Ионные реакции в растворах
Ионные уравнения показывают, какие частицы действительно участвуют в реакции в водном растворе. Чтобы правильно их составить, нужно определить условие протекания реакции, записать молекулярное уравнение, представить сильные растворимые электролиты в виде ионов и сократить частицы, которые не изменились.
Основные понятия
[[reaction-equation:Уравнение химической реакции]] описывает превращение исходных веществ в продукты с помощью химических формул и коэффициентов. Для реакций в растворах используют три формы записи: молекулярную, полную ионную и сокращённую ионную.
Ионная реакция — химическое превращение, происходящее между ионами или молекулами в растворе электролитов. В сокращённом ионном уравнении оставляют только частицы, которые изменяются в ходе реакции.
Электролиты — вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток благодаря наличию ионов. [[strong-electrolyte:Сильные электролиты]] в воде практически полностью распадаются на ионы: растворимые соли, сильные кислоты и щёлочи. Слабые электролиты, например вода, слабые кислоты и слабые основания, обычно записывают в ионных уравнениях в молекулярной форме; подробнее это связано со [[weak-electrolyte:слабыми электролитами]].
[[exchange-reaction:Реакция обмена]] в растворе протекает практически до конца, если среди продуктов образуется хотя бы одно вещество, удаляющееся из раствора: осадок, газ или слабый электролит, чаще всего вода. Эти случаи рассматриваются также на страницах [[ionic-exchange-conditions:условий протекания реакций обмена]], [[precipitation-reaction:реакции образования осадка]] и [[gas-evolution-reaction:реакции с выделением газа]].
Как записывают вещества в ионной форме
В полной ионной записи растворимые сильные электролиты разделяют на катионы и анионы. Индексы в формуле превращаются в коэффициенты перед ионами: \(\mathrm{Al_2(SO_4)_3}\) записывают как \(2\mathrm{Al^{3+}}+3\mathrm{SO_4^{2-}}\), а \(\mathrm{Ca(OH)_2}\) — как \(\mathrm{Ca^{2+}}+2\mathrm{OH^-}\).
| Вещество | Запись в ионном уравнении | Почему |
|---|---|---|
| Растворимая соль | Ионы | Сильный электролит |
| Сильная кислота | Ионы | Почти полная диссоциация |
| Растворимая щёлочь | Ионы | Сильный электролит |
| Осадок | Формула вещества | В растворе ионов практически нет |
| Газ | Формула вещества | Удаляется из раствора |
| Вода и слабый электролит | Формула вещества | Диссоциация мала |
Не разделяют на ионы осадки, газы, воду, слабые электролиты и нерастворимые вещества. Также не изменяют формулу вещества, если оно находится не в растворе, а, например, является твёрдым металлом или газом.
Растворимость соли определяют по таблице растворимости. Знак \(\downarrow\) означает осадок, а \(\uparrow\) — выделение газа. Коэффициенты и заряды проверяют отдельно: сумма зарядов слева и справа в ионном уравнении должна совпадать.
Алгоритм составления ионных уравнений
- Записать формулы исходных веществ и продуктов, расставить коэффициенты и получить молекулярное уравнение.
- Проверить, есть ли осадок, газ или слабый электролит. Если ни одного условия нет, реакция обмена обычно не идёт.
- Составить полное ионное уравнение: растворимые сильные электролиты заменить суммой ионов.
- Сократить одинаковые ионы, присутствующие слева и справа. Это ионы-наблюдатели.
- Проверить атомы и суммарный электрический заряд в сокращённом ионном уравнении.
Сначала найдите частицу, которая образует осадок, газ или воду. Именно она должна остаться в сокращённом ионном уравнении. Если после сокращения все частицы исчезли, химического превращения в данных условиях нет.
Как записать в полном ионном уравнении растворимый нитрат серебра \(\mathrm{AgNO_3}\)?
Разобранный пример: реакция осаждения
Составим молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения реакции между растворами хлорида бария и сульфата натрия. В результате образуется нерастворимый сульфат бария.
Даны растворы \(\mathrm{BaCl_2}\) и \(\mathrm{Na_2SO_4}\). Составьте три формы уравнения реакции.
Сокращённое уравнение выражает сущность процесса: ионы бария и сульфат-ионы соединяются в малорастворимый сульфат бария. Ионы натрия и хлорида являются ионами-наблюдателями.
Осадок, газ и вода в сокращённых уравнениях
При реакции кислоты со щёлочью образуется вода — слабый электролит. Например, молекулярное уравнение нейтрализации: \(\mathrm{HCl+NaOH\rightarrow NaCl+H_2O}\). Полное ионное уравнение: \(\mathrm{H^++Cl^-+Na^++OH^-\rightarrow Na^++Cl^-+H_2O}\). После сокращения наблюдающих ионов получают \(\mathrm{H^++OH^-\rightarrow H_2O}\).
Если продукт — газ, его записывают молекулой и отмечают стрелкой вверх. Например, при действии кислоты на карбонат сначала образуется угольная кислота, которая разлагается: \(\mathrm{H_2CO_3\rightarrow CO_2\uparrow+H_2O}\). Поэтому сокращённое уравнение можно записать так: \(\mathrm{2H^++CO_3^{2-}\rightarrow CO_2\uparrow+H_2O}\).
Амфотерные гидроксиды реагируют и с кислотами, и со щелочами; типичные схемы приведены в [[amphoteric-hydroxides-reactions:реакциях амфотерных гидроксидов]]. При составлении уравнения важно учитывать, в каком избытке находится щёлочь и какой комплекс образуется.
Частые ошибки
1. Расщепляют на ионы осадок, воду или газ. 2. Не ставят коэффициент перед ионами при диссоциации сложной соли. 3. Забывают заряд иона или указывают неверный заряд. 4. Сокращают частицы, которые записаны с разными коэффициентами неправильно. 5. Составляют ионное уравнение для реакции, которая не имеет условия протекания. 6. Не проверяют равенство суммарных зарядов.
Ионные реакции связаны с растворимостью, электролитической диссоциацией и химическим равновесием. При обсуждении обратимых процессов полезны страницы [[equilibrium-constant:константе химического равновесия]] и [[equilibrium-shift:смещении химического равновесия]]. Окислительно-восстановительные процессы и их запись при электролизе рассматриваются в [[electrolysis-redox:электролизе и окислительно-восстановительных процессах]].
Проверь себя
Главное
- Ионная реакция в растворе протекает до конца при образовании осадка, газа или слабого электролита.
- Растворимые сильные электролиты в полном ионном уравнении записывают в виде ионов.
- Осадки, газы, воду и слабые электролиты на ионы не расщепляют.
- Алгоритм: молекулярное уравнение → полное ионное → сокращение ионов-наблюдателей → проверка атомов и зарядов.
- Сокращённое ионное уравнение показывает частицы, непосредственно участвующие в химическом превращении.