Реакции ионного обмена

1. Что такое реакции ионного обмена?

Определение

Реакции ионного обмена (РИО) — это реакции, которые протекают между ионами в растворе электролитов без изменения степеней окисления элементов.

РИО тесно связаны с понятием электролитической диссоциации — процессом распада вещества на ионы (заряженные частицы) в растворе или расплаве.

Важно

В реакциях ионного обмена степени окисления элементов НЕ меняются. Это главное отличие РИО от окислительно-восстановительных реакций (ОВР).

Механизм растворения

При растворении вещества с ионной связью (например, $NaCl$) в воде происходит следующее:

Молекулы воды являются диполями (имеют положительный и отрицательный полюса).
Диполи воды окружают ионы соли: положительные концы притягиваются к анионам ($Cl^-$), отрицательные — к катионам ($Na^+$).
Связь между ионами в кристалле ослабевает, и они переходят в раствор в виде гидратированных ионов.

$NaCl \xrightarrow{H_2O} Na^+ + Cl^-$

2. Условия протекания РИО

Не все вещества способны реагировать друг с другом. Для протекания реакции должны выполняться определенные условия как для реагентов, так и для продуктов.

Условия для реагентов

Реагенты в большинстве случаев должны быть растворимы (Р + Р).

Условия для продуктов

В продуктах должен образоваться:

Осадок
Газ
Вода или слабая кислота

2.1. Условия для реагентов (подробно)

Основное правило

Оба реагента должны быть растворимы в воде (смотрим таблицу растворимости).

Исключения из правила растворимости

1. Кислоты + нерастворимые соли:

Кислоты способны реагировать с малорастворимыми и некоторыми нерастворимыми солями, кроме пятерки сульфидов: $Ag_2S$, $PbS$, $CuS$, $CdS$, $HgS$.

Реакция идёт: $FeS + 2HCl \to FeCl_2 + H_2S\uparrow$

Реакция НЕ идёт: $CuS + H_2SO_4 \to$ (сульфид меди не реагирует!)

2. Гидроксиды могут быть нерастворимы:

Кислота должна быть растворимой, а гидроксид может быть любым:

$Cu(OH)_2 + 2HCl \to CuCl_2 + 2H_2O$
$Al(OH)_3 + 3HCl \to AlCl_3 + 3H_2O$

3. Нерастворимые кислоты:

Нерастворимые кислоты реагируют только со щелочами:

$H_2SiO_3 + 2KOH \to K_2SiO_3 + 2H_2O$

«Матрёшка» исключений для сероводорода

Соли пятерки металлов (Cu, Ag, Hg, Cd, Pb) способны реагировать со слабой сероводородной кислотой $H_2S$, так как образующийся сульфид нерастворим и не реагирует с образовавшейся кислотой:

$Cu(NO_3)_2 + H_2S \to CuS\downarrow + 2HNO_3$

$Fe(NO_3)_2 + H_2S \to$ (FeS реагирует с $HNO_3$)

2.2. Условия для продуктов (подробно)

Реакция ионного обмена протекает, если в результате образуется:

1. Газ или неустойчивое вещество

$H_2CO_3 \to H_2O + CO_2\uparrow$ | $H_2SO_3 \to H_2O + SO_2\uparrow$ | $NH_3 \cdot H_2O \to NH_3\uparrow + H_2O$

$Na_2CO_3 + 2HCl \to 2NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$

2. Осадок или неустойчивое вещество

$2AgOH \to Ag_2O\downarrow + H_2O$ | $Hg(OH)_2 \to HgO\downarrow + H_2O$

$AgNO_3 + KBr \to AgBr\downarrow + KNO_3$
$2AgF + 2KOH \to 2KF + Ag_2O\downarrow + H_2O$

3. Вода или слабый электролит

Образование воды — признак реакции нейтрализации:

$NaOH + HCl \to NaCl + H_2O$
$NaHCO_3 + NaOH \to Na_2CO_3 + H_2O$

3. Молекулярные и ионные уравнения

Реакции ионного обмена можно записать тремя способами:

Молекулярное уравнение

Уравнение с незаряженными атомами и молекулами.

$HCl + NaOH \to NaCl + H_2O$

Полное ионное уравнение

Уравнение с ионами, образовавшимися при диссоциации.

