Реакции ионного обмена. Условия протекания до конца

Цели урока

• Составлять молекулярные, полные и сокращённые ионные уравнения
• Определять возможность протекания реакции ионного обмена
• Записывать реакции нейтрализации, образования осадков и газов
• Анализировать растворимость по таблице растворимости

Зачем это нужно на ЕГЭ

Задание 30 — запись реакции ионного обмена по описанию. Необходимо составить молекулярное уравнение и записать сокращённое ионное. За полное решение задания нужно правильно определить реагенты, продукты и записать ионное уравнение без ошибок. Ошибки: неправильное определение растворимости, запись сильного электролита в молекулярной форме.

Теория

Реакции ионного обмена

Реакции ионного обмена (РИО) — реакции между электролитами в растворах, при которых ионы обмениваются партнёрами. В отличие от ОВР, степени окисления элементов не меняются.

Общий принцип: при смешивании двух растворов электролитов ионы «перемешиваются» и могут образовать новые комбинации. Реакция действительно протекает только если один из продуктов выводится из раствора.

Условия протекания реакции до конца

РИО протекает необратимо (до конца), если образуется:

1. Осадок ($\downarrow$)

Нерастворимое или малорастворимое вещество, определяемое по таблице растворимости:

$$BaCl_2 + Na_2SO_4 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2NaCl$$ $$Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4\downarrow$$ $$AgNO_3 + NaCl \rightarrow AgCl\downarrow + NaNO_3$$ $$Ag^+ + Cl^- \rightarrow AgCl\downarrow$$

2. Газ ($\uparrow$)

Летучее вещество, уходящее из раствора:

$$Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$$ $$CO_3^{2-} + 2H^+ \rightarrow H_2O + CO_2\uparrow$$ $$Na_2S + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2S\uparrow$$ $$S^{2-} + 2H^+ \rightarrow H_2S\uparrow$$ $$NH_4Cl + NaOH \rightarrow NaCl + NH_3\uparrow + H_2O$$ $$NH_4^+ + OH^- \rightarrow NH_3\uparrow + H_2O$$

3. Слабый электролит (чаще всего — вода)

Нейтрализация — классический пример:

$$NaOH + HCl \rightarrow NaCl + H_2O$$ $$OH^- + H^+ \rightarrow H_2O$$

При образовании других слабых электролитов:

$$CH_3COONa + HCl \rightarrow CH_3COOH + NaCl$$ $$CH_3COO^- + H^+ \rightarrow CH_3COOH \quad (\text{слабая кислота})$$

Алгоритм составления ионных уравнений

Шаг 1. Молекулярное уравнение

Запишите реакцию в молекулярной форме, расставьте коэффициенты.

Шаг 2. Полное ионное уравнение

Разложите на ионы только сильные электролиты, которые находятся в растворе:

• Сильные кислоты: $HCl$, $HNO_3$, $H_2SO_4$, $HBr$, $HI$, $HClO_4$
• Щёлочи: $NaOH$, $KOH$, $Ba(OH)_2$, $Ca(OH)_2$ и др.
• Растворимые соли

НЕ разлагают на ионы:

• Осадки ($\downarrow$) — нерастворимые вещества
• Газы ($\uparrow$) — $CO_2$, $H_2S$, $NH_3$, $SO_2$ и др.
• Слабые электролиты — $H_2O$, $H_2CO_3$, $H_2SO_3$, $NH_3 \cdot H_2O$, $CH_3COOH$
• Оксиды
• Простые вещества

Шаг 3. Сокращённое ионное уравнение

Вычеркните ионы-наблюдатели (одинаковые с обеих сторон). Оставшееся — суть реакции.

