При нейтрализации любой сильной кислоты любым сильным основанием на каждый моль образующейся воды выделяется около теплоты:

Это говорит о том, что подобные реакции сводятся к одному процессу. Уравнение этого процесса мы получим, если рассмотрим подробнее одну из приведенных реакций, например, первую. Перепишем ее уравнение, записывая сильные электролиты в ионной форме, поскольку они существуют в растворе в виде ионов, а слабые - в молекулярной, поскольку они находятся в растворе преимущественно в виде молекул (вода - очень слабый электролит, см. § 90):

Рассматривая получившееся уравнение, видим, что в ходе реакции ионы и не претерпели изменений. Поэтому перепишем уравнение еще раз, исключив эти ионы из обеих частей уравнения. Получим:

Таким образом, реакции нейтрализации любой сильной кислоты любым сильным основанием сводятся к одному и тому же процессу - к образованию молекул воды из ионов водорода и гидроксид-ионов. Ясно, что тепловые эффекты этих реакций тоже должны быть одинаковы.

Строго говоря, реакция образования воды из ионов обратима, что можно выразить уравнением

Однако, как мы увидим ниже, вода - очень слабый электролит и диссоциирует лишь в ничтожно малой степени. Иначе говоря, равновесие между молекулами воды и ионами сильно смещено в сторону образования молекул. Поэтому практически реакция нейтрализации сильной кислоты сильным основанием протекает до конца.

При смешивании раствора какой-либо соли серебра с соляной кислотой или с раствором любой ее соли всегда образуется характерный белый творожистый осадок хлорида серебра:

Подобные реакции также сводятся к одному процессу. Для того чтобы получить его ионно-молекулярное уравнение, перепишем, например, уравнение первой реакции, записывая сильные электролиты, как и в предыдущем примере, в ионной форме, а вещество, находящееся в осадке, в молекулярной:

Как видно, ионы и не претерпевают изменений в ходе реакции. Поэтому исключим их и перепишем уравнение еще раз:

Это и есть ионно-молекулярное уравнение рассматриваемого процесса.

Здесь также надо иметь в виду, что осадок хлорида серебра находится в равновесии с ионами и в растворе, так что процесс, выраженный последним уравнением, обратим:

Однако, вследствие малой растворимости хлорида серебра, это равновесие очень сильно смещено вправо. Поэтому можно считать, что реакция образования из ионов практически доходит до конца.

Образование осадка будет наблюдаться всегда, когда в одном растворе окажутся в значительной концентрации ионы и . Поэтому с помощью ионов серебра можно обнаружить присутствие в растворе ионов и, наоборот, с помощью хлорид-ионов - присутствие ионов серебра; ион может служить реактивом на ион , а ион - реактивом на ион .

В дальнейшем мы будем широко пользоваться ионно-молекулярной формой записи уравнений реакций с участием электролитов.

Для составления ионно-молекулярных уравнений надо знать, какие соли растворимы в воде и какие практически нерастворимы. Общая характеристика растворимости в воде важнейших солей приведена в табл. 15.

Таблица 15. Растворимость важнейших солей в воде

Ионно-молекулярные уравнения помогают понять особенности протекания реакций между электролитами. Рассмотрим в качеству примера несколько реакций, протекающих с участием слабых кислот и оснований.

Как уже говорилось, нейтрализация любой сильной кислоты любым сильным основанием сопровождается одним и тем же тепловым эффектом, так как она сводится к одному и тому же процессу - образованию молекул воды из ионов водорода и гидроксид-иона.

Однако при нейтрализации сильной кислоты слабым основанием, слабой кислоты сильным или слабым основанием тепловые эффекты различны. Напишем ионно-молекулярные уравнения подобных реакций.

Нейтрализация слабой кислоты (уксусной) сильным основанием (гидроксидом натрия):

Здесь сильные электролиты - гидроксид натрия и образующаяся соль, а слабые - кислота и вода:

Как видно, не претерпевают изменении в ходе реакции только ионы натрия. Поэтому ионно-молекулярное уравнение имеет вид:

Нейтрализация сильной кислоты (азотной) слабым основанием (гидроксидом аммония):

Здесь в виде ионов мы должны записать кислоту и образующуюся соль, а в виде молекул - гидроксид аммония и воду:

Не претерпевают изменений ионы . Опуская их, получаем ионно-молекулярное уравнение:

Нейтрализация слабой кислоты (уксусной) слабым основанием (гидроксидом аммония):

В этой реакции все вещества, кроме образующейся слабые электролиты. Поэтому ионно-молекулярная форма уравнения имеет вид:

Сравнивая между собой полученные ионно-молекулярные уравнения, видим, что все они различны. Поэтому понятно, что неодинаковы и теплоты рассмотренных реакций.

