8. Ионно-обменные реакции

Ионно-обменные реакции протекают в жидких растворах электролитов с участием ионов, на которые они диссоциируют. В ходе таких реакций степень окисления элементов не меняется.

Для усвоения данного раздела необходимо знать, что по способности к дис­социации на ионы электролиты (основания, кислоты, соли) делятся на сильные и слабые, при этом сила электролита количественно характеризуется константой диссоциации К_д (К_д > 1 – сильные, К_д < 1 – слабые электролиты).

Ионно-обменные реакции могут быть обратимыми и необратимыми. Если в результате взаимодействия ионов образуются летучее соединение, малораство­римый электролит, выпадающий в виде осадка, растворимый слабый электролит (молекулы, ионы или комплексные ионы), то такие реакции идут практически до конца и называются необратимыми. Обратимые реакции характеризуются нали­чием слабого электролита или малорастворимого электролита в виде осадка в ис­ходных реагентах и продуктах реакции. Химическое равновесие в таких реакциях смещено в сторону образования менее растворимого соединения или более сла­бого электролита.

При составлении уравнений ионно-обменных реакций газообразные вещества, малорастворимые и слабодиссоциированные электролиты записывают в ви­де молекулы независимо от того, являются они исходными реагентами или про­дуктами реакции. Сильные электролиты следует записывать в виде ионов.

При решении контрольного задания необходимо пользоваться следующими таблицами (см. приложение): растворимость кислот, оснований и солей в воде (табл. 7): произведение растворимости некоторых малорастворимых соединений (табл. 8); константы диссоциации некоторых электролитов (табл. 6) [1 ...5, 8].

Пример 1. Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реак­ций между водными растворами следующих веществ: а) Nа₂СО₃и НСl; б) K₂S и НСl.

Решение.

1. Составляем молекулярные уравнения реакций

CO₂

а . Na₂CO₃+2HCl = 2NaCl + H₂CO₃ .

H₂O

б. K₂S+2HCl = 2KCl + H₂S.

2. В рассматриваемых уравнениях реакций Na₂СО₃, NaCl, K₂S. КСl –растворимые соли (табл. 7), кислота НСl (К_{д НCl} = 1,0 · 10⁷ табл. 6) – сильный элек­тролит, Н₂О ( = 1,8 · 10^–16) – слабый электролит, СО₂ и H₂S – летучие со­единения. Тогда, согласно вышеизложенному, ионно-молекулярные уравнения записываем следующим образом:

а. 2Na⁺ + СО₃^2– + 2Н⁺ + 2Сl^– = 2Na⁺ + 2Сl^– + СО₂ + Н₂О.

б. 2K⁺ + S^2– + 2H⁺ + 2Cl^– = H₂S+ 2K⁺ + 2Cl^–.

3. Исключаем одинаковые ионы из обеих частей в каждом равенстве и получаем сокращенные ионно-молекулярные уравнения, которые, собственно, и выражают суть процессов - взаимодействие ионов:

а. CO₃^2– + 2H⁺ = СО₂ + Н₂О.

б. 2H⁺ +S^2– = H₂S.

Пример 2. Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения ре­акций взаимодействия в растворах между: a) Na₂S и СuSО₄; б) Na₂SiO₃ и HCI; в) Fе₂(SО₄)₃ и NaOH.

Решение. Действуем поэтапно, как в предыдущем примере:

1. Записываем уравнения в молекулярном виде:

а. Na₂S + CuSO₄ = CuS +Na₂SO₄.

б. Na₂SiO₃ + 2HCl = H₂SiO₃ + 2NaCl.

в. Fe₂(SO₄)₃ + 6NaOH = 2Fe(OH)₃ + 3Na₂SO₄.

2. Пользуясь данными табл.7 приложения находим, что CuS, H₂SiO₃, Fe(OH)₃ нерастворимые соединения. Далее записываем соответствующие полные ионно-молекулярные уравнения:

а. 2Na⁺ + S^2– + Cu²⁺ + SО₄^2– = CuS + 2Na⁺ + SO₄^2–.

б. 2Na⁺ + SiO₃^2– +2H⁺ + 2Cl^– = H₂SiO₃ + 2Na⁺ +2Cl^–.

в. 2Fe³⁺+ 3SO₄^2– +3Na⁺ + 6OH^– = 2Fe(OH)₃ +6Na⁺ + 3SO₄^2–.

3. После исключения одинаковых ионов из левой и правой частей в каждом равенстве получаем:

а. S^2– + Cu²⁺ = CuS.

