между чем возможна реакция ионного обмена
Реакции ионного обмена
Автор статьи — профессиональный репетитор И. Давыдова (Юдина).
б) Нерастворимые основания и амфотерные гидроксиды не взаимодействуют со слабыми кислотами. Правило, действующее в большинстве случаев: реакция протекает, если предполагаемый продукт растворим. Исключение – взаимодействие с фосфорной кислотой, с ней реагируют даже оксиды и гидроксиды металлов, образующих нерастворимые ортофосфаты.
CuO + H2S реакция не идет, так как H2S – слабая кислота и сульфид меди нерастворим.
2) Обменные процессы с участием солей:
а) Растворимые соли взаимодействуют с другими растворимыми солями и гидроксидами, если в результате образуется газ или осадок:
BaSO4 + K2CO3 реакция не идет, так как реагент сульфат бария нерастворим
MnSO4 + KNO3 реакция не идет, так как не образуется ни газа, ни осадка, ни малодиссоциирующего вещества.
б) Соли взаимодействуют с кислотами, если в результате сильная кислота может вытеснить из соли слабую или нелетучая ‑ летучую:
CH3COONa + HCl → NaCl+CH3COOH
CaCO3 + H2SO4 → CaSO4 + H2O + CO2↑
CaSO4 + HCl реакция не идет, так как серная кислота – сильная и вытеснить ее из соли другой кислотой нельзя.
в) Соли многоосновных кислот взаимодейсвуют с той же кислотой с образованием кислых солей:
г) Растворимые кислые соли нейтрализуются щелочами:
KHCO3 + KOH → K2CO3 + H2O
Итого:
если вещество растворимо, оно легко вступает в реакцию обмена.
Если же нерастворимо, то оно вступает в обменный процесс только в агрессивной среде: сильная кислота или щелочь (только для амфотерных соединений).
Потренируйтесь:
Закончить уравнения реакций ионного обмена (внимание, идут не все реакции!)
Реакции ионного обмена и условия их осуществления
Реакциями ионного обмена называют химические реакции, которые протекают между ионами без изменения степеней окисления элементов и приводят к обмену составных частей реагентов.
Уравнения обменных реакций записывают в молекулярной форме (с указанием формул всех реагирующих веществ со стехиометрическими коэффициентами); в полной ионной форме (с указанием всех существующих в растворе ионов) и в сокращённой ионной форме (с указанием только тех ионов, которые непосредственно взаимодействуют между собой). При написании уравнений реакций в ионной форме формулы малодиссоциирующих веществ (слабых электролитов) записывают в молекулярной форме.
Уравнения реакций обмена в водных растворах электролитов составляют так.
Реакции ионного обмена в растворах электролитов протекают практически необратимо и до конца, если в качестве продуктов образуются осадки (малорастворимые вещества), газы (легколетучие вещества), слабые электролиты (малодиссоциированные соединения) и комплексные ионы.
Если при взаимодействии растворов электролитов не образуется ни одно из указанных видов соединений, химическое взаимодействие практически не происходит.
Уравнения обменных реакций можно записать в молекулярной форме, полной ионной форме, с указанием всех существующих в растворе ионов и в сокращённой ионной форме, которая, собственно, и выражает взаимодействие ионов. Следует отметить, что при написании уравнений реакций в ионной форме малодиссоциирующие вещества (слабые электролиты) записывают в молекулярной форме.
Пример 1. Реакция между нитратом свинца и сульфатом калия. В результате этой реакции образуется нерастворимый сульфат свинца и выделяется растворимый нитрат калия:
(полная ионно-молекулярная форма),
(сокращённая ионно-молекулярная форма).
Пример 2. Взаимодействие карбоната натрия с серной кислотой. При этом выделяется углекислый газ и вода, а в растворе остаются катионы натрия и сульфат-ионы:
(полная ионно-молекулярная форма),
(сокращённая ионно-молекулярная форма).
Пример 3. Реакция между азотной кислотой и едким калием. В результате данной реакции образуется малодиссоциированное соединение — вода и в растворе остаются катионы калия и нитрат-ионы:
(полная ионно-молекулярная форма),
(сокращённая ионно-молекулярная форма).