$H^+ + Cl^- + Na^+ + OH^- \to Na^+ + Cl^- + H_2O$

Сокращённое ионное уравнение

Получается путём сокращения одинаковых ионов слева и справа.

$H^+ + OH^- \to H_2O$

Что расписываем на ионы, а что нет?

Ионные уравнения

В ионных уравнениях записывают в виде ионов формулы:

растворимых солей;
сильных кислот (HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₃, HClO₄, H₂SO₄ и др.);
сильных оснований (щелочи LiOH, NaOH, KOH, CsOH, RbOH, Ca(OH)₂, Sr(OH)₂, Ba(OH)₂).

В ионных уравнениях записываются в виде молекул формулы:

оксиды в качестве реагентов
в РИО не используем

воды;
слабых кислот (HF, H₂S, H₂SO₃, H₂CO₃, H₂SiO₃, HNO₂, HCN, H₃PO₄, HClO, HClO₂, органические кислоты HCOOH, CH₃COOH и др.);
NH₃ · H₂O, нерастворимых оснований и амфотерных гидроксидов (Zn(OH)₂, Fe(OH)₂, Fe(OH)₃, Al(OH)₃, Cu(OH)₂ и др.);
газообразных веществ (CO₂, H₂S, NH₃, SO₂);
нерастворимых солей.

Особенность малорастворимых гидроксидов

$Ca(OH)_2$ и $Sr(OH)_2$ — малорастворимы:

В левой части уравнения — расписываем на ионы (если они исходные вещества в растворе)
В правой части уравнения — НЕ расписываем (осадок)

$Sr^{2+} + 2OH^- \to Sr(OH)_2\downarrow$
$Ca^{2+} + 2OH^- \to Ca(OH)_2\downarrow$

Запомните

Указывайте заряд иона (сначала число, потом знак): $Ca^{2+}$. Не путайте со степенью окисления (сначала знак, потом число): $Ca^{+2}$

4. Алгоритм составления ионных уравнений (ЕГЭ)

Шаг 1. Выбор реагентов

В списке веществ находим два вещества, между которыми будет протекать реакция ионного обмена.
Не забывайте про исключения!

Шаг 2. Молекулярное уравнение

Записываем уравнение реакции в молекулярном виде.
Не забывайте уравнивать коэффициенты!

Шаг 3. Полное ионное уравнение

Расписываем на ионы все вещества, которые диссоциируют.
Не забывайте писать заряды ионов!

Шаг 4. Сокращённое ионное уравнение

Сокращаем одинаковые ионы в левой и правой частях.
Не забывайте сокращать коэффициенты!

Примеры решения задач ЕГЭ (Задание 30)

Задача 1. Реакция с выделением газа

Решение

Условие: Из предложенного перечня веществ выберите вещества, между которыми протекает реакция ионного обмена с выделением газа. Запишите молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения реакции.

Перечень веществ: серная кислота, сульфит натрия, хлорид бария, нитрат калия, оксид меди(II).

Анализ веществ: $H_2SO_4$ — сильная кислота, $Na_2SO_3$ — растворимая соль, $BaCl_2$ — растворимая соль, $KNO_3$ — растворимая соль, $CuO$ — оксид, не электролит

Решение: Проверяем возможные пары:

$H_2SO_4 + Na_2SO_3$ — образуется $H_2SO_3$, которая разлагается на $H_2O + SO_2\uparrow$ Газ!
$H_2SO_4 + BaCl_2$ — образуется осадок $BaSO_4\downarrow$ (не газ)
$H_2SO_4 + KNO_3$ — реакция не идёт (нет газа, осадка, воды)

Молекулярное: $H_2SO_4 + Na_2SO_3 = Na_2SO_4 + H_2O + SO_2\uparrow$

Полное ионное: $2H^+ + SO_4^{2-} + 2Na^+ + SO_3^{2-} = 2Na^+ + SO_4^{2-} + H_2O + SO_2\uparrow$

Сокращённое: $2H^+ + SO_3^{2-} = H_2O + SO_2\uparrow$

Задача 2. Реакция с выпадением осадка

Решение

Условие: Из предложенного перечня веществ выберите вещества, между которыми протекает реакция ионного обмена с образованием бурого осадка. Запишите молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения реакции.

Перечень веществ: гидроксид натрия, хлорид железа(III), серная кислота, нитрат бария, сера.

