1803 г.
Следует помнить, что это правило справедливо при взаимодействии ненасыщенных растворов.
Особенности РИО. Суть необратимого процесса
- В ходе ионообменной реакции не происходит перехода электронов и соответственно изменения степени окисления реагирующих частиц.
- Ионообменный процесс может быть и обратимым, то есть реакция будет протекать в двух направлениях. Это происходит в случае, когда одно из исходных веществ - слабый электролит.
- В соответствии с правилом Бертолле, например, азотная кислота реагирует с гидроокисью натрия. В результате образуются сильный электролит азотнокислого натрия и малодиссоциирующий электролит – вода.
HNO3 + NaOH = NaNO3 + H2O (1)
HNO3, NaOH, NaNO3 - будучи сильными электролитами в растворе находятся в виде ионов. А вода, H2O как слабый электролит фактически не распадается на ионы.
Более реально состояние реагентов в растворе демонстрирует запись в виде заряженных ионов:
H+ + NO3- + Na+ + OH- = Na+ + NO3- + H2O (2)
В уравнении (2) видно, что ионы NO3- и Na+ находятся в растворе и до и после реакции, т.е. в ней не участвуют. После сокращения в обеих частях уравнения одинаковых ионов получается короткая запись:
H+ + OH- = H2O (3)
Эти уравнения получили названия:
(3) - сокращенное ионное уравнение,
(2) – полное ионное уравнение,
(1) – молекулярное уравнение реакции.
Вывод: уравнение в ионной форме отражает сущность процесса, показывает за счёт чего возможно его протекание.
Знать: в обратимых РИО не бывает сокращенной ионной формы уравнения.
Правила (алгоритм) составления уравнений ионно-обменных реакций
В обычных химических уравнениях разложение молекул на ионы не учитывается. Чтобы отразить сущность взаимодействия электролитических растворов, пользуются ионными уравнениями, которые составляются по определённым правилам.
- Для составления уравнения РИО следует проверить растворимость реагентов по таблице растворимости веществ.
- Записать затем уравнение реакции в молекулярной форме и расставить коэффициенты. Не забывать, что в молекулах продуктов реакции сумма зарядов равняется нулю.
- После этого оформить РИО в виде полного ионного уравнения с учётом результатов распада на ионы, как исходных, так и полученных веществ. Формулы растворимых соединений записать в виде ионов (в таблице растворимости они обозначены буквой «Р»). Молекулярные формулы применить для написания нерастворимых веществ. Иметь в виду: малорастворимые соединения («М») в левой части следует записывать в ионной форме, в правой – в молекулярной (считать их нерастворимыми). Для подсчёта суммарного коэффициента реакции произвести сложение всех коэффициентов в обеих частях уравнения.
- Записать краткую форму ионного уравнения, сократив одинаковые ионы в левой и правой части. Коэффициенты сделать минимальными, суммы зарядов и слева, и справа должны быть одинаковыми. Аналогично п.3 сделать подсчёт суммарного коэффициента реакции.
Примеры РИО с выделением газа и выпадением осадка
- Пример ионнообменной реакции с выделением углекислого газа и воды (реагенты соль и кислота):
- Na2CO3 + H2SO4 = Na2SO4 + CO2↑ + H2O - уравнение в молекулярной форме;
- 2Na+ + CO32- + 2H+ + SO42- = 2Na+ + SO42- + CO2↑ + H2O – уравнение в полной ионно-молекулярной форме;
- CO32- + 2H+ = CO2↑ + H2O – уравнение в сокращённой ионно-молекулярной форме.
- Пример ионообменной реакции с образованием нерастворимого сернокислого свинца:
- Pb(NO3)2 + K2SO4 = PbSO4 + 2KNO3 – уравнение в молекулярной форме;
- Pb2+ + 2NO3- + 2K+ + SO42- = PbSO4↓ + 2K+ + 2NO3- - уравнение в полной ионно-молекулярной форме;
- Pb2+ + SO42- = PbSO4↓ – уравнение в сокращённой ионно-молекулярной форме.
Применение РИО
Во многих отраслях индустрии, сельском хозяйстве, в решении проблем экологии используются реакции ионного обмена. Несколько примеров применения РИО.
- Для обессоливания (деминерализации) воды с помощью катионитных и анионитных колонок. Катиониты поглощают ионы Ca2+, Mg2+, заменяя их на ионы H+. На анионите группа OH- заменяется анионами Cl-. В итоге получается почти дистиллированная вода.
- Для опреснения воды в космических кораблях и морских судах.
- Для обеспечения ионного обмена в почвах, что помогает улучшению их агротехнических свойств.
- Для извлечения ценных примесей (уран, золото, серебро).
- Для удаления ионов тяжелых металлов при очистке промышленных сточных вод.
В заключении интересный факт: домашние хозяйки, сами того не зная, используют правило Бертолле, когда применяют реакцию ионного обмена между столовым уксусом и пищевой содой. Выделяющийся при этом газ способствует «поднятию» теста.
Примечание важное для сдачи ЕГЭ по химии
Чтобы реакции ионного обмена протекали, необходимо, чтобы выполнялись не только условия: образование осадка, газа или воды, но и вещества –реагенты должны быть растворимыми.
Например:
- CuS + Fe(NO3)2 ≠ FeS + Cu(NO3)2
- реакция не идет, потому что FeS – нерастворим, а так же нерастворимой солью является соль – реагент сульфид меди - (CuS).
- Na2CO3 + CaCl2 = CaCO3↓+ 2NaCl
- реакция протекает, так как карбонат кальция нерастворим и соли – реагенты являются растворимыми.
- Cu(OH)2 + Na2S – не протекает,
- Чтобы соль с основанием реагировали, необходима растворимость их обоих.
- Cu(OH)2 - нерастворим, хотя потенциальный продукт CuS был бы осадком. В одной системе 2-х осадков не бывает.
- 2NaOH + Cu(NO3)2 = Cu(OH)2 ↓+ 2NaNO3
- реакция протекает, так оба исходных вещества растворимы и дают осадок Cu(OH)2:
- Это требование не распространяется на растворимость исходных веществ дальше реакций соль1+ соль2 и соль + основание.
- Все растворимые кислоты реагируют со всеми карбонатами, в том числе нерастворимыми.
Вывод:
- Соль1+ соль2 — реакция идет если исходные соли растворимы, а в продуктах есть осадок
- Соль + гидроксид металла – реакция идет, если в исходные вещества растворимы и в продуктах есть садок или гидроксид аммония.
Смотри также:
- Классификация химических реакций в неорганической и органической химии
- Тепловой эффект химической реакции. Термохимические уравнения
- Скорость химической реакции, ее зависимость от различных факторов
- Обратимые и необратимые химические реакции. Химическое равновесие. Смещение химического равновесия под действием различных факторов
- Электролитическая диссоциация электролитов в водных растворах. Сильные и слабые электролиты
- Гидролиз солей. Среда водных растворов: кислая, нейтральная, щелочная
- Реакции окислительно-восстановительные. Коррозия металлов и способы защиты от нее
- Электролиз расплавов и растворов (солей, щелочей, кислот)
- Ионный (правило В.В. Марковникова) и радикальный механизмы реакций в органической химии
Как вы считаете, материал был полезен?