Тренировочные задания
1. Осадок образуется при взаимодействии водных растворов
2. Газ выделяется при взаимодействии водных растворов
3. Краткое ионное уравнение H + + OH – = H2O описывает взаимодействие
1) гидроксида кальция и фосфорной кислоты
2) гидроксида лития и фосфорной кислоты
3) гидроксида натрия и бромоводородной кислоты
4) гидроксида алюминия и бромоводородной кислоты
4. Краткое ионное уравнение 3Ba 2+ + 2PO4 3– = Ba3(PO4)2↓ описывает взаимодействие
1) карбоната бария и фосфорной кислоты
2) карбоната бария и фосфата натрия
3) хлорида бария и фосфорной кислоты
4) хлорида бария и фосфата натрия
5. Краткое ионное уравнение Ba 2+ + SO4 2– = BaSO4↓ описывает взаимодействие
1) хлорида бария и сульфата натрия
2) хлорида бария и сернистой кислоты
3) гидроксида бария и сульфата натрия
4) гидроксида бария и серной кислоты
6. Краткое ионное уравнение Ag + + Cl – = AgCl↓ описывает взаимодействие
1) хлорида кальция и бромида серебра
2) фосфата серебра и соляной кислоты
3) карбоната серебра и хлорида натрия
4) нитрата серебра и хлорида калия
7. Краткое ионное уравнение H + + OH – = H2O отвечает взаимодействию
1) азотной кислоты и гидроксида железа (III)
2) бромоводородной кислоты и гидроксида натрия
3) азотной кислоты и гидроксида меди
4) сернистой кислоты и гидроксида кальция
8. Краткое ионное уравнение 2Н + + S 2– = Н2S↑ отвечает взаимодействию
1) соляной кислоты и сульфида железа (II)
2) сернистой кислоты и сульфида калия
3) азотной кислоты и сульфида меди
4) азотной кислоты и сульфида натрия
9. Краткое ионное уравнение 2Н + + CO3 2– = CO2↑ + H2O отвечает взаимодействию
1) соляной кислоты и карбоната кальция
2) сернистой кислоты и карбоната бария
3) азотной кислоты и карбоната калия
4) серной кислоты и карбоната бария
10. Краткое ионное уравнение 2Н + + CaCO3 = Ca 2+ + CO2↑ + H2O отвечает взаимодействию
1) соляной кислоты и карбоната кальция
2) сернистой кислоты и карбоната кальция
3) фосфорной кислоты и карбоната кальция
4) серной кислоты и карбоната кальция
11. Краткое ионное уравнение Al 3+ + 3OH – = Al(OH)3↓ отвечает взаимодействию
1) сульфата алюминия и гидроксида кальция
2) сульфата алюминия и гидроксида бария
3) сульфата алюминия и гидроксида меди
4) сульфата алюминия и гидроксида натрия
12. Краткое и полное ионное уравнения совпадают для реакции
1) соляной кислоты и карбоната калия
2) уксусной кислоты и карбоната бария
3) уксусной кислоты и гидроксида калия
4) серной кислоты и гидроксида калия
13. Одновременно в растворе не могут существовать ионы
14. Одновременно в растворе могут существовать ионы
15. Образование осадка происходит при взаимодействии водных растворов
16. Образование газа происходит при взаимодействии водных растворов
1) сульфата калия и хлорида бария
2) гидроксида алюминия и серной кислоты
3) хлорида кальция и карбоната натрия
4) соляной кислоты и карбоната натрия
17. С выпадением осадка протекает реакция ионного обмена между растворами
1) нитрата натрия и фторида калия
2) хлорида алюминия и избытка гидроксида калия
3) нитрата серебра и фторида натрия
4) нитрата магния и гидроксида калия
18. С выделением газа протекает реакция ионного обмена между растворами
1) карбоната калия и бромоводородной кислоты
2) сульфата натрия и гидроксидом калия
3) нитрата серебра и бромида цинка
4) нитрата алюминия и гидроксида бария
19. С выделением газа протекает реакция ионного обмена между растворами
1) гидроксида бария и азотной кислоты
2) сульфата алюминия и нитрата бария
3) нитрата серебра и йодида лития
4) азотной кислотой и карбоната аммония
20. С выделением воды протекает реакция ионного обмена между растворами
1) нитрата меди и хлорида железа
2) гидрокарбоната натрия и гидроксида натрия
3) нитрата ртути и бромида лития
4) нитрата аммония и нитрита натрия
1.4.6. Реакции ионного обмена.
