Реакции ионного обмена

Реакции ионного обмена – наиболее знакомая для большинства людей тема из курса химии. H₂O, H₂SO₄, C₂H₅OH и то, что реакция идет, если выделяется газ, осадок или вода – вот «багаж знаний», которым обладает среднестатистический выпускник.
На самом деле все, конечно, несколько сложнее. Рассмотрим вопрос подробнее.

Реакции ионного обмена – это процессы вида AB + CD → AD + CB, которые протекают в растворах или расплавах электролитов (основания, кислоты, соли) при участии ионов без изменения степеней окисления. Ионные реакции протекают до конца (необратимо), если образуются малорастворимые вещества (осадок), летучие вещества (газ) или растворимые вещества - слабые электролиты (вода, слабые кислоты и др). Реакции ионного обмена записываются в виде нескольких уравнений: молекулярного, полного ионного и сокращенного ионного.

Важное уточнение. Некоторые вещества, которые являются неэлектролитами (например, оксиды), могут присутствовать в молекулярном уравнении реакции ионного обмена, но распадаться на ионы и участвовать в самом обмене ионами они не могут, поэтому в ионных уравнениях оксиды остаются в виде молекулы, а не ионов.

Пример, амфотерный оксид вступает в реакцию с кислотой. Продуктами реакции будут средняя соль и вода:

Молекулярное уравнение:

ZnO + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂O

Полное ионное уравнение:

ZnO + 2H⁺ + SO₂^2- → Zn²⁺ + SO₂^2- + H₂O

Если из обеих частей полного ионного уравнения исключить одинаковые ионы (в нашем примере ионы SO₄^2-),то получим сокращенное ионное уравнение:

ZnO + 2H⁺→ Zn²⁺ + H₂O

Такое взаимодействие по классификации химических реакций относится к реакциям обмена, однако в свете теории электролитической диссоциации, такая реакция тоже имеет место быть, но расписывать оксиды на ионы мы не можем, т.к. они не диссоциируют в растворе. Поскольку этот момент довольно “скользкий”, скорее всего, составители заданий ЕГЭ по химии, в задании № 30 не будут предлагать оксиды для выбора при составлении реакций ионного обмена. И все-таки про эти химические превращения забывать не стоит!

Алгоритм составления ионного уравнения

1. Отбираем реагенты, которые смогут участвовать в реакциях ионного обмена. Не забываем проверить растворимость веществ по таблице растворимости. Составляем молекулярное уравнение:
AB + CD → ... + ...

2. Дописываем продукты реакции по схеме: AB + CD → AD + CB. Проверяем, что в продуктах реакции выполняются все требования правила Бертолле (наличие газа / осадка / воды / другого слабого электролита).

3. Расставляем индексы и коэффициенты. Реакция должна быть уравнена.

4. Составляем полное ионное уравнение. Для этого каждый ион растворимого вещества записываем по-отдельности с указанием его заряда. Заряд иона мы смотрим в таблице растворимости. Коэффициент, который мы поставили перед формулой вещества будет относится и к катиону, и к аниону. Индексы “поднимаем” наверх и ставим перед ионом. Помним, что сильные элетролиты расписывавем в виде простых и сложных ионов, а слабые электролиты, неэлектролиты, а также газы и осадки оставляем в виде молекул.

5. Составляем сокращенное ионное уравнение. Сокращаем одинаковые ионы с левой и правой сторонах уравнения. Если требуется, то сокращаем коэффициенты при ионах.

1) Обменные процессы с участием кислот, оснований и амфотерных гидроксидов.

Взаимодействие основания с кислотой, при котором образуется вода, называется реакцией нейтрализации. Но не каждая пара кислота + основание вступают в реакцию друг с другом. Так например, слабая кислота не реагирует с нерастворимыми основаниями.

а) растворимые основания – щелочи взаимодействуют с кислотами (с сильными (1-2) и слабыми (3)):

(1) NaOH + HCl → NaCl + H₂O (молекулярное уравнение)

OH^-+ H⁺→ H₂O (сокращенное ионное уравнение)

Здесь и далее будем писать первым молекулярное уравнение, а вторым - сокращенное ионное уравнение.

(2) H₂SO₄ + 2LiOH → Li₂SO₄ + 2H₂O
2H⁺+2OH^-→ 2H₂O сократим одинаковые коэффициенты и получим:
H⁺+OH^-→ H₂O

(3) взаимодействие щелочи со слабой кислотой:
NaOH + HF → NaF + H₂O
OH^- + HF → F^- + H₂O (слабая фтороводородная кислота HF является слабым электролитом, на ионы не распадается, поэтому в ионных уравнениях оставляем её в молекулярном виде без изменений).