Как уже указывалось, реакции нейтрализации сильных кислот сильными основаниями, в ходе которых ионы водорода и гидроксид-ионы соединяются в молекулу воды, протекают практически до конца. Реакции же нейтрализации, в которых хотя бы одно из исходных веществ - слабый электролит и при которых молекулы малоднссоциирующих веществ имеются не только в правой, но и в левой части ионно-молекулярного уравнения, протекают не до конца.

Они доходят до состояния равновесия, при котором соль сосуществует с кислотой и основанием, от которых она образована. Поэтому уравнения подобных реакций правильнее записывать как обратимые реакции.

11. Электролитическая диссоциация. Ионные уравнения реакций

11.5. Ионные уравнения реакций

Поскольку в водных растворах электролиты распадаются на ионы, можно утверждать, что реакции в водных растворах электролитов - это реакции между ионами. Такие реакции могут протекать как с изменением степени окисления атомов:

Fe 0   + 2 H + 1 Сl = Fe + 2 Сl 2 + H 0 2  

так и без изменения:

NaOH + HCl = NaCl + H 2 O

В общем случае реакции между ионами в растворах называются ионными , а если они являются обменными, то реакциями ионного обмена . Реакции ионного обмена протекают только в том случае, когда образуются вещества, которые покидают сферу реакции в виде: а) слабого электролита (например, воды, уксусной кислоты); б) газа (CO 2 , SO 2); в) труднорастворимого вещества (осадка). Формулы труднорастворимых веществ определяются по таблице растворимости (AgCl, BаSO 4 , H 2 SiO 3 , Mg(OH) 2 , Cu(OH) 2 т.д.). Формулы газов и слабых электролитов нужно запомнить. Отметим, что слабые электролиты могут быть хорошо растворимы в воде: например, CH 3 COOH, H 3 PO 4 , HNO 2 .

Сущность реакций ионного обмена отражают ионные уравнения реакций , которые получают из молекулярных уравнений с соблюдением следующих правил:

1) в виде ионов не записывают формулы слабых электролитов, нерастворимых и малорастворимых веществ, газов, оксидов, гидроанионов слабых кислот (HS − , НSО 3 − , НСО 3 − , Н 2 РО 4 − , НРО 4 2 − ; исключение - ион HSO 4 − в разбавленном растворе); гидроксокатионов слабых оснований (MgOH + , CuOH +); комплексных ионов ( 3− , 2− , 2−);

2) в виде ионов представляют формулы сильных кислот, щелочей, растворимых в воде солей. Формулу Са(ОН) 2 представляют в виде ионов, если используется известковая вода, но не записывают в виде ионов в случае известкового молока, содержащего нерастворимые частицы Ca(OH) 2 .

Различают полное ионное и сокращенное (краткое ) ионное уравнения реакции. В сокращенном ионном уравнении отсутствуют ионы, представленные в обеих частях полного ионного уравнения. Примеры записи молекулярного, полного ионного и сокращенного ионного уравнений:

• NaHCO 3 + HCl = NaCl + H 2 O + CO 2 - молекулярное,

Na + + HCO 3 − + H + + Cl − = Na + + Cl − + H 2 O + CO 2   - полное ионное,

HCO 3 − + H + = H 2 O + CO 2   - сокращенное ионное;

• BaCl 2 + K 2 SO 4 = BaSO 4 ↓ + 2KCl - молекулярное,

Ba 2 + + 2 Cl − + 2 K + + SO 4 2 − = BaSO 4   ↓ + 2 K + + 2 Cl − - полное ионное,

Ba 2 + + SO 4 2 − = BaSO 4   ↓ - сокращенное ионное.

Иногда полное ионное и сокращенное ионное уравнения совпадают:

Ba(OH) 2 + H 2 SO 4 = BaSO 4 ↓ + 2H 2 O

Ba 2+ + 2OH − + 2H + + SO 4 2 − = BaSO 4 ↓ + 2H 2 O,

а для некоторых реакций ионное уравнение вообще нельзя составить:

3Mg(OH) 2 + 3H 3 PO 4 = Mg 3 (PO 4) 2 ↓ + 6H 2 O

Пример 11.5. Укажите пару ионов, которые могут присутствовать в полном ионно-молекулярном уравнении, если ему соответствует сокращенное ионно-молекулярное уравнение

Ca 2 + + SO 4 2 − = CaSO 4 .