Реакции ионного обмена — реакции в водных растворах между электролитами, протекающие без изменений степеней окисления образующих их элементов.
Необходимым условием протекания реакции между электролитами (солями, кислотами и основаниями) является образование малодиссоциирующего вещества (вода, слабая кислота, гидроксид аммония), осадка или газа.
Расcмотрим реакцию, в результате которой образуется вода. К таким реакциям относятся все реакции между любой кислотой и любым основанием. Например, взаимодействие азотной кислоты с гидроксидом калия:
Исходные вещества, т.е. азотная кислота и гидроксид калия, а также один из продуктов, а именно нитрат калия, являются сильными электролитами, т.е. в водном растворе они существуют практически только в виде ионов. Образовавшаяся вода относится к слабым электролитам, т.е. практически не распадается на ионы. Таким образом, более точно переписать уравнение выше можно, указав реальное состояние веществ в водном растворе, т.е. в виде ионов:
Уравнения вида (3) называют сокращенными ионными уравнениями, вида (2) — полными ионными уравнениями, а вида (1) — молекулярными уравнениями реакций.
Фактически ионное уравнение реакции максимально отражает ее суть, именно то, благодаря чему становится возможным ее протекание. Следует отметить, что одному сокращенному ионному уравнению могут соответствовать множество различных реакций. Действительно, если взять, к примеру, не азотную кислоту, а соляную, а вместо гидроксида калия использовать, скажем, гидроксид бария, мы имеем следующее молекулярное уравнение реакции:
Соляная кислота, гидроксид бария и хлорид бария являются сильными электролитами, то есть существуют в растворе преимущественно в виде ионов. Вода, как уже обсуждалось выше, – слабый электролит, то есть существует в растворе практически только в виде молекул. Таким образом, полное ионное уравнение данной реакции будет выглядеть следующим образом:
2H + + 2Cl − + Ba 2+ + 2OH − = Ba 2+ + 2Cl − + 2H2O
Сократим одинаковые ионы слева и справа и получим:
Разделив и левую и правую часть на 2, получим:
Полученное сокращенное ионное уравнение полностью совпадает с сокращенными ионным уравнением взаимодействия азотной кислоты и гидроксида калия.
При составлении ионных уравнений в виде ионов записывают только формулы:
1) сильных кислот (HCl, HBr, HI, H2SO4, HNO3, HClO4 ) (список сильных кислот надо выучить!)
2) сильных оснований (гидроксиды щелочных (ЩМ) и щелочно-земельных металлов(ЩЗМ))
3) растворимых солей
В молекулярном виде записывают формулы:
1) Воды H2O
2) Слабых кислот (H2S, H2CO3, HF, HCN, CH3COOH (и др. практически все органические)).
3) Слабых оcнований («NH4OH» и практически все гидроксиды металлов кроме ЩМ и ЩЗМ.
4) Малорастворимых солей (↓) («М» или «Н» в таблице растворимости).
5) Оксидов (и др. веществ, не являющихся электролитами).