Анализ веществ: $NaOH$ — щёлочь, $FeCl_3$ — растворимая соль, $H_2SO_4$ — сильная кислота, $Ba(NO_3)_2$ — растворимая соль, $S$ — простое вещество, не электролит

Решение: Проверяем пары на образование осадка:

$NaOH + FeCl_3$ — образуется $Fe(OH)_3\downarrow$ — нерастворимый осадок бурого цвета
$H_2SO_4 + Ba(NO_3)_2$ — образуется $BaSO_4\downarrow$ — осадок белого цвета (не подходит)

Выбираем: $NaOH + FeCl_3$

Молекулярное: $3NaOH + FeCl_3 = Fe(OH)_3\downarrow + 3NaCl$

Полное ионное: $3Na^+ + 3OH^- + Fe^{3+} + 3Cl^- = Fe(OH)_3\downarrow + 3Na^+ + 3Cl^-$

Сокращённое: $Fe^{3+} + 3OH^- = Fe(OH)_3\downarrow$

Обратите внимание

Гидроксид железа(III) — нерастворимое основание, поэтому его не расписываем на ионы в правой части уравнения.

Задача 3. Реакция нейтрализации

Решение

Условие: Из предложенного перечня веществ выберите кислоту и основание, между которыми протекает реакция ионного обмена. Запишите молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения реакции.

Перечень веществ: азотная кислота, гидроксид калия, хлорид натрия, сульфат меди(II), железо.

Анализ веществ: $HNO_3$ — сильная кислота, $KOH$ — щёлочь, $NaCl$ — растворимая соль, $CuSO_4$ — растворимая соль, $Fe$ — металл, не электролит

Решение: По условию нужны кислота и основание:

Кислота: $HNO_3$ (сильная, растворимая)
Основание: $KOH$ (щёлочь)

При их взаимодействии образуется соль и вода — реакция нейтрализации.

Молекулярное: $HNO_3 + KOH = KNO_3 + H_2O$

Полное ионное: $H^+ + NO_3^- + K^+ + OH^- = K^+ + NO_3^- + H_2O$

Сокращённое: $H^+ + OH^- = H_2O$

Универсальное уравнение нейтрализации

$H^+ + OH^- = H_2O$ — это уравнение одинаково для реакций любой сильной кислоты с любой щёлочью: $HCl + NaOH$, $H_2SO_4 + KOH$, $HNO_3 + Ba(OH)_2$ и т.д.

Типичные ошибки на ЕГЭ

Забывают проверить растворимость — всегда сверяйтесь с таблицей растворимости!
Расписывают на ионы осадки и газы — нерастворимые вещества пишем молекулами
Путают заряд иона и степень окисления — заряд: $Fe^{3+}$, степень окисления: $Fe^{+3}$
Не уравнивают коэффициенты — проверяйте баланс атомов и зарядов!
Выбирают неэлектролиты — оксиды, металлы, простые вещества не участвуют в РИО

5. Обратная задача: восстановление реакции по ионному уравнению

На экзамене иногда дают сокращённое ионное уравнение и просят подобрать реагенты. Это как работа детектива — по «уликам» (ионам) восстанавливаем «преступление» (реакцию).

Пример задачи

Дано: $3Ca^{2+} + 2PO_4^{3-} \to Ca_3(PO_4)_2\downarrow$

Решение: Наличие катиона кальция $Ca^{2+}$ и фосфат-аниона $PO_4^{3-}$ говорит о том, что реагенты — два растворимых соединения. По таблице растворимости подбираем, например: хлорид кальция и фосфат калия.

Молекулярное: $3CaCl_2 + 2K_3PO_4 \to Ca_3(PO_4)_2\downarrow + 6KCl$

Полное ионное: $3Ca^{2+} + 6Cl^- + 6K^+ + 2PO_4^{3-} \to Ca_3(PO_4)_2\downarrow + 6K^+ + 6Cl^-$

Сокращённое: $3Ca^{2+} + 2PO_4^{3-} \to Ca_3(PO_4)_2\downarrow$

Ловушка!

Нельзя взять $Ca(OH)_2 + H_3PO_4$, так как в этом случае в ионном уравнении будут вода и слабая кислота: $3Ca(OH)_2 + 2H_3PO_4 \to Ca_3(PO_4)_2\downarrow + 6H_2O$ — это уже другое сокращённое ионное уравнение!