б) нерастворимые основания и амфотерные гидроксиды не взаимодействуют со слабыми кислотами, только с сильными:

(1) пример с нерастворимым основанием (Mg(OH)₂):

Mg(OH)₂↓+ 2HCl → MgCl₂ + 2H₂O

Mg(OH)₂↓+ 2H⁺→ Mg²⁺ + 2H₂O

(2) пример с амфотерным гидроксидом (Al(OH)₃):

2Al(OH)₃↓+ 3H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃+ 6H₂O

Al(OH)₃↓+ 3H⁺→ Al³⁺+ 3H₂O

в) взаимодействие амфотерных гидроксидов со щелочами (водный раствор):

Zn(OH)₂ + 2KOH → K₂[Zn(OH)₄] (в результате реакции образуется комплексное соединение - тетрагидроксоцинкат (II) калия).

Zn(OH)₂ + 2OH^-→ [Zn(OH)₄]^2-

г) взаимодействие гидроксида аммония (NH₄OH) с кислотами:

NH₃⦁H₂O + HI → NH₄I + H₂O

NH₃⦁H₂O + H⁺→ NH₄⁺ + H₂O (гидроксид аммония (NH₄OH ⇄ NH₃ +H₂O)является неустойчивым соединением, поэтому в реакциях ионного обмена распадается на аммиак и воду).

2) Обменные процессы с участием средних (нормальных) солей.

а) растворимые соли взаимодействуют с другими растворимыми солями, при этом одна из образующихся солей должна получиться нерастворимой (выпадает в осадок):

(1) 2Na₃PO₄+3CuSO₄ → 3Na₂SO₄+Cu₃(PO₄)₂↓

2PO₄^3-+3Cu²⁺ → Cu₃(PO₄)₂↓

(2) CaBr₂ + K₂CO₃→ CaCO3↓ + 2KBr

Ca²⁺ + CO₃^2-→CaCO₃↓

BaSO₄↓+ K₂CO₃↛ реакция не идет, так как реагент сульфат бария нерастворим.
MnSO₄+ NaNO₃↛ реакция не идет, так как не образуется ни газа, ни осадка, ни малодиссоциирующего вещества.

б) растворимые соли взаимодействуют со щелочами, если в результате образуется осадок гидроксида или соли:

(1) FeCl₃+3NaOH →Fe(OH)₃↓ + 3NaCl

Fe³⁺ + 3OH^-→Fe(OH)₃↓

(2) K₂SO₄ + Ba(OH)₂→ 2KOH + BaSO₄↓

SO₄^2-+ Ba²⁺→BaSO₄↓

в) соли взаимодействуют с кислотами, если образующаяся соль выпадает в осадок:

(1) пример с сильной кислотой (HCl):

AgNO₃ + HCl → AgCl↓ + HNO₃

Ag⁺ + Cl^-→ AgCl↓

(2) пример со слабой кислотой (H₂S):

2AgNO₃ + H₂S → Ag₂S↓ + 2HNO₃

2Ag⁺ + H₂S → Ag₂S↓ + 2H⁺

А также соли взаимодействуют с кислотами, если в результате сильная кислота может вытеснить из соли слабую (1) или нелетучая ‑ летучую (2,3):

(1) пример образования слабой кислоты:

CH₃COONa + HCl → NaCl+CH₃COOH

CH₃COO^- + H⁺→CH₃COOH (слабая кислота)

(2) пример с нерастворимой солью (CaCO₃):

CaCO₃↓+ H₂SO₄ → CaSO₄ + H₂O + CO₂↑

CaCO₃↓+ 2H⁺→ Ca²⁺ + H₂O + CO₂↑ (слабая угольная кислота H2CO3 является неустойчивым соединением, поэтому в реакциях ионного обмена распадается на углекислый газ и воду).

(3) пример с растворимой солью (Na₂SO₃):

Na₂SO₃ + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + H₂O + SO₂↑

SO₃^2- + 2H⁺→ H₂O + SO₂↑ (слабая сернистая кислота H₂SO₃ является неустойчивым соединением, поэтому в реакциях ионного обмена распадается на сернистый газ и воду).

CaSO₄ + HBr↛ реакция не идет, так как серная кислота – сильная и вытеснить ее из соли другой кислотой нельзя.

г) соли многоосновных кислот взаимодействуют с той же кислотой с образованием кислых солей:
Li₂S + H₂S→ 2LiHS (сульфид лития Li₂S это соль сероводородной кислоты H₂S)
S^2- + H₂S→ 2HS^-

д) соли реагируют с водным раствором аммиака (NH₄OH / NH₃⦁H₂O):
FeCl₃ + 3NH₃⦁H₂O→ Fe(OH)₃↓+ 3NH₄Cl
3NH₃⦁H₂O + Fe³⁺→ Fe(OH)₃↓+ 3NH₄⁺

3) Обменные процессы с участием кислых солей.

