Хімія. 9 клас. Березан

§ 12. Йонно-молекулярні рівняння

Ознайомившись із матеріалом параграфа, ви:

• дізнаєтесь, чим відрізняються йонно-молекулярні рівняння від молекулярних;
• навчитесь складати йонно-молекулярні рівняння за молекулярними і навпаки;
• дізнаєтесь, у яких випадках відбуваються реакції обміну між електролітами.

Складання йонно-молекулярних рівнянь

У рівнянні реакції, яка відбувається за участі електролітів, не відображено суті хімічного перетворення. Спробуймо з'ясувати, чому це так.

У розчинах електролітів унаслідок дисоціації містяться йони: позитивно й негативно заряджені, а в рівняннях реакцій ми пишемо формули речовин. З'ясуймо, що ж відбувається з йонами під час змішування розчинів електролітів, які взаємодіють.

Розгляньмо реакцію, яка відбувається, якщо до розчину купрум(ІІ) сульфату додати розчин натрій гідроксиду. Записуємо рівняння цієї реакції:

CuSO₄ + 2NaOH = Сu(ОН)₂↓ + Na₂SO₄.

Розчин купрум(ІІ) сульфату містить йони Сu²⁺ і сульфат-іони SO^2-₄, а розчин лугу — йони Na⁺ та гідроксид-іони ОН^-. Рівняння показує, що йони Сu²⁺ і ОН^- сполучились, утворивши нерозчинну у воді основу — купрум(ІІ) гідроксид, а йони Na⁺ та SO^2-₄ залишились у розчині незв'язаними, бо Na₂SO₄ — сильний електроліт.

Усе вищезазначене можна відобразити за допомогою рівняння, у якому замість формул електролітів записуємо формули йонів, на які вони продисоціювали, враховуючи індекси та коефіцієнти. Формули речовин, які не продисоціювали, переписуємо без змін:

Cu²⁺ + SO^2-₄ + 2Na⁺ + 2ОН^- = Сu(ОН)₂↓ + 2Na⁺ + SO^2-₄.

В обох частинах одержаного рівняння є йони Na⁺ та SO^2-₄, причому в однаковій кількості. Вилучивши їх, отримаємо компактне рівняння, яке передаватиме зміст хімічної взаємодії, що відбулася:

Cu²⁺ + 2ОН^- = Сu(ОН)₂↓.

Таке рівняння називають йонно-молекулярним рівнянням.

Йонно-молекулярне рівняння — це рівняння, яке містить формули речовин і йонів та показує суть хімічної взаємодії речовин.

Так, йонно-молекулярне рівняння Cu²⁺ + 2ОН^- = Сu(OН)₂↓ показує, що під час хімічного перетворення взаємодіяли йони Сu²⁺ та ОН^-, утворивши нерозчинну основу купрум(ІІ) гідроксид — Сu(ОН)₂.

Рекомендації щодо складання йонно-молекулярних рівнянь реакцій

1. Запишіть молекулярне хімічне рівняння; перевірте, чи правильно записано всі формули й дібрано коефіцієнти.

2. Користуючись таблицею розчинності, визначте, які реагенти і продукти реакції розчиняються у воді, а які — ні.

3. У вигляді йонів записують формули сильних електролітів:

• сильних кислот: HNO₃, НСl, H₂SO₄, НІ;
• сильних основ (лугів): KOH, NaOH, CsOH, Са(ОН)₂, Ва(ОН)₂;
• розчинних у воді солей: КСl, Na₂SO₄, К₃РО₄, ВаСl₂, Al₂(SO₄)₃; Fe(NO₃)₃.

4. У вигляді повних формул записують формули:

• води: Η₂Ο;
• слабких кислот і кислот середньої сили: H₂S. H₂SO₃, Н₃РО₄;
• нерозчинних основ і амфотерних гідроксидів: Сu(ОН)₂; Mg(OH)₂; Аl(OН)₃;
• нерозчинних і малорозчинних солей: CuS; AgCl, BaSO₄, СаСО₃;
• газуватих речовин: CO₂, SO₂, Н₂, H₂S;
• оксидів металічних і неметалічних елементів.

5. Знак ↓ ставлять біля формул нерозчинних і малорозчинних речовин, які випадають в осад, а знак ↑ — біля формул газуватих продуктів реакції.

6. У повному йонно-молекулярному рівнянні вилучають однакові йони в лівій і правій його частинах, якщо вони є. Їх кількість має бути однаковою. Якщо це не так, перевірте правильність добору коефіцієнтів.

