Ионные уравнения реакций. Растворы электролитов
В растворах электролитов реакции происходят между гидратированными ионами, поэтому их называют ионными реакциями. В направлении их важное значение имеют природа и прочность химической связи в продуктах реакции. Обычно обмен в растворах электролитов приводит к образованию соединения с более прочной химической связью. Так, при взаимодействии растворов солей хлорида бария ВаСl 2 и сульфата калия K 2 SO 4 в смеси окажутся четыре вида гидратированных ионов Ва 2 +(Н 2 О)n, Сl - (H 2 O)m, K + (H 2 O)p, SO 2 -4 (H 2 O)q, между которыми произойдет реакция по уравнению:
BaCl 2 +K 2 SO 4 =BaSO 4 +2КСl
Сульфат бария выпадет в виде осадка, в кристаллах которого химическая связь между ионами Ва 2+ и SO 2- 4 более прочная, чем связь с гидратирующими их молекулами воды. Связь же ионов К+ и Сl - лишь незначительно превышает сумму энергий их гидратации, поэтому столкновение этих ионов не приведет к образованию осадка.
Следовательно, можно сделать следующий вывод. Реакции обмена происходят при взаимодействии таких ионов, энергия связи между которыми в продукте реакции намного больше, чем сумма энергий их гидратации.
Реакции ионного обмена описываются ионными уравнения-ми. Труднорастворимые, летучие и малодиссоциированные соеди-нения пишут в молекулярной форме. Если при взаимодействии растворов электролитов не образуется ни одного из указанных видов соединения, это означает, что практически реакции не протекают.
Образование труднорастворимых соединений
Например, взаимодействие между карбонатом натрия и хлоридом бария в виде молекулярного уравнения запишется так:
Na 2 CO 3 + ВаСl 2 = BaCO 3 +2NaCl или в виде:
2Na + +СO 2- 3 +Ва 2+ +2Сl - = BaCO 3 + 2Na + +2Сl -
Прореагировали только ионы Ва 2+ и СО -2 , состояние остальных ионов не изменилось, поэтому краткое ионное уравнение примет вид:
CO 2- 3 +Ba 2+ =BaCO 3
Образование летучих веществ
Молекулярное уравнение взаимодействия карбоната кальция и соляной кислоты запишется так:
СаСO 3 +2НСl=СаСl 2 +Н 2 О+CO 2
Один из продуктов реакции - диоксид углерода СО 2 - выделился из сферы реакции в виде газа. Развернутое ионное уравнение имеет вид:
СаСО 3 +2Н + +2Сl - = Са 2+ +2Сl - +Н 2 O+CO 2
Результат реакции описывается следующим кратким ионным уравнением:
СаСO 3 +2Н + =Са 2+ +Н 2 О+CO 2
Образование малодиссоцированного соединения
Примером такой реакции служит любая реакция нейтрализации, в результате чего образуется вода - малодиссоциированное соединение:
NaOH+НСl=NaCl+Н 2 О
Na + +ОН-+Н + +Cl - = Na + +Сl - +Н 2 О
ОН-+Н+= Н 2 O
Из краткого ионного уравнения следует, что процесс выразился во взаимодействии ионов Н+ и ОН-.
Все три вида реакций идут необратимо, до конца.
Если слить растворы, например, хлорида натрия и нитрата кальция, то, как показывает ионное уравнение, никакой реакции не произойдет, так как не образуется ни осадка, ни газа, ни малодиссоциирующего соединения:
По таблице растворимости устанавливаем, что AgNO 3 , КСl, KNO 3 - растворимые соединения, AgCl - нерастворимое вещество.
Составляем ионное уравнение реакции с учетом растворимости соединений:
Краткое ионное уравнение раскрывает сущность происходящего химического превращения. Видно, что фактически приняли участие в реакции лишь ионы Ag+ и Сl - . Остальные ионы остались без изменения.
Пример 2. Составьте молекулярное и ионное уравнение реакции между: а) хлоридом железа (III) и гидроксидом калия; б) сульфатом калия и иодидом цинка.
а) Составляем молекулярное уравнение реакции между FeCl 3 и КОН:
По таблице растворимости устанавливаем, что из полученных соединений нерастворим только гидроксид железа Fe(OH) 3 . Составляем ионное уравнение реакции:
В ионном уравнении показано, что коэффициенты 3, стоящие в молекулярном уравнении, в равной степени относятся к ионам. Это общее правило составления ионных уравнений. Изобразим уравнение реакции в краткой ионной форме:
Это уравнение показывает, что в реакции принимали участие лишь ионы Fe3+ и ОН-.
