У цьому параграфі ви дізнаєтеся:
• за яких умов відбуваються реакції обміну в розчинах електролітів.
Нагадаємо, реакції обміну — це такі реакції, у ході яких дві складні речовини обмінюються своїми складовими частинами. За теорією електролітичної дисоціації, реакції обміну між електролітами в розчинах — це реакції між йонами, які утворюються внаслідок дисоціації цих електролітів.
У яких випадках реакції обміну відбуваються до кінця?
Реакції обміну відбуваються до кінця, коли продуктами реакції є речовини, що не дисоціюють. Які саме речовини?
Під час змішування розчинів різних електролітів у результаті зіткнення йонів з протилежними зарядами можуть утворюватися: малодисоційовані сполуки — насамперед H2O, а також слабкі кислоти CH3COOH, H2S та ін., осади — наприклад AgCl, BaSO4, CaCO3, або газоподібні речовини — CO2, NH3 тощо. У цьому можна переконатися, провівши такі досліди.
Демонстраційний дослід
Реакції обміну між електролітами у водних розчинах
Розглянемо на досліді найхарактерніші реакції обміну між електролітами у водних розчинах, які супроводжуються:
• випаданням осаду. У хімічний стакан ємністю 100 мл поміщають 30 мл розчину кальцій хлориду концентрацією 1 моль/л і доливають такий самий об’єм розчину натрій карбонату концентрацією 1 моль/л. Утворюється білий осад. Якого він складу? Запишемо рівняння хімічної реакції:
• виділенням газу. Наливають у хімічний стакан 30 мл хлоридної кислоти концентрацією 1 моль/л і додають до нього такий самий об’єм розчину натрій карбонату концентрацією 1 моль/л. Спостерігаємо інтенсивне газоутворення. Який склад газу? Яке його забарвлення? Чи підтримує він горіння скіпки? Рівняння реакції таке:
• утворенням води. У хімічний стакан наливають 20 мл хлоридної кислоти концентрацією 1 моль/л і додають 2-3 краплини розчину метилоранжу. Потім краплинами доливають розчин натрій гідроксиду концентрацією 1 моль/л доти, поки індикатор змінить забарвлення. Який з утворених продуктів цієї реакції є слабким електролітом?
Отже, подібні реакції відбуваються за умови утворення речовин з іще міцнішим хімічним зв’язком. Ми записали рівняння реакцій у молекулярній формі. Але ж реакції в розчинах електролітів відбуваються між йонами, тому їх називають йонними, а рівняння — йонно-молекулярними. У них записують формули йонів або молекул речовин, які взяли участь у реакції. Інакше кажучи, до запису молекулярного рівняння додають рівняння в повній і скороченій йонній формах.
Алгоритм складання йонно-молекулярних рівнянь
1. Скласти рівняння реакції в молекулярній формі.
2. Переписати в йонному вигляді формули тільки сильних електролітів. Практично нерозчинні, малорозчинні та малодисоційовані, а також газоподібні сполуки залишити в молекулярній формі.
3. Визначити йони, які не беруть участі в утворенні малоди-соційованих, малорозчинних (осадів) і газоподібних речовин.
4. Скласти скорочене йонне рівняння реакції, яке відображає реальний механізм її перебігу.
Наведемо конкретні приклади складання таких рівнянь.
І. Складання рівнянь реакцій обміну, перебіг яких супроводжується утворенням малорозчинної сполуки (осаду):
1-й крок. Записуємо рівняння реакції в молекулярній формі:
Обидві солі, що взаємодіють, є розчинними й повністю дисоціюють на йони: так, калій сульфат — на йони K+ і сульфат-іони SO4-, а барій нітрат — на йони Ba2+ і нітрат-іони NO-. Одна утворена сіль, барій сульфат BaSO4, нерозчинна, а тому випадає в осад. Друга утворена сіль