б. SiO₃^2– + 2K⁺ = H₂SiO₃.

в. 2Fe³⁺+ 6OH^– = 2Fe(OH)₃.

Пример 3. Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реак­ций взаимодействия в растворах между: а) НСl и КОН; б) НNО₃ и СН₃СОONа; в) NH₄Cl и NaOH.

Решение.

1. Записываем уравнения в молекулярном виде:

а. НСl + КОН = КСl + H₂O.

б. CH₃COONa + HNO₃ = СН₃СООН + NaNO₃.

в. NH₄Cl + NaOH = NaCl + NH₄OH.

2. Используя значения констант диссоциации К_д (табл. 6 приложения) нaходим, что Н₂О (К_д = 1,8 · 10^–16), СН₃СООН (К_д = 1,85 · 10^–5), NH₄OH (К_д = 1,79 · 10^–5) – слабые электролиты, остальные соединения – сильные электролиты (К_д > 1). В связи с этим, полные ионно-молекулярные уравнения имеют вид:

а. H⁺ + Cl^– + K⁺ + OH^– = K⁺ + Cl^– + H₂O.

б. CH₃COO^– + Na⁺ + H⁺ + NO₃^– = CH₃COOH + Na⁺ + NO₃^–.

в. NH₄⁺ + Cl^– + Na⁺ + OH^– = Na⁺ + Cl^– + NH₄OH.

3. Исключив одинаковые ионы из обеих частей каждого равенства, получаем:

a. Н⁺ + ОН^– = Н₂О.

б. СН₃СОО^– + Н⁺ = СН₃СООН.

в. NH₄⁺ + OH^– = NH₄OH.

Пример 4. Составьте молекулярные уравнения реакций, которым соответ­ствуют следующие ионно-молекулярные уравнения:

а. Ag⁺ + Br ^– = AgBr.

б. SO₃^2– + 2H⁺ = SO₂ + H₂O.

Решение.

а. Для получения AgBr необходимо взять два растворимых вещества, одно из которых содержит ион серебра, а другое — ион брома:

AgNO₃ + NaBr = AgBr + NaNO₃.

б. Для получения SO₂ и Н₂О необходимо взять в качестве исходных реагентов соль сернистой кислоты и кислоту более сильную, чем Н₂SО₃, т.е. способную вытеснить последнюю из её соли:

Na₂SO₃ + 2НСl = 2 NaCl + SO₂ + Н₂О.

Пример 5. Составьте ионно-молекулярные уравнения и определите, в ка­кую сторону смещено равновесие в следующих обратимых процессах, проте­кающих в растворах:

а. FeS + 2HCl  FeCl₂ + H₂S.

б. PbCl₂ + H₂SO₄  PbSO₄ + 2HCl.

в. CuOHCl + HC1  CuCl₂ + H₂O.

Решение.

1. Составляем полные ионно-молекулярные уравнения для данных процессов.

а. FeS +2H⁺ + 2Cl^–  Fe²⁺ + 2Cl^– + H₂S.

б. PbCl₂ + 2H⁺ + SO₄^2–  PbSO₄ + 2H⁺ +2Cl^–.

в. СuOH⁺ + Cl^– + H⁺ + Cl^–  Cu²⁺ + 2Cl^– + H₂O.

2. После исключения одинаковых ионов из обеих частей каждого равенства получаем следующие сокращённые ионно-молекулярные уравнения:

а. FeS +2H⁺ +2Cl^–  Fe²⁺ + H₂S.

б. PbCl₂ + SO₄^2–  PbSO₄ + 2Cl^–.

в. СuOH⁺ + H⁺  Cu²⁺ + H₂O.

3. Определяем направление смещения химического равновесия:

а. Процесс растворения FeS (ПР_FeS = 5,0 · 10^–18, табл. 8 приложения) происходит за счёт связывания водород - ионами сульфид - ионов и образования менее диссоциированного соединения H₂S (суммарная константа диссоциации К_д = К_д1 · К_д2 = 5,7 · 10^–8 · 1,2 · 10^–15 = 6,8 · 10^–23). Равновесие смешено в сторону более слабого электролита, т.е. вправо.

б. Произведение растворимости РbСl₂ ( = 2,4 · 10^–4) больше произведения растворимости РbSО₄ ( = 2,2 · 10^–8), что обусловливает растворение осадка хлорида свинца и смещение химического равновесия вправо.

в. В данной реакции смещение химического равновесия происходит в сторону образования менее диссоциированного соединения Н₂О ( = 1,8 · 10^–16) меньше ( = 3,4 · 10^–7).