7. Якщо в йонно-молекулярному рівнянні після вилучення однакових йонів усі коефіцієнти кратні, то їх ділять на відповідне число:

3Ва²⁺ + 3SO^2-₄ = 3BaSO₄↓;

Ва²⁺ + SO^2-₄ = BaSO₄↓.

Тепер виконаємо зворотні дії: користуючись йонно-молекулярним рівнянням, складемо молекулярне рівняння.

Приклад. Скласти молекулярне рівняння, яке відповідає йонно-молекулярному:

Fe³⁺ + 3OH^- = Fe(OH)₃↓.

Оскільки в лівій частині рівняння є лише йони, то це означає, що речовини, які використали для реакції, повністю дисоціюють у воді, тобто є сильними електролітами.

Користуючись таблицею розчинності, знайдемо кілька таких сполук: на перетині вертикального ряду Fe³⁺ і горизонтальних рядів має міститися літера «Р», а також на перетині горизонтального ряду ОН і вертикальних рядів має міститися літера «Р».

З утворенням йонів Fe³⁺ у розчині дисоціюють: FeCl₃, FeBr₃, FeSO₄, Fe₂(SO₄)₃ або Fe(NO₃)₃.

З утворенням йонів ОН^- у розчині дисоціюють: KOH, NaOH, Ва(ОН)₂.

Виберемо з поданих переліків FeCl₃ та КОН і складемо молекулярне рівняння їх взаємодії:

FeCl₃ + 3КОН = Fe(OH)₃↓ + 3КСl.

Складемо йонно-молекулярне рівняння:

Fe³⁺ + 3Cl^- + 3К⁺ + 3ОН^- = Fe(OH)₃↓ + 3K⁺ + 3Cl^-.

Вилучивши однакові йони в лівій і правій частинах рівняння, отримаємо:

Fe³⁺ + 3ОН^- = Fe(OH)₃↓.

Використання іншої пари електролітів дасть аналогічний результат:

Fe₂(SO₄)₃ + 6NaOH = 2Fe(OH)₃↓ + 3Na₂SO₄;

2Fe³⁺ + 3SO^2-₄ + 6Na⁺ + 6OH^- = 2Fe(OH)₃↓ + 6Na⁺ + 3SO^2-_4;

2Fe³ + 6OH^- = 2Fe(OH)₃↓;

Fe³⁺ + 3OH^- = Fe(OH)₃↓.

Рис. 12.1. Утворення осаду ферум(ІІІ) гідроксиду

Реакції обміну між електролітами в розчинах

Реакцією обміну можна вважати таку реакцію, серед продуктів якої є малорозчинна або нерозчинна сполука (утворює осад), виділяється газ чи утворюється слабкий електроліт, наприклад, вода. Отже, для з'ясування можливості перебігу реакцій потрібно встановити, чи йони розчину сполучаються один з одним і утворюють малорозчинні або нерозчинні речовини.

І. Розгляньмо реакцію обміну, що відбуватиметься з утворенням осаду. У пробірку з розчином ZnCl₂ додамо такий самий об'єм розчину аргентум(І) нітрату. Спостерігаємо утворення білого сирнистого осаду. Складаємо молекулярне та йонно-молекулярне рівняння реакції:

ZnCl₂ + 2AgNO₃ = 2AgCl↓ + Zn(NO₃)₂;

Zn²⁺ + 2Сl^- + 2Ag⁺ + 2NO^-₃ = 2AgCl↓ + Zn²⁺ + 2NO^-₃.

У лівій і правій частинах рівняння є однакові йони Zn²⁺ та NO^-₃. Вилучаємо їх і отримуємо:

2Сl^- + 2Ag⁺ = 2AgCl↓;

Cl^- + Ag⁺ = AgCl↓.

Рис. 12.2. Взаємодія розчину цинк хлориду з розчином аргентум(І) нітрату

Отже, випадання осаду є однією з умов перебігу реакцій обміну між розчинами електролітів.

II. Розгляньмо реакцію обміну, що відбуватиметься з утворенням газу. Причиною появи газів у реакціях обміну є розклад нестійких кислот — карбонатної та сульфітної:

Н₂СО₃ = СО₂↑ + Н₂О;

H₂SO₃ = SO₂↑ + H₂O.