1) SO 3 2 − и H + ; 3) CO 3 2 − и K + ;2) HCO 3 − и K + ; 4) Cl − и Pb 2+ .

Решение. Правильным является ответ 2):

Ca 2 + + 2 HCO 3 − + 2 K + + SO 4 2 − = CaSO 4   ↓ + 2 HCO 3 − + 2 K + (соль Ca(HCO 3) 2 растворимая) или Ca 2+ + SO 4 2 − = CaSO 4 .

Для других случаев имеем:

1) CaSO 3 + 2H + + SO 4 2 − = CaSO 4 ↓ + H 2 O + SO 2 ;

3) CaCO 3 + 2K + + SO 4 2 − (реакция не протекает);

4) Ca 2+ + 2Cl − + PbSO 4 (реакция не протекает).

Ответ : 2).

Вещества (ионы), которые в водном растворе реагируют между собой (т.е. взаимодействие между ними сопровождается образованием осадка, газа или слабого электролита), совместно существовать в водном растворе в значительных количествах не могут

Таблица 11.2

Примеры пар ионов, не существующих совместно в значительных количествах в водном растворе

Пример 11.6. Укажите в этом ряду: HSO 3 − , Na + , Cl − , CH 3 COO − , Zn 2+ - формулы ионов, которые не могут в значительных количествах присутствовать: а) в кислой среде; б) в щелочной среде.

Решение. а) В кислой среде, т.е. совместно с ионами H + , не могут присутствовать анионы HSO 3 − и CH 3 COO − , так как они реагируют с катионами водорода, образуя слабый электролит или газ:

СН 3 СОО − + Н + ⇄ СН 3 СООН

HSO 3 − + H + ⇄ H 2 O + SO 2  

б) в щелочной среде не могут присутствовать ионы HSO 3 − и Zn 2+ , так как они реагируют с гидроксид-ионами с образованием либо слабого электролита, либо осадка:

HSO 3 − + OH − ⇄ H 2 O + SO 3 2 −

Zn 2+ + 2OH– = Zn(OH) 2 ↓.

Ответ : а) HSO 3 − и CH 3 COO − ; б) HSO 3 − и Zn 2+ .

Остатки кислых солей слабых кислот не могут в значительных количествах присутствовать ни в кислой, ни в щелочной среде, потому что в обоих случаях образуется слабый электролит

То же можно сказать об остатках основных солей, содержащих гидроксогруппу:

CuOH + + OH − = Cu(OH) 2 ↓

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.

При составлении ионных уравнений следует руководствоваться тем, что формулы веществ малодиссоциирующих, нерастворимых и газообразных записывают в молекулярном виде. Если вещество выпадает в осадок, то, как вы уже знаете, рядом с его формулой ставят стрелку, направленную вниз (↓), а если в ходе реакции выделяется газообразное вещество, то рядом с его формулой ставят стрелку, направленную вверх ().

Например, если к раствору сульфата натрия Na 2 SO 4 прилить раствор хлорида бария ВаСl 2 (рис. 132), то в результате реакции образуется белый осадок сульфата бария BaSO 4 . Запишем молекулярное уравнение реакции:

Рис. 132.
Взаимодействие сульфата натрия и хлорида бария

Перепишем это уравнение, изобразив сильные электролиты в виде ионов, а уходящие из сферы реакции - в виде молекул:

Мы записали, таким образом, полное ионное уравнение реакции. Если исключить из обеих частей равенства одинаковые ионы, т. е. ионы, не участвующие в реакции (2Na + и 2Сl - в левой и правой частях уравнения), то получим сокращённое ионное уравнение реакции:

Это уравнение показывает, что сущность реакции сводится к взаимодействию ионов бария Ва 2+ и сульфат-ионов , в результате которого образуется осадок BaSO 4 . При этом совершенно не имеет значения, в состав каких электролитов входили эти ионы до реакции. Аналогичное взаимодействие можно наблюдать и между K 2 SO 4 и Ba(NO 3) 2 , H 2 SO 4 и ВаСl 2 .

Лабораторный опыт № 17
Взаимодействие растворов хлорида натрия и нитрата серебра

К 1 мл раствора хлорида натрия в пробирке добавьте с помощью пипетки несколько капель раствора нитрата серебра. Что наблюдаете? Запишите молекулярное и ионное уравнения реакции. Согласно сокращённому ионному уравнению предложите несколько вариантов проведения такой реакции с другими электролитами. Запишите молекулярные уравнения проделанных реакций.