б) Составим молекулярное уравнение для второй реакции:
K 2 SO 4 +ZnI 2 = 2KI+ZnSO 4
Из таблицы растворимости следует, что исходные и полученные соединения растворимы, поэтому реакция обратима, не доходит до конца. Действительно, здесь не образуется ни осадка, ни газообразного соединения, ни малодиссоциированного соединения. Составим полное ионное уравнение реакции:
2К + +SO 2- 4 +Zn 2+ +2I - + 2К + + 2I - +Zn 2+ +SO 2- 4
Пример 3. По ионному уравнению: Cu 2+ +S 2- -= CuS составить молекулярное уравнение реакции.
Ионное уравнение показывает, что в левой части уравнения Должны быть молекулы соединений, имеющих в своем составе ионы Cu 2+ и S 2-. Эти вещества должны быть растворимы в воде.
По таблице растворимости выберем два растворимых соединения, в состав которых входят катион Cu 2+ и анион S 2-. Составим молекулярное уравнение реакции между данными соединениями:
CuSO 4 +Na 2 S CuS+Na 2 SO 4
SO 4 2- + Ba 2+ → BaSO 4 ↓
Алгоритм:
Подбираем к каждому иону противоион, пользуясь таблицей растворимости, чтобы получилась нейтральная молекула – сильный электролит.
1. Na 2 SO 4 + BaCl 2 → 2 NaCl + BaSO 4
2. BaI 2 + K 2 SO 4 → 2KI + BaSO 4
3. Ba(NO 33) 2 + (NH 4) 2 SO 4 → 2 NH 4 NO 3 + BaSO 4
Ионные полные уравнения:
1. 2 Na + + SO 4 2- + Ba 2- + 2 Cl‾ → 2 Na + + 2 Cl‾ + BaSO 4
2. Ba 2+ + 2 I‾ + 2 K + + SO 4 2- → 2 K + + 2 I‾ + BaSO 4
3. Ba 2+ + 2 NO 3 ‾ + 2 NH 4 + + SO 4 2- → 2 NH 4 + + 2 NO 3 ‾ + BaSO 4
Вывод: к одному краткому уравнению можно составить множество молекулярных уравнений.
ТЕМА 9. ГИДРОЛИЗ СОЛЕЙ
Гидролиз солей – ионообменная реакция соли с водой, приводя-
от греч. «гидро» щая к образованию слабого электролита (либо
Вода, «лизис» - слабого основания, либо слабой кислоты) и изме-
разложение нению среды раствора.
Любую соль можно представить как продукт взаимодействия основания с
кислотой.
Сильное Слабое Сильная Слабая может быть образована
1. LiOH NH 4 OH или 1. Н 2 SO 4 все осталь- 1. Сильным основанием и
2. NaOH NH 3 · H 2 O 2. HNO 3 ные слабой кислотой.
3. KOH все осталь - 3. HCl 2. Слабым основанием и
4. RbOH ные 4. HBr сильной кислотой.
5. CsOH 5. HI 3. Слабым основанием и
6. FrOH 6. HClO 4 слабой кислотой.
7. Ca(OH) 2 4. Сильным основанием и
8. Sr(OH) 2 сильной кислотой.
9. Ва(ОН) 2
СОСТАВЛЕНИЕ ИОННО-МОЛЕКУЛЯРНЫХ УРАВНЕНИЙ ГИДРОЛИЗА.
РЕШЕНИЕ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ ПО ТЕМЕ: «ГИДРОЛИЗ СОЛЕЙ»
Задача № 1.
Составить ионно-молекулярные уравнения гидролиза соли Na 2 CO 3 .
Алгоритм Пример
1. Составить уравнение диссо-
циации соли на ионы. Na 2 CO 3 → 2Na + + CO 3 2- Na + →NaOН - сильное
2. Проанализировать, каким CO 3 2- →H 2 CO 3 - слабая
Основанием и какой кисло-
той образована соль. продукт
3. Сделать вывод, какой сла- гидролиза
бый электролит – продукт
гидролиза.
4. Написать уравнения гидроли-
I ступень.