У пробірку, що містить 1-2 мл розчину калій карбонату, додамо такий самий об'єм хлоридної кислоти. Спостерігаємо бурхливе виділення бульбашок газу. Складаємо молекулярне та йонно-молекулярне рівняння реакції:

К₂СО₃ + 2НСl = 2КСl + СО₂↑ + Н₂О;

2К⁺ + СО^2-₃ + 2Н⁺ + 2Сl^- = 2К⁺ + 2Сl^- + СО₂↑ + Н₂О;

СО^2-₃ + 2Н⁺ = СО₂↑ + Н₂О.

Отже, виділення газу є однією з умов перебігу реакцій обміну між розчинами електролітів.

III. Розгляньмо реакцію йонного обміну, що відбувається з утворенням малодисоційованої речовини. У пробірку з 2 мл розчину натрій гідроксиду додамо кілька крапель фенолфталеїну. Розчин набув малинового забарвлення. Це свідчить про те, що середовище лужне, тобто містить йони ОH^-. По краплині додаємо в розчин розчин нітратної кислоти. Спостерігаємо поступове зникнення малинового забарвлення. Це свідчить, що йонів ОH^- у розчині вже немає, бо луг повністю прореагував з нітратною кислотою.

Складаємо молекулярне та йонно-молекулярне рівняння реакції:

NaOH + HNO₃ = NaNO₃ + Η₂Ο;

Na⁺ + OH^- + Η⁺ + NO^-₃ = Na⁺ + NO^-₃ + H₂O;

OH^- + H⁺ = H₂O.

Отже, утворення води як малодисоційованої речовини є однією з умов перебігу реакцій обміну між розчинами електролітів.

Рис. 12.3. Взаємодія розчину натрій гідроксиду з розчином нітратної кислоти

IV. Розгляньмо випадок, коли зливають розчини двох електролітів, але реакція не відбувається. Наприклад, якщо до розчину калій хлориду додати розчин натрій нітрату, то ніяких зовнішніх змін у розчинах ми не побачимо.

Складемо рівняння передбачуваної реакції між електролітами:

КСl + NaNO₃ = KNO₃ + NaCl.

Якщо формули електролітів подати у вигляді йонів, на які вони дисоціюють у воді, то побачимо, що ліва і права частини рівняння однакові:

К⁺ + Сl^- + Na⁺ + NO^-₃ ≠ K⁺ + NO^-₃ + Na⁺+ Сl^-.

Отже, реакція між цими речовинами не відбувається.

Лабораторний дослід 4

Реакції обміну між електролітами у водних розчинах, що супроводжуються утворенням осаду.

У пробірку налийте приблизно 2 мл розчину магній сульфату й додайте такий самий об'єм розчину барій хлориду. Що спостерігаєте? Складіть молекулярне та йонно-молекулярне рівняння.

Лабораторний дослід 5

Реакції обміну між електролітами у водних розчинах, що супроводжуються виділенням газу.

У пробірку налийте приблизно 1 мл розчину натрій карбонату й додайте такий самий об'єм розчину нітратної кислоти. Що спостерігаєте? Складіть молекулярне та йонно-молекулярне рівняння.

Лабораторний дослід 6

Реакції обміну між електролітами у водних розчинах, що супроводжуються утворенням води.

У пробірку налийте приблизно 1 мл розчину калій гідроксиду, додайте кілька крапель фенолфталеїну. Що спостерігаєте? Потім краплинами додавайте розчин сульфатної кислоти, періодично перемішуючи суміш скляною паличкою. Що спостерігаєте? Поясніть зміну кольору вмісту пробірки після додавання сульфатної кислоти. Складіть молекулярне та йонно-молекулярне рівняння.

Підсумки

• 1. Йонно-молекулярні рівняння передають суть реакції, що відбувається між електролітами в розчині.
• 2. Під час складання йонно-молекулярних рівнянь у вигляді йонів записують лише формули сильних електролітів.
• 3. Виходячи зі скороченого йонно-молекулярного рівняння, можна скласти кілька варіантів молекулярних рівнянь.
• 4. Реакції обміну між електролітами в розчині відбуваються лише тоді, коли серед їх продуктів є малорозчинна або нерозчинна сполука, газ чи вода.