Таким образом, сокращённые ионные уравнения представляют собой уравнения в общем виде, которые характеризуют сущность химической реакции и показывают, какие ионы реагируют и какое вещество образуется в результате.

Рис. 133.
Взаимодействие азотной кислоты и гидроксида натрия

Если к раствору гидроксида натрия, окрашенного фенолфталеином в малиновый цвет, прилить избыток раствора азотной кислоты (рис. 133), то раствор обесцветится, что послужит сигналом протекания химической реакции:

NaOH + HNO 3 = NaNO 3 + Н 2 O.

Полное ионное уравнение этой реакции:

Na + + OН - + Н + + NO 3 = Na + + NO - 3 + Н 2 O.

Но поскольку ионы Na + и NO - 3 в растворе остаются в неизменном виде, то их можно не писать, и в конечном итоге сокращённое ионное уравнение реакции записывают так:

Н + + OH - = Н 2 O.

Оно показывает, что взаимодействие сильной кислоты и щёлочи сводится к взаимодействию ионов Н + и ионов ОН - , в результате которого образуется малодиссоциирующее вещество - вода.

Подобная реакция обмена может протекать не только между кислотами и щелочами, но и между кислотами и нерастворимыми основаниями. Например, если получить голубой осадок нерастворимого гидроксида меди (II) взаимодействием сульфата меди (II) с щёлочью (рис. 134):

а затем поделить полученный осадок на три части и прилить к осадку в первой пробирке раствор серной кислоты, к осадку во второй пробирке - соляной кислоты, а к осадку в третьей пробирке раствор азотной кислоты, то во всех трёх пробирках осадок растворится (рис. 135).

Рис. 135.
Взаимодействие гидроксида меди (II) с кислотами:
а - серной; б - соляной; в - азотной

Это будет означать, что во всех случаях прошла химическая реакция, суть которой и отражена с помощью одного и того же ионного уравнения.

Cu(OH) 2 + 2Н + = Си 2+ + 2Н 2 O.

Чтобы в этом убедиться, запишите молекулярные, полные и сокращённые ионные уравнения приведённых реакций.

Лабораторный опыт № 18
Получение нерастворимого гидроксида и взаимодействие его с кислотами

В три пробирки налейте по 1 мл раствора хлорида или сульфата железа (III). Прилейте в каждую пробирку по 1 мл раствора щёлочи. Что наблюдаете? Затем добавьте в пробирки соответственно растворы серной, азотной и соляной кислот до исчезновения осадка. Запишите молекулярные и ионные уравнения реакции.

Предложите несколько вариантов проведения такой реакции с другими электролитами. Запишите молекулярные уравнения предложенных реакций.

Рассмотрим ионные реакции, которые протекают с образованием газа.

В две пробирки нальём по 2 мл растворов карбоната натрия и карбоната калия. Затем в первую прильём соляной, а во вторую - раствор азотной кислоты (рис. 136). В обоих случаях мы заметим характерное «вскипание» из-за выделяющегося углекислого газа.

Рис. 136.
Взаимодействие растворимых карбонатов:
а - с соляной кислотой; б - с азотной кислотой

Запишем молекулярное и ионные уравнения реакции для первого случая:

Реакции, протекающие в растворах электролитов, записывают с помощью ионных уравнений. Эти реакции называют реакциями ионного обмена, так как в раствоpax электролиты обмениваются своими ионами. Таким образом, можно сделать два вывода.

Ключевые слова и словосочетания

1. Молекулярное и ионное уравнения реакций.
2. Реакции ионного обмена.
3. Реакции нейтрализации.

Работа с компьютером

1. Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал урока и выполните предложенные задания.
2. Найдите в Интернете электронные адреса, которые могут служить дополнительными источниками, раскрывающими содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа. Предложите учителю свою помощь в подготовке нового урока - сделайте сообщение по ключевым словам и словосочетаниям следующего параграфа.

Вопросы и задания

При растворении в воде не все вещества имеют способность проводить электрический ток. Те соединения, водные растворы которых способны проводить электрический ток называются электролитами . Электролиты проводят ток за счет так называемой ионной проводимости, которой обладают многие соединения с ионным строением (соли, кислоты, основания). Существуют вещества, имеющие сильнополярные связи, но в растворе при этом подвергаются неполной ионизации (например, хлорид ртути II) – это слабые электролиты. Многие органические соединения (углеводы, спирты), растворенные воде, не распадаются на ионы, а сохраняют свое молекулярное строение. Такие вещества электрический ток не проводят и называются неэлектролитами .