А) составить краткое ионное I. а) CO 3 2- + H + │OH ‾ HCO 3 ‾ + OH ‾
уравнение, определить среду
раствора. pH>7, щелочная среда
Б) составить полное ионное б) 2Na + +CO 3 2- +HOH Na + +HCO 3 ‾ +Na + +OH ‾
уравнение, зная, что молеку-
ла – электронейтральная ча-
стица, подобрать к каждому
иону противоион.
В) составить молекулярное в) Na 2 CO 3 + HOH NaHCO 3 + NaOH
уравнение гидролиза.
Гидролиз протекает ступенчато, если слабое основание – многокислотное, а слабая кислота – многоосновная.
II ступень (см. алгоритм выше NaHCO 3 Na + + HCO 3 ‾
1, 2, 3, 4а, 4б, 4в). II. а) HCO 3 ‾ + HOH H 2 CO 3 + OH ‾
Б) Na + + HCO 3 ‾ H 2 CO 3 + Na + + OH ‾
В) NaHCO 3 + HOH H 2 CO 3 + NaOH
Вывод: соли, образованные сильными основаниями и слабыми кислотами подвергаются частичному гидролизу (по аниону), среда раствора щелочная (рН>7).
Задача № 2.
Составить ионно-молекулярные уравнения гидролиза соли ZnCl 2 .
ZnCl 2 → Zn 2+ + 2 Cl ‾ Zn 2+ → Zn(OH) 2 – слабое основание
Cl ‾ → HCl – сильная кислота
I. а) Zn 2+ + H + /OH ‾ ZnOH + + H + среда кислая, рН<7
Б) Zn 2+ + 2 Cl ‾ + HOH ZnOH + + Cl ‾ + H + + Cl ‾
В) ZnCl 2 + HOH ZnOHCl + HCl
II. а) ZnOH + + HOH Zn(OH) 2 + H +
Б) ZnOH + + Cl ‾ + HOH Zn(OH) 2 + H + + Cl ‾
В) ZnOHCl + HOH Zn(OH) 2 + HCl
Вывод: соли, образованные слабыми основаниями и сильными кислотами подвергаются частичному гидролизу (по катиону), среда раствора кислая.
Задача № 3.
Составить ионно-молекулярные уравнения гидролиза соли Al 2 S 3 .
Al 2 S 3 → 2 Al 3+ + 3 S 2- Al 3+ → Al(OH) 3 – слабое основание
S 2- → H 2 S – слабая кислота
а), б) 2 Al 3+ + 3 S 2- + 6 HOH → 2 Al(OH) 3 ↓ + 3 H 2 S
в) Al 2 S 3 + 6 H 2 O → 2 Al(OH) 3 + 3 H 2S S
Вывод: соли, образованные слабыми основаниями и слабыми кислотами подвергаются полному (необратимому) гидролизу, среда раствора близка к нейтральной.
Инструкция
В левой части уравнения запишите вещества, вступающие в химическую реакцию. Их называют «исходными веществами». В правой части, соответственно, образовавшиеся вещества («продукты реакции»).
Количество атомов всех элементов в левой и правой части реакции должно быть . При необходимости, «уравновешивание» количества произведите путем подбора коэффициентов.
При написании уравнения химической реакции, сначала убедитесь, что она вообще возможна. То есть, что ее протекание не противоречит известным физико-химическим правилам и свойствам веществ. Например, реакция:
NaI + AgNO3 = NaNO3 + AgI
Она протекает быстро и до конца, в ходе реакции образуется нерастворимый светло-желтый осадок йодистого серебра. А обратная реакция:
AgI + NaNO3 = AgNO3 + NaI - невозможна, хоть и записана правильными символами, и количество атомов всех элементов в левой и правой части одинаково.
Запишите уравнение в «полной» форме, то есть, используя их молекулярные формулы. Например, реакцию образования осадка сульфата :
BaCl2 + Na2SO4 = 2NaCl + BaSO4
А можете ту же реакцию записать в ионной форме:
Ba 2+ + 2Cl- + 2Na+ + SO4 2- = 2Na+ + 2Cl- + BaSO4
Точно так же можно записать в ионной форме уравнение другой реакции. Запомните, что каждая молекула растворимого (диссоциирующего) вещества записывается в ионном виде, одинаковые ионы в левой и правой части уравнения исключаются.