а) кислые соли реагируют с кислотами:

2NaHCO₃ + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2H₂O + 2CO₂↑

HCO₂^-+ H⁺→H₂O + CO₂↑

б) растворимые кислые соли нейтрализуются щелочами, при этом образуются соли всех металлов, участвующих в реакции:

2KHCO₃ + Ca(OH)₂ → K₂CO₃ + CaCO₃↓ +2H₂O

2HCO₃^- + Ca²⁺ + 2OH^-→ CO₃^2- + CaCO₃↓ +2H₂O

б)* кислые соли реагируют со щелочами (другой вариант):

NaHCO₃ + Ba(OH)₂ → BaCO₃↓ + NaOH +H₂O

HCO₃^- + Ba²⁺ + OH^-→ BaCO₃↓ + H₂O

в) кислые соли реагируют со средними (нормальными) солями:

NaHSO₄ + (CH₃COO)₂Sr → SrSO₄↓+ CH₃COONa + CH₃COOH

HSO₄^- + CH₃COO^- + Sr²⁺→ SrSO₄↓+ CH₃COOH

4) Обменные процессы с участием оснóвных солей.

а) Взаимодействие оснóвных солейс кислотами:

(1) оснóвная соль с одной гидроксогруппой реагирует с кислотой:

CuOHNO₃ + HNO₃→ Cu(NO₃)₂ + H₂O

CuOH⁺ + H⁺→ Cu²⁺ + H₂O

(2) оснóвная соль с двумя гидроксогруппами реагирует с кислотой (кислота взята в недостатке):

Cr(OH)₂Cl + HCl_(нед)→CrOHCl₂+ H₂O

Cr(OH)₂⁺ + H⁺→ CrOH²⁺+ H₂O

(3) оснóвная соль с двумя гидроксогруппами реагирует с кислотой (кислота взята в избытке):

Cr(OH)₂Cl + 2HCl_(изб)→CrCl₃+ 2H₂O

Cr(OH)2⁺ + 2H⁺→ Cr³⁺+ 2H₂O

б) Взаимодействие оснóвных солей со щелочами:

Fe(OH)₂Cl + KOH →Fe(OH)₃↓ + KCl

Fe(OH)₂⁺ + OH^-→Fe(OH)₃↓

Примеры заданий

1) Допишите молекулярное уравнение реакции ионного обмена. Составьте полное и сокращенное ионные уравнения.

Na₂SO₃ + H₂SO₄→ ... + ...

Решение:

Молекулярное уравнение:

Na₂SO₃ + H₂SO₄→ Na₂SO₄ + SO₂↑ + H₂O

Полное ионное уравнение:

2Na⁺ + SO₃^2- + 2H⁺ + SO₄^2-→2Na⁺ + SO₄^2- + SO₂↑ + H₂O

Сокращенное ионное уравнение:

SO₃^2- + 2H⁺→ SO₂↑ + H₂O

2) Из предложенного перечня веществ выберите два сильных электролита, между которыми может протекать реакция ионного обмена. Запишите молекулярное, полное и сокращенное ионные уравнения реакции с участием выбранных веществ.

Даны вещества: оксид магния, гидроксид калия, иодид натрия, сульфат железа (III), перманганат калия, сера. Допустимо использование водных растворов веществ.

Решение:

Молекулярное уравнение:

Fe₂(SO₄)₃ + 6KOH→ 2Fe(OH)₃↓ +3K₂SO₄

Полное ионное уравнение:

2Fe³⁺ + 3SO₄^2- + 6K⁺ + 6OH^-→ 2Fe(OH)₃↓ + 6K⁺+ 3SO₄^2-

Сокращенное ионное уравнение:

2Fe³⁺ + 6OH^-→2Fe(OH)₃↓ (сокращем коэффициенты)

Fe³⁺ + 3OH^-→Fe(OH)₃↓

Литература:

1. Егоров А.С. Готовимся к экзамену по химии. Для поступающих в средние специальные учебные заведения. - Ростов н/Д: Феникс, 2005. - (Абитуриент).

2. Егоров А.С., Аминова Г.Х. Химия: экспресс - репетитор для подготовки к ЕГЭ. - Ростов н/Д: Феникс, 2009. - (Абитуриент).

3. Химия. ЕГЭ. 10-11-е классы. Задачи высокого уровня сложности: учебно-методическое пособие / под ред. В.Н.Доронькина. - Ростов н/Д: Легион, 2021. - (ЕГЭ).

4. ЕГЭ. Химия: типовые экзаменационные варианты: 30 вариантов / под ред. Д.Ю.Добротина. - М.: Издательство “Национальное образование”, 2023. - (ЕГЭ. ФИПИ - школе).