Реакции ионного обмена

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

  1. В ходе ионообменной реакции не происходит перехода электронов и соответственно изменения степени окисления реагирующих частиц.

  2. 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.

  3. 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.

  1. Для составления уравнения РИО следует проверить растворимость реагентов по таблице растворимости веществ. 

    Таблица растворимости веществ


  2. Записать затем уравнение реакции в молекулярной форме и расставить коэффициенты. Не забывать, что в молекулах продуктов реакции сумма зарядов равняется нулю. 

  3. 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.

  4. 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

  1. 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.

  2. 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:

  1. 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).

  2. Na2CO3 +  CaCl2 = CaCO3↓+  2NaCl
    • реакция протекает, так как карбонат кальция нерастворим и соли – реагенты являются  растворимыми.

  3. 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.

  4. 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:

18 сентября 2020, 14:46

Комментарии

Для добавления комментариев необходимо авторизоваться.