Касательная к кривой - прямая, которая прилегает к этой кривой в заданной точке, то есть проходит через нее так, что на небольшом участке вокруг этой точки можно без особой потери точности заменить кривую на отрезок касательной. Если эта кривая является графиком функции, то касательную к ней можно построить по специальному уравнению.
Инструкция
Предположим, что у вас есть график некоторой функции. Через две точки, лежащие на этом , можно провести прямую. Такая прямая, пересекающая график заданной функции в двух точках, называется секущей.
Если, оставляя первую точку на месте, постепенно двигать в ее направлении вторую точку, то секущая постепенно станет поворачиваться, стремясь к какому-то определенному положению. В конце концов, когда две точки сольются в одну, секущая будет плотно прилегать к вашему в этой единственной точке. Иными , секущая превратится в касательную.
Любая наклонная (то есть не вертикальная) прямая на координатной плоскости является графиком уравнения y = kx + b. Секущая, проходящая через точки (x1, y1) и (x2, y2), должна, таким образом, соответствовать условиям:
kx1 + b = y1, kx2 + b = y2.
Решая эту систему двух линейных уравнений, получаем: kx2 - kx1 = y2 - y1. Таким образом, k = (y2 - y1)/(x2 - x1).
Когда расстояние между x1 и x2 стремится к нулю, разности превращаются в дифференциалы. Таким образом, в уравнении касательной, проходящей через точку (x0, y0) коэффициент k будет равен ∂y0/∂x0 = f′(x0), то есть значению производной от функции f(x) в точке x0.
Чтобы узнать коэффициент b, подставим уже вычисленное значение k в уравнение f′(x0)*x0 + b = f(x0). Решая это уравнение относительно b, мы получим, что b = f(x0) - f′(x0)*x0.
В качестве примера рассмотрим уравнение касательной к функции f(x) = x^2 в точке x0 = 3. Производная от x^2 равна 2x. Следовательно, уравнение касательной приобретает вид:
y = 6*(x - 3) + 9 = 6x - 9.
Правильность этого уравнения легко
Сбалансируйте полное молекулярное уравнение. Прежде чем приступить к записи ионного уравнения, следует сбалансировать исходное молекулярное уравнение. Для этого необходимо расставить соответствующие коэффициенты перед соединениями, так чтобы число атомов каждого элемента в левой части равнялось их количеству в правой части уравнения.
- Запишите число атомов каждого элемента по обе стороны уравнения.
- Добавьте перед элементами (кроме кислорода и водорода) коэффициенты, так чтобы количество атомов каждого элемента в левой и правой части уравнения было одинаковым.
- Сбалансируйте атомы водорода.
- Сбалансируйте атомы кислорода.
- Пересчитайте количество атомов каждого элемента по обе стороны уравнения и убедитесь, что оно одинаково.
- Например, после балансировки уравнения Cr + NiCl 2 --> CrCl 3 + Ni получаем 2Cr + 3NiCl 2 --> 2CrCl 3 + 3Ni.
Определите, в каком состоянии находится каждое вещество, которое участвует в реакции. Часто об этом можно судить по условию задачи. Есть определенные правила, которые помогают определить, в каком состоянии находится элемент или соединение.
Определите, какие соединения диссоциируют (разделяются на катионы и анионы) в растворе. При диссоциации соединение распадается на положительный (катион) и отрицательный (анион) компоненты. Эти компоненты затем войдут в ионное уравнение химической реакции.
Посчитайте заряд каждого диссоциировавшего иона. При этом помните, что металлы образуют положительно заряженные катионы, а атомы неметаллов превращаются в отрицательные анионы. Определите заряды элементов по таблице Менделеева. Необходимо также сбалансировать все заряды в нейтральных соединениях.
Перепишите уравнение так, чтобы все растворимые соединения были разделены на отдельные ионы. Все что диссоциирует или ионизируется (например, сильные кислоты) распадется на два отдельных иона. При этом вещество останется в растворенном состоянии (р-р ). Проверьте, чтобы уравнение было сбалансировано.
- Твердые вещества, жидкости, газы, слабые кислоты и ионные соединения с низкой растворимостью не изменят своего состояния и не разделятся на ионы. Оставьте их в прежнем виде.
- Молекулярные соединения просто рассеются в растворе, и их состояние изменится на растворенное (р-р ). Есть три молекулярных соединения, которые не перейдут в состояние (р-р ), это CH 4(г ) , C 3 H 8(г ) и C 8 H 18(ж ) .