Попробуем записать уравнение между гидроксидом железа (III) и серной кислотой. В молекулярном виде уравнение их взаимодействия записывается следующим образом:
Сократив сульфат-ионы слева и справа, получаем:
разделив обе части уравнения на 2 получаем сокращенное ионное уравнение:
Теперь давайте рассмотрим реакцию ионного обмена, в результате которой образуется осадок. Например, взаимодействие двух растворимых солей :
Все три соли – карбонат натрия, хлорид кальция, хлорид натрия и карбонат кальция (да-да, и он тоже) – относятся к сильным электролитам и все, кроме карбоната кальция, растворимы в воде, т.е. есть участвуют в данной реакции в виде ионов:
2Na + + CO3 2- + Ca 2+ + 2Cl − = CaCO3↓+ 2Na + + 2Cl −
Сократив одинаковые ионы слева и справа в данном уравнении, получим сокращенное ионное:
Последнее уравнение отображает причину взаимодействия растворов карбоната натрия и хлорида кальция. Ионы кальция и карбонат-ионы объединяются в нейтральные молекулы карбоната кальция, которые, соединяясь друг с другом, порождают мелкие кристаллы осадка CaCO3 ионного строения.
Примечание важное для сдачи ЕГЭ по химии
Чтобы реакция соли1 с солью2 протекала, помимо базовых требований к протеканиям ионных реакций (газ, осадок или вода в продуктах реакции), на такие реакции накладывается еще одно требование – исходные соли должны быть растворимы. То есть, например,
реакция не идет, хотя FeS – потенциально мог бы дать осадок, т.к. нерастворим. Причина того что реакция не идет – нерастворимость одной из исходных солей (CuS).
протекает, так как карбонат кальция нерастворим и исходные соли растворимы.
То же самое касается взаимодействия солей с основаниями. Помимо базовых требований к протеканию реакций ионного обмена, для того чтобы соль с основанием реагировали необходима растворимость их обоих. Таким образом:
т.к. Cu(OH)2 нерастворим, хотя потенциальный продукт CuS был бы осадком.
А вот реакция между NaOH и Cu(NO3)2 протекает, так оба исходных вещества растворимы и дают осадок Cu(OH)2:
Внимание! Ни в коем случае не распространяйте требование растворимости исходных веществ дальше реакций соль1+ соль2 и соль + основание.
Например, с кислотами выполнение этого требования не обязательно. В частности, все растворимые кислоты прекрасно реагируют со всеми карбонатами, в том числе нерастворимыми.
1) Соль1+ соль2 — реакция идет если исходные соли растворимы, а в продуктах есть осадок
2) Соль + гидроксид металла – реакция идет, если в исходные вещества растворимы и в продуктах есть осадок или гидроксид аммония.
Рассмотрим третье условие протекания реакций ионного обмена – образование газа. Строго говоря, только в результате ионного обмена образование газа возможно лишь в редких случаях, например, при образовании газообразного сероводорода:
В большинстве же остальных случаев газ образуется в результате разложения одного из продуктов реакции ионного обмена. Например, нужно точно знать в рамках ЕГЭ, что с образованием газа в виду неустойчивости разлагаются такие продукты, как H2CO3, «NH4OH» и H2SO3:
(«NH4OH» — такая запись формулы в кавычках подразумевает, что в реальности вещества с такой формулой не существует. Формула используется для большей простоты промежуточных записей. В реальности вместо «гидроксида аммония» правильнее писать формулу гидрата аммиака NH3·H2O).
Другими словами, если в результате ионного обмена образуются угольная кислота, гидроксид аммония или сернистая кислота, реакция ионного обмена протекает благодаря образованию газообразного продукта:
Запишем ионные уравнения для всех указанных выше реакций, приводящих к образованию газов. 1) Для реакции:
В ионном виде будут записываться сульфид калия и бромид калия, т.к. являются растворимыми солями, а также бромоводородная кислота, т.к. относится к сильным кислотам. Сероводород же, являясь малорастворимым и плохо диссоциирцющим на ионы газом, запишется в молекулярном виде:
2K + + S 2- + 2H + + 2Br — = 2K + + 2Br — + H2S↑
Сократив одинаковые ионы получаем:
В ионном виде запишутся Na2CO3, Na2SO4 как хорошо растворимые соли и H2SO4 как сильная кислота. Вода является малодиссоциирующим веществом, а CO2 и вовсе неэлектролит, поэтому их формулы будут записываться в молекулярном виде:
Полное и сокращенное уравнение будут иметь вид:
Реакции ионного обмена
В разбавленных растворах электролитов (кислот, оснований, солей) химические реакции протекают обычно при участии ионов. При этом все элементы реагентов могут сохранять свои степени окисления (обменные реакции) или изменять их (окислительно – восстановительных реакции).