Контрольні запитання

• 1. Які рівняння називають йонно-молекулярними?
• 2. Формули яких речовин у йонно-молекулярних рівняннях записують у вигляді молекул?
• 3. Формули яких речовин у йонно-молекулярних рівняннях записують у вигляді йонів?
• 4. У яких випадках реакції йонного обміну не відбуваються?
• 5. Чому під час реакції йонного обміну кількість йонів у розчині зменшується?
• 6. Чому йони Са²⁺ та РО^3-₄ не можуть одночасно перебувати в розчині?
• 7. Які сполуки Купруму(ІІ) можна використати для складання молекулярних рівнянь, що відповідатимуть такому йонно-молекулярному рівнянню:

Cu²⁺ + 2ОН^- = Сu(ОН)₂↓?

• 8. Які йони не можуть одночасно міститись у розчині й чому:

a)Na⁺ i S^2-; б)К⁺ i Вr^-; B)Zn²⁺ i CO^2-₃; г) Сu²⁺ і S^2-?

• 9. Укажіть йони, які можуть одночасно міститись у розчині:

a) Mg²⁺ і СО^2-₃; б) Fe³⁺ і ОН^-; в) Ag⁺ і РО^3-₄; г) Mg²⁺ і Сl^-.

Вправи та задачі

1. Складіть йонно-молекулярні рівняння реакцій, що відбуваються в розчині між такими електролітами:

• а) ферум(ІІІ) сульфатом і барій гідроксидом;
• б) магній хлоридом і калій ортофосфатом;
• в) барій гідроксидом і купрум(ІІ) нітратом;
• г) літій карбонатом і нітратною кислотою.

2. Чи можлива реакція у водному розчині між такими сполуками:

• а) магній хлоридом і калій гідроксидом;
• б) цинк сульфатом і натрій хлоридом;
• в) калій сульфідом і натрій нітратом;
• г) купрум(ІІ) нітратом і барій гідроксидом?

Відповідь аргументуйте.

3. Напишіть молекулярні та йонно-молекулярні рівняння реакцій, які відбуваються, якщо змішати розчини:

• а) К₂СО₃ і MgCl₂;
• б) AgNO₃ і К₃РО₄;
• в) Ва(ОН)₂ і HNO₃;
• г)AlCl₃ i AgNO₃;
• ґ) ZnSO₄ i Ba(NO₃)₂;
• д) Li₂CO₃ і H₂SO₄.

4. Складіть молекулярні рівняння реакцій, що відповідають таким йонно-молекулярним рівнянням:

• a) 3Zn²⁺ + 2РО^3-₄ = Zn₃(PO₄)₂↓;
• б) Аl³⁺ + 3ОН^- = Аl(ОН)₃↓;
• в) 2Ag⁺+ SO^2-₃ = Ag₂SO₃↓;
• г) CO^2-₃ + 2H⁺ = CO₂↑ + H₂O;
• ґ) Ag⁺ + Br^- = AgBr↓;
• д) Cu(OH)₂ + 2H⁺ = Cu²⁺ + 2H₂O.

5. Випишіть формули сполук, з якими взаємодіє у водному розчині калій карбонат, і складіть відповідні молекулярні та йонно-молекулярні рівняння:

• a)Zn₃(PO₄)₂;
• б) CaBr₂;
• в)Zn(NO₃)₂;
• г) BaSO₄;
• ґ) NaBr;
• д) Ba(NO₃)₂.

6. Доберіть пари електролітів, які взаємодіють у розчині з утворенням:

• а) магній гідроксиду;
• б) манган(ІІ) сульфіду;
• в) барій ортофосфату;
• г) хром(ІІІ) гідроксиду.

7. У воді, об'єм якої 200 мл, розчинили 0,2 моль калій ортофосфату. Визначте:

• а) масу йонів К⁺;
• б) масову частку йонів К⁺ в отриманому розчині.

8. Складіть йонно-молекулярні рівняння таких реакцій:

• a) CuCl₂ + AgNO₃ → ;
• б) Al(OH)₃ + HNO → ;
• в) ZnCO₃ + HNO₃ →;
• г) MgCO₃ + HCl → ;
• ґ) Li₂SO₃ + HCl → ;
• д) Cu(OH)₂ + H₂SO₄ → .

9. Яка з реакцій виражається йонно-молекулярним рівнянням ОН^- + H⁺ = Н₂О:

• a) Cu(OH)₂ + 2НСl = СuСl₂ + 2Н₂О;
• б) К₂СО₃ + 2HNO₃ = 2KNO₃ + СО₂↑ + Н₂О;
• в) Mn(OH)₂ + H₂SO₄ = MnSO₄ + 2Н₂О;
• г) 2LiOH + H₂SO₄ = Li₂SO₄ + 2Н₂О?