Таблица растворимости: ключевые правила

Не нужно запоминать всю таблицу — достаточно правил:

Растворимы практически все:

• Соли $Na^+$, $K^+$, $NH_4^+$
• Нитраты ($NO_3^-$)
• Ацетаты ($CH_3COO^-$), кроме $Ag^+$

Нерастворимы:

• Большинство сульфидов (кроме $Na_2S$, $K_2S$, $(NH_4)_2S$, $BaS$, $CaS$)
• Карбонаты, фосфаты, силикаты (кроме $Na^+$, $K^+$, $NH_4^+$)
• $AgCl$, $AgBr$, $AgI$
• $BaSO_4$, $PbSO_4$

Малорастворимы: $CaSO_4$, $PbCl_2$, $CaF_2$, $Ag_2SO_4$

Особые случаи

Реакция с образованием нестойкого вещества

Некоторые кислоты неустойчивы и разлагаются сразу после образования:

• $H_2CO_3 \rightarrow H_2O + CO_2\uparrow$
• $H_2SO_3 \rightarrow H_2O + SO_2\uparrow$
• $NH_4OH$ ($NH_3 \cdot H_2O$) при нагревании $\rightarrow NH_3\uparrow + H_2O$

Когда РИО не протекает

Если ни один из предполагаемых продуктов не является осадком, газом или слабым электролитом, реакция не идёт:

$$NaCl + KNO_3 \rightarrow NaNO_3 + KCl$$

— все четыре вещества растворимые сильные электролиты. Реакция не идёт (ионы просто смешиваются без изменений).

Примеры

Пример 1. Полный разбор

Задача: Запишите молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения реакции между растворами хлорида бария и серной кислоты.

Решение: Молекулярное:

$$BaCl_2 + H_2SO_4 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2HCl$$

Полное ионное:

$$Ba^{2+} + 2Cl^- + 2H^+ + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2H^+ + 2Cl^-$$

Сокращённое ионное:

$$Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4\downarrow$$

Пример 2. Реакция с газом

Задача: Составьте ионные уравнения реакции сульфида натрия с соляной кислотой.

Решение: Молекулярное:

$$Na_2S + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2S\uparrow$$

Полное ионное:

$$2Na^+ + S^{2-} + 2H^+ + 2Cl^- \rightarrow 2Na^+ + 2Cl^- + H_2S\uparrow$$

Сокращённое:

$$S^{2-} + 2H^+ \rightarrow H_2S\uparrow$$

Пример 3. Реакция не идёт

Задача: Произойдёт ли реакция при сливании растворов $NaCl$ и $KNO_3$?

Решение: Предполагаемые продукты: $NaNO_3$ и $KCl$ — оба растворимые, оба сильные электролиты. Нет осадка, газа, слабого электролита → реакция не протекает.

Вопросы для самопроверки

1. Запишите ионные уравнения реакции между $Ca(OH)_2$ и $HNO_3$.
2. Произойдёт ли реакция между растворами $Na_2SO_4$ и $KCl$? Почему?
3. Что образуется при добавлении $HCl$ к раствору $Na_2CO_3$? Запишите сокращённое ионное уравнение.
4. Почему нельзя разлагать на ионы осадки и газы?
5. Запишите три разных молекулярных уравнения, которым соответствует одно сокращённое ионное: $Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4\downarrow$.

Краткий конспект

• РИО — обмен ионами между электролитами в растворе (без изменения СО)
• Протекает до конца, если образуется: осадок $\downarrow$, газ $\uparrow$, слабый электролит ($H_2O$)
• Алгоритм: молекулярное → полное ионное → сокращённое ионное
• На ионы раскладывают только растворимые сильные электролиты
• Не раскладывают: осадки, газы, $H_2O$, слабые электролиты, оксиды
• Нестойкие: $H_2CO_3 \rightarrow H_2O + CO_2$; $H_2SO_3 \rightarrow H_2O + SO_2$

Что изучать дальше

Реакции ионного обмена логично продолжаются в уроке 21 «Растворы. Способы выражения концентрации», где вы освоите расчёты с растворами. Закрепить материал и расширить кругозор помогут урок 32 «Качественные реакции на катионы» и урок 33 «Качественные реакции на анионы».