В соответствии с правилом Бертолле, ионные реакции протекают практически необратимо, если образуются твердые малорастворимые вещества (они выпадают в осадок), легколетучие вещества (они выделяются в воде газов) или растворимые вещества — слабые электролиты (в том числе и вода). Ионные реакции изображаются системой уравнений – молекулярным, полным и кратким ионным. Ниже полные ионные уравнения опущены.
При написании уравнений ионных реакций надо обязательно руководствоваться таблицей растворимости.
Примеры реакций с выпадением осадков:
a) Ba(OH)2 + H2SO4 = BaSO4↓ + 2H2O
Ba 2+ + SO4 2- = BaSO4↓
б) AgNO3 + KI = AgI↓ + KNO3
Ag + + I — = AgI↓
в) MgCl2 + 2KOH = Mg(OH)2↓ + 2KCl
Mg 2+ + 2OH — = Mg(OH)2↓
г) 3Zn(CH3COO)2 + 2Na3PO4 = Zn3(PO4)2↓ + 6Na(CH3COO)
3Zn 2+ + 2PO4 3- = Zn3(PO4)2↓
Обратите внимание, AgCO3, BaCO3 и CaCO3 ПРАКТИЧЕСКИ НЕРАСТВОРИМЫЕ В ВОДЕ И ВЫПАДАЮТ В ОСАДОК КАК ТАКОВЫЕ, НАПРИМЕР:
Ba(NO3)2 + K2CO3 = BaCO3↓ + 2KNO3
Ba 2+ + CO3 2- = BaCO3↓
Соли остальных катионов, такие как MgCO3, CuCO3, FeCO3, ZnCO3 и другие, хотя и нерастворимые в воде, но не осаждаются из водного раствора при проведении ионных реакций (т.е. их нельзя получить этим способом).
Например карбонат железа (II) FeCO3, полученный «сухим путем» или взятый в виде минерала сидерит, при внесении в воду осаждается без видимого взаимодействия. Однако при попытке его получения по обменной реакции в растворе между FeSO4 и K2CO3 выпадает осадок основной соли (приведен условный состав, на практике состав более сложный) и выделяется углекислый газ:
2FeSO4 + H2O + 2Na2CO3 = 2Na2SO4 + Fe2CO3(OH)2↓ + CO2↑
2Fe 2+ + H2O + 2CO3 2- = Fe2CO3(OH)2↓ + CO2↑
Аналогично FeCO3, сульфид хрома (3) Cr2S3 (нерастворимый в воде) не осаждается из раствора:
Примеры реакций с выделением газа:
а) BaS + 2HCl = BaCl2 + H2S↑
S 2- + 2H + = H2S↑
б) Na2CO3 + H2SO4 = Na2SO4 + CO2↑ + H2O
CO3 2- + 2H + = CO2↑+ H2O
в) CaCO3(T) + 2HNO3 = Ca(NO3)2 + CO2↑ + H2O
CaCO3(T) + 2H + = Ca 2+ + CO2↑ + H2O
Примеры реакций с образованием слабых электролитов:
а) 3NaOH + H3PO4 = Na3PO4 + 3H2O
3OH — + H3PO4 = PO4 3- + 3H2O
б) Mg(CH3COO)2 + H2SO4 = MgSO4 + 2CH3COOH
CH3COO — + H + = CH3COOH
в) NH4F + HBr = NH4Br + HF
F — + H + = HF
Если реагенты и продукты обменной реакции не являются сильными электролитам, ионный вид уравнения отсутствует, например:
Mg(OH)2(T) + 2HF = MgF2↓ + 2H2O
Реакции обмена в водных растворах электролитов. Ионные реакции и уравнения
Так как молекулы электролитов в растворах распадаются на ионы, то и реакции в растворах электролитов происходят между ионами.
