Главная / Теоретические основы / Реакции ионного обмена

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.

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

Вопрос 1: Условия протекания

Проверка

Почему реакция между водными растворами хлорида натрия и нитрата калия ($NaCl + KNO_3$) обратима и не идет до конца?

Ответ: Потому что не образуется ни осадка, ни газа, ни слабого электролита.

Пояснение: При смешивании этих растворов образуется смесь гидратированных ионов ($Na^+, K^+, Cl^-, NO_3^-$). Ни одна пара из них не способна объединиться в прочный осадок или газ, поэтому продукты не покидают сферу реакции.

Вопрос 2: Множественный выбор

Проверка

Выберите все пары веществ, водные растворы которых вступают в реакцию ионного обмена: 1) $KOH$ и $HCl$; 2) $Na_2SO_4$ и $KCl$; 3) $BaCl_2$ и $H_2SO_4$.

Ответ: 1 и 3.

Пояснение: В первой паре образуется слабый электролит (вода). В третьей паре выпадает белый нерастворимый осадок сульфата бария ($BaSO_4$). Во второй паре образуются только растворимые сильные электролиты, реакция не идет.

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:

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

Вопрос 1: Свойства реагентов

Проверка

Можно ли провести реакцию обмена между двумя нерастворимыми солями (например, между $BaSO_4$ и $AgCl$)?

Ответ: Нет, нельзя.

Пояснение: Реакции ионного обмена идут только между подвижными ионами в растворе. Если оба исходных вещества нерастворимы, они не могут диссоциировать на ионы, и их смешивание (даже при нагревании в воде) не приведет к реакции.

Вопрос 2: Анализ продуктов

Проверка

Какой газ выделяется при взаимодействии твердого сульфита натрия с разбавленной соляной кислотой?

Ответ: Сернистый газ ($SO_2$).

Пояснение: Сильная соляная кислота вытесняет слабую сернистую кислоту ($H_2SO_3$) из ее соли. Сернистая кислота крайне неустойчива и сразу же распадается на воду и сернистый газ (бесцветный газ с резким запахом загорающейся спички).

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): $Ca^{+2}$

Вопрос 1: Правила записи РИО

Проверка

Какие вещества в полном ионном уравнении следует записывать в виде целых молекул (не разбивая на ионы)?

Ответ: Осадки, газы, воду и другие слабые электролиты.

Пояснение: Сильные электролиты (растворимые соли, сильные кислоты и щелочи) существуют в растворе в виде ионов, поэтому их пишут по отдельности. Слабые электролиты почти не диссоциируют, их пишут слитно.

Вопрос 2: Сокращенное уравнение

Проверка

Какому молекулярному уравнению соответствует сокращенное ионное уравнение $H^+ + OH^- \rightarrow H_2O$?

Ответ: Реакции любой сильной растворимой кислоты и щелочи (без образования осадка).

Пояснение: Например, $HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$. Ионы $Na^+$ и $Cl^-$ в этой реакции сокращаются. Если взять слабую кислоту (например, $HF$), она будет записана в ионном уравнении целиком.

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

Вопрос 1: Задание №30 ЕГЭ

Проверка

Можно ли для классической реакции ионного обмена выбрать в качестве реагентов оксид меди(II) ($CuO$) и соляную кислоту ($HCl$)?

Ответ: Нет, это гетерогенная реакция, а не классический РИО.

Пояснение: Оксиды не являются электролитами. Реакция, конечно, пойдет ($CuO + 2H^+ \rightarrow Cu^{2+} + H_2O$), но в ЕГЭ под РИО подразумевают реакции именно между электролитами (солями, кислотами, основаниями).

Вопрос 2: Поиск ошибок

Проверка

Найдите грубую ошибку в сокращенном ионном уравнении реакции мела с кислотой: $Ca^{2+} + CO_3^{2-} + 2H^+ \rightarrow Ca^{2+} + H_2O + CO_2$.

Ответ: Мел ($CaCO_3$) нерастворим, его нельзя расписывать на ионы.

Пояснение: Правильно писать так: $CaCO_3 + 2H^+ \rightarrow Ca^{2+} + H_2O + CO_2$. Нерастворимые соли вступают в реакцию с кислотами непосредственно с твердой поверхности.

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!

Вопрос 1: Обратная задача

Проверка

Подберите два вещества (электролита), при взаимодействии водных растворов которых протекает реакция: $Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4\downarrow$.

Ответ: Например, хлорид бария ($BaCl_2$) и сульфат натрия ($Na_2SO_4$).

Пояснение: Оба исходных вещества должны быть сильными электролитами (хорошо растворимыми в воде). Нельзя брать $BaSO_3$ или $Ag_2SO_4$, так как они нерастворимы и их нельзя расписывать на ионы.

Вопрос 2: Уловки РИО

Проверка

Почему водный раствор аммиака нельзя записать в ионном уравнении в виде отдельных ионов $NH_4^+$ и $OH^-$?

Ответ: Потому что это слабый электролит.

Пояснение: Раствор аммиака в воде (гидрат аммиака) диссоциирует в очень малой степени. В левой или правой части ионного уравнения его следует записывать строго в молекулярной форме: $NH_3 \cdot H_2O$ (или $NH_4OH$).

Пройди тест по теме

Проверь свои знания по теме "Реакции ионного обмена". Задания формата ЕГЭ.

Начать тест

Предыдущая тема Электролитическая диссоциация

Следующая тема Электролиз