Приведем некоторые закономерности, руководствуясь которыми можно определить к сильным или слабым электролитам относится то или иное соединение:

1. Кислоты . К сильным кислотам из наиболее распространенных относятся HCl, HBr, HI, HNO 3 , H 2 SO 4 , HClO 4 . Почти все остальные кислоты – слабые электролиты.
2. Основания . Наиболее распространенные сильные основания – гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов (исключая Be). Слабый электролит – NH 3 .
3. Соли. Большинство распространенных солей – ионных соединений, — электролиты сильные. Исключения составляют, в основном, соли тяжелых металлов.

Теория электролитической диссоциации

Электролиты, как сильные, так и слабые и даже очень сильно разбавленные не подчиняются закону Рауля и . Имея способность к электропроводности, значения давления пара растворителя и температуры плавления растворов электролитов будут более низкими, а температуры кипения более высокими по сравнению с аналогичными значениями чистого растворителя. В 1887 г С. Аррениус, изучая эти отклонения, пришел к созданию теории электролитической диссоциации.

Электролитическая диссоциация предполагает, что молекулы электролита в растворе распадаются на положительно и отрицательно заряженные ионы, которые названы соответственно катионами и анионами.

Теория выдвигает следующие постулаты:

1. В растворах электролиты распадаются на ионы, т.е. диссоциируют. Чем более разбавлен раствор электролита, тем больше его степень диссоциации.
2. Диссоциация — явление обратимое и равновесное.
3. Молекулы растворителя бесконечно слабо взаимодействуют (т.е. растворы близки к идеальным).

Разные электролиты имеют различную степень диссоциации, которая зависит не только от природы самого электролита, но природы растворителя, а также концентрации электролита и температуры.

Степень диссоциации α , показывает какое число молекул n распалось на ионы, по сравнению с общим числом растворенных молекул N :

α = n/ N

При отсутствии диссоциации α = 0, при полной диссоциации электролита α = 1.

С точки зрения степени диссоциации, по силе электролиты делятся на сильные (α > 0,7), средней силы (0,3 > α > 0,7), слабые (α < 0,3).

Более точно процесс диссоциации электролита характеризует константа диссоциации , не зависящая от концентрации раствора. Если представить процесс диссоциации электролита в общем виде:

A a B b ↔ aA — + bB +

K = a · b /

Для слабых электролитов концентрация каждого иона равна произведению α на общую концентрацию электролита С таким образом, выражение для константы диссоциации можно преобразовать:

K = α 2 C/(1-α)

Для разбавленных растворов (1-α) =1, тогда

K = α 2 C

Отсюда нетрудно найти степень диссоциации

Ионно–молекулярные уравнения

Рассмотрим пример нейтрализации сильной кислоты сильным основанием, например:

HCl + NaOH = NaCl + HOH

Процесс представлен в виде молекулярного уравнения . Известно, что как исходные вещества, так и продукты реакции в растворе полностью ионизированы. Поэтому представим процесс в виде полного ионного уравнения :

H + + Cl — +Na + + OH — = Na + + Cl — + HOH

После «сокращения» одинаковых ионов в левой и правой частях уравнения получаем сокращенное ионное уравнение:

H + + OH — = HOH

Мы видим, что процесс нейтрализации сводится к соединению H + и OH — и образованию воды.

При составлении ионных уравнений следует помнить, что в ионном виде записываются только сильные электролиты. Слабые электролиты, твердые вещества и газы записываются в их молекулярном виде.

Процесс осаждения сводится к взаимодействию только Ag + и I — и образованию нерастворимого в воде AgI.

Чтобы узнать способно ли интересующее нас вещество растворяться в воде, необходимо воспользоваться таблицей нерастворимости.

Рассмотрим третий тип реакций, в результате которой образуется летучее соединение. Это реакции взаимодействия карбонатов, сульфитов или сульфидов с кислотами. Например,

При смешении некоторых растворов ионных соединений, взаимодействия между ними может и не происходить, например

Итак, подводя итог, отметим, что химические превращения наблюдаются в случаях, если соблюдается одно из следующих условий:

• Образование неэлектролита . В качестве неэлектролита может выступать вода.
• Образование осадка.
• Выделение газа.
• Образование слабого электролита, например уксусной кислоты.
• Перенос одного или нескольких электронов. Это реализуется в окислительно – восстановительных реакциях.
• Образование или разрыв одной или нескольких .