- Для рассматриваемой реакции полное ионное уравнение запишется в следующем виде: 2Cr (тв ) + 3Ni 2+ (р-р ) + 6Cl - (р-р ) --> 2Cr 3+ (р-р ) + 6Cl - (р-р ) + 3Ni (тв ) . Если хлор не входит в состав соединения, он распадается на отдельные атомы, поэтому мы умножили количество ионов Cl на 6 с обеих сторон уравнения.
Сократите одинаковые ионы в левой и правой части уравнения. Можно вычеркнуть лишь те ионы, которые полностью идентичны с обеих сторон уравнения (имеют одинаковые заряды, нижние индексы и так далее). Перепишите уравнение без этих ионов.
- В нашем примере обе части уравнения содержат 6 ионов Cl - , которые можно вычеркнуть. Таким образом, получаем краткое ионное уравнение: 2Cr (тв ) + 3Ni 2+ (р-р ) --> 2Cr 3+ (р-р ) + 3Ni (тв ) .
- Проверьте результат. Суммарные заряды левой и правой частей ионного уравнения должны быть равны.
Так как электролиты в растворе находятся в виде ионов, то реакции между растворами солей, оснований и кислот – это реакции между ионами, т.е. ионные реакции. Некоторые из ионов, участвуя в реакции, приводят к образованию новых веществ (малодиссоциирующих веществ, осадков, газов, воды), а другие ионы, присутствуя в растворе, не дают новых веществ, но остаются в растворе. Для того, чтобы показать, взаимодействие каких ионов приводит к образованию новых веществ, составляют молекулярные, полные и краткие ионные уравнения.
В молекулярных уравнениях все вещества представлены в виде молекул. Полные ионные уравнения показывают весь перечень ионов имеющихся в растворе при данной реакции. Краткие ионные уравнения составлены лишь теми ионами, взаимодействие между которыми приводит к образованию новых веществ (малодиссоциирующих веществ, осадков, газов, воды).
При составлении ионных реакций следует помнить, что вещества малодиссоциированные (слабые электролиты), мало – и труднорастворимые (выпадающие в осадок – “Н ”, “М ”, см. приложение‚ таблица 4) и газообразные записываются в виде молекул. Сильные электролиты, диссоциированные практически полностью, – в виде ионов. Знак “↓”, стоящий после формулы вещества, указывает на то, что это вещество удаляется из сферы реакции в виде осадка, а знак “”, указывает на удаление вещества в виде газа.
Порядок составления ионных уравнений по известным молекулярным уравнениям рассмотрим на примере реакции между растворами Na 2 CO 3 и HCl.
1. Уравнение реакции записывается в молекулярной форме:
Na 2 CO 3 + 2HCl → 2NaCl + H 2 CO 3
2. Уравнение переписывается в ионной форме, при этом хорошо диссоциирующие вещества записываются в виде ионов, а вещества малодиссоциирующие (в том числе и вода), газы или труднорастворимые – в виде молекул. Коэффициент, стоящий перед формулой вещества в молекулярном уравнении одинаково относится к каждому из ионов, составляющих вещество, и поэтому он выносится в ионном уравнении перед ионом:
2 Na + + CO 3 2- + 2H + + 2Cl - <=> 2Na + + 2Cl - + CO 2 + H 2 O
3. Из обеих частей равенства исключаются (сокращаются) ионы, встречающиеся в левой и правой частях (подчеркнуты соответствующими черточками):
2 Na + + CO 3 2- + 2H + + 2Cl - <=> 2Na + + 2Cl - + CO 2 + H 2 O
4. Ионное уравнение записывается в его окончательном виде (краткое ионоое уравнение):
2H + + CO 3 2- <=> CO 2 + H 2 O
Если в ходе реакции образуются и/или малодиссоциированные, и/или труднорастворимые, и/или газообразные вещества, и/или вода, а в исходных веществах такие соединения отсутствуют‚ то реакция будет практически необратимой (→), и для неё можно составить молекулярное, полное и краткое ионное уравнение. Если такие вещества есть и в реагентах‚ и в продуктах, то реакция будет обратимой (<=>):
Молекулярное уравнение : СаСО 3 + 2HCl <=> CaCl 2 + H 2 O + CO 2
Полное ионное уравнение : СаСО 3 + 2H + + 2Cl – <=> Ca 2+ + 2Cl – + H 2 O + CO 2