Реакции, протекающие между ионами, называются ионными реакциями.
С участием ионов могут протекать как обменные, так и окислительно-восстановительные реакции. Рассмотрим реакции ионного обмена, например взаимодействие между растворами двух солей:
Это уравнение является молекулярным уравнением, так как формулы всех веществ записаны в виде молекул. Исходные вещества Na2SО4 и ВаCl2 являются сильными электролитами, т. е. в растворе находятся в виде ионов. Сульфат бария — нерастворимая соль, которая выпадает в осадок, следовательно, ионы Ва 2+ и SО4 2- уходят из раствора. Хлорид натрия NaCl — растворимая соль, сильный электролит, в растворе находится в виде ионов (Na + + Сl — ). Таким образом, с учетом диссоциации сильных электролитов уравнение реакции можно записать так:
Такое уравнение называется полным ионным уравнением.
Результат взаимодействия хлорида бария с сульфатом натрия
Ионы Na + и Cl — имеются и в левой, и в правой частях уравнения, т. е. эти ионы в реакции участия не принимают, их можно исключить из уравнения:
Сокращенное ионное уравнение (3) выражает сущность не только реакции (1). Напишем уравнения нескольких реакций:
Как видим, сущность реакций (4) и (5), как и реакции (1), заключается в связывании ионов SO4 2- и Ва 2+ с образованием нерастворимой соли BaSО4.
В ионных уравнениях формулы веществ записывают в виде ионов или в виде молекул.
В виде ионов записывают формулы:
В виде молекул записывают формулы:
— малорастворимых солей(↓) AgCl, BaSO4, СаСО3, FeS и др.;
Большая часть молекул слабых электролитов в растворе не диссоциирует на ионы.
В виде молекул также записывают:
В уравнениях реакций ставят знак ↓, если среди продуктов реакции есть осадок — нерастворимые или малорастворимые вещества. Знак ↑ показывает газообразные и летучие соединения.
Реакции обмена в водных растворах электролитов могут быть:
1) практически необратимыми, т. е. протекать до конца;
2) обратимыми, т. е. протекать одновременно в двух противоположных направлениях.
1) Реакции обмена между сильными электролитами в растворах протекают до конца, или практически необратимы, когда ионы соединяются друг с другом и образуют:
а) малорастворимые вещества;
б) малодиссоциирующие вещества — слабые электролиты;
в) газообразные или летучие вещества.
Рассмотрим эти случаи.
а) Реакции с образованием малорастворимых веществ, выпадающих в осадок (↓).
Составим молекулярное и ионное уравнения реакции между нитратом серебра (I) AgNO3 и хлоридом натрия NaCl:
Эта реакция обмена необратима, потому что один из продуктов уходит из сферы реакции в виде нерастворимого вещества.
б) Реакции, идущие с образованием малодиссоциирующих веществ (слабых электролитов).
Составим молекулярное и ионное уравнения реакции нейтрализации между растворами гидроксида натрия NaOH и серной кислоты H2SO4:
или, сокращая коэффициенты, получим: ОН — + Н + = Н2О.
В результате реакции нейтрализации ионы водорода Н + и гидроксид-ионы ОН — образуют малодиссоциирующие молекулы воды. Процесс нейтрализации идет до конца, т. е. эта реакция необратима.
в) Реакции, протекающие с образованием газообразных веществ.
Составим молекулярное и ионное уравнения реакции между растворами гидроксида кальция и хлорида аммония NH4Cl:
Эта реакция обмена необратима, потому что образуются газ аммиак NH3 и малодиссоциирующее вещество вода.
2) Если среди исходных веществ имеются слабые электролиты или малорастворимые вещества, то такие реакции являются обратимыми, т. е. до конца не протекают. Например:
Если исходными веществами реакций обмена являются сильные электролиты, которые при взаимодействии не образуют малорастворимых или малодиссоциирующих веществ, то такие реакции не протекают. При смешивании их растворов образуется смесь ионов, которые не соединяются друг с другом. Например: