Хімія. Повторне видання. 9 клас. Григорович

§ 12. Реакції обміну між розчинами електролітів. Йонно-молекулярні рівняння хімічних реакцій

Йонно-молекулярні рівняння реакцій

Як ви вже вивчали у 8 класі, реакції обміну між солями, кислотами й основами в розчинах відбуваються за умови, що в результаті реакції:

• утворюється вода;
• випадає осад (нерозчинна у воді речовина);
• виділяється газ.

Розгляньмо, як відбуваються реакції обміну між розчинами електролітів, з позицій теорії електролітичної дисоціації. Для цього складають йонно-молекулярні рівняння: в молекулярному рівнянні реакції формули сильних електролітів замінюють формулами йонів, на які дисоціюють ці електроліти, а інші речовини (осади, гази, слабкі електроліти, оксиди тощо) — залишають у молекулярній формі.

Складемо йонно-молекулярне рівняння реакції нейтралізації хлоридної кислоти натрій гідроксидом. Спочатку записуємо молекулярне рівняння цієї реакції:

НСl + NaOH = NaCl + Н₂О

Реагенти й один із продуктів реакції — це сильні електроліти. У водному розчині вони містяться винятково у вигляді йонів, а вода на йони майже не дисоціює. Зважаючи на це, замінюємо формули сильних електролітів формулами йонів:

H⁺ + Cl^- + Na⁺ + ОН^- = Na⁺ + Сl^- + Н₂О

Такий запис називають повним йонно-молекулярним рівнянням реакції. У ньому записані всі частинки, що реально містяться в розчині. Із цього рівняння видно, що йони Сl^- і Na⁺ у реакції не беруть участі — вони записані і в лівій, і в правій частинах рівняння, тому їх можна вилучити (скоротити):

H⁺ + OH^- = H₂O

Ми отримали скорочене йонно-молекулярне рівняння реакції. Воно показує хімічну суть цієї реакції: якщо в розчині одночасно наявні йони Н⁺ і ОН^-, вони взаємодіють один з одним, утворюючи слабкий електроліт — воду.

У такий спосіб можна скласти йонно-молекулярне рівняння для будь-якої реакції в розчині. Такі рівняння відображають реальний процес, що відбувається в розчині, оскільки частина йонів не бере участі в реакції.

Реакції обміну з утворенням води

Складемо йонно-молекулярне рівняння реакції сульфатної кислоти з калій гідроксидом. Зверніть увагу, що необхідно враховувати стехіометричні коефіцієнти:

H₂SO₄ + 2КОН = K₂SO₄ + 2Н₂О

2Н⁺ + SO₄^2- + 2К⁺ + 2ОН^- = 2К⁺ + SO₄^2- + 2Н₂О — повне рівняння

2Н⁺ + 2ОН^- = 2Н₂О або Н⁺ + ОН^- = Н₂О — скорочене рівняння

Як видно, повне йонно-молекулярне рівняння цієї реакції відрізняється від рівняння, складеного в попередньому підрозділі. Але скорочене йонно-молекулярне рівняння таке саме, як і для реакції хлоридної кислоти з натрій гідроксидом.

Обидві ці реакції є реакціями нейтралізації. Отже, хімічна суть реакцій нейтралізації полягає у сполученні йонів Н⁺ і ОН^- у молекулу слабкого електроліту — води.

Розглянемо ще приклади взаємодії основ із кислотами.

Реакція між сульфатною кислотою й нерозчинним купрум(ІІ) гідроксидом:

H₂SO₄ + Cu(OH)₂ = CuSO₄ + 2Н₂О

2Η⁺ + SO₄^2- + Cu(OH)₂ = Cu²⁺ + SO₄^2- + 2H₂O

2H⁺ + Cu(OH)₂ = Cu²⁺ + 2H₂O

Взаємодія між слабкою сульфідною кислотою й калій гідроксидом:

H₂S + 2КОН = K₂S + 2Н₂О

H₂S + 2K⁺ + 2OH^- = 2K⁺ + S^2- + 2H₂O

H₂S + 2OH^- = S^2- + 2H₂O

Зверніть увагу, у цих рівняннях формули слабких електролітів (Сu(ОН)₂ та H₂S) ми залишили в молекулярній формі, оскільки вони майже не дисоціюють на йони в розчині.

Реакції обміну з утворенням осаду

Розгляньмо реакцію обміну між розчинними солями:

ВаСl₂ + Na₂SO₄ = BaSO₄↓ + 2NaCl

Обидва реагенти й натрій хлорид — сильні електроліти, під час розчинення у воді вони повністю дисоціюють, а барій сульфат — нерозчинний:

Ва²⁺ + 2Сl^- + 2Na⁺+ SO₄^2- = BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2Сl^-

Скорочене йонно-молекулярне рівняння отримуємо після вилучення однакових йонів у лівій і правій частинах:

Отже, суть процесу полягає у взаємодії йонів Барію та сульфат-іонів з утворенням осаду барій сульфату.

Якщо в разі змішування розчинів двох розчинних солей осад не утворюється, то реакція не відбувається. Наприклад, під час зливання розчинів калій хлориду й магній сульфату жодних видимих змін не спостерігається. Запишемо рівняння цієї реакції обміну:

2КСl + MgSO₄ = MgCl₂ + K₂SO₄

Усі речовини — сильні електроліти:

2К⁺ + 2Сl^- + Mg²⁺ + SO₄^2- = Mg²⁺ + 2Сl^- + 2К⁺ + SO₄^2-

Бачимо, що ліва й права частини рівняння однакові, тобто утворений розчин містить усі йони, що були в розчинах реагентів.

Очевидно, що в цьому випадку ніякі йони один з одним не сполучаються, змін у розчині не відбувається. Це означає, що реакція неможлива:

КСl + MgSO₄ ≠

Реакції обміну з виділенням газу

Газуваті речовини, що виділяються в реакціях обміну, зазвичай неелектроліти або слабкі електроліти. Тому під час складання йонно-молекулярних рівнянь їхні формули залишають у молекулярній формі.

Розглянемо реакцію натрій сульфіду з хлоридною кислотою:

Na₂S + 2НСl = 2NaCl + H₂S↑

Гідроген сульфід хоча і є кислотою, але дуже слабкою. До того ж гідроген сульфід погано розчиняється у воді, тому в разі утворення виділяється з розчину у вигляді газу, про що свідчить поява специфічного запаху сірководню — запаху тухлих яєць. Йонно-молекулярні рівняння цієї реакції:

2Na⁺ + S^2- + 2Н⁺ + 2Сl^- = 2Na⁺ + 2Сl^- + H₂S↑

S^2- + 2H⁺ = H₂S↑

Реакції обміну можуть відбуватися навіть за участі нерозчинних у воді солей, якщо вони утворені слабкими кислотами: карбонатів, сульфітів і деяких сульфідів. Це можливо тому, що сильна кислота витісняє слабку з її солі, навіть із осаду.

Складемо рівняння взаємодії кальцій карбонату з хлоридною кислотою:

СаСО₃ + 2НСl = СаСl₂ + СО₂↑ + Н₂О

СаСО₃ + 2Н⁺ + 2Сl^- = Са²⁺ + 2Сl^- + СО₂↑ + Н₂О

СаСО₃ + 2Н⁺ = Са²⁺ + СО₂↑ + Н₂О

В усіх розглянутих випадках у результаті реакції обміну деякі йони сполучаються між собою, при цьому утворюються неелектроліти (гази) та слабкі електроліти (вода або нерозчинні речовини).

Реакції йонного обміну в розчинах відбуваються, якщо в результаті реакції утворюється слабкий електроліт або неелектроліт.

Відтворення молекулярних рівнянь за скороченим йонно-молекулярним рівнянням

Часто трапляються випадки, коли нам відоме тільки скорочене йонно-молекулярне рівняння, а необхідно визначити реагенти й скласти рівняння реакції в молекулярній формі.

Наприклад, нам необхідно здійснити хімічну реакцію, якій відповідає таке скорочене йонно-молекулярне рівняння:

S^2- + 2Н⁺ = H₂S↑

Для відтворення молекулярного рівняння необхідно визначити речовини, під час дисоціації яких утворюються йони з наведеного скороченого рівняння. Сульфід-іони S^2- утворюються під час дисоціації розчинних сульфідів: Na₂S, K₂S та BaS.

Другий реагент має дисоціювати з утворенням йонів Н⁺. Цій умові відповідає будь-яка сильна кислота. Отже, одним із варіантів молекулярного рівняння є:

K₂S + 2НВr = 2КВr + H₂S↑

Звісно, що це не єдиний можливий варіант. Тому одному скороченому йонно-молекулярному рівнянню може відповідати декілька молекулярних. Таке вміння визначати реагенти стане вам у пригоді під час проведення лабораторних експериментів.

Реакції йонного обміну в розчинах відбуваються до кінця в бік зв'язування йонів, коли один із продуктів реакції виводиться з реакційного середовища. Розгляньмо реакцію між розчинами натрій хлориду й сульфатної кислоти:

2NaCl + H₂SO₄ ≠ Na₂SO₄ + 2НСl

Оскільки всі реагенти й продукти реакції добре розчинні та є сильними електролітами, то в розбавлених розчинах ця реакція не відбуватиметься. Але якщо реакцію проводити в умовах нестачі розчинника, тобто натрій хлорид узяти не у вигляді розчину, а в сухому, і сульфатну кислоту взяти у вигляді концентрованого розчину, то реакція можлива. Гідроген хлорид, хоча й добре розчиняється у воді, але обмежено:

NаСl(крист.) + Н₂SО₄(конц.) = NaHSO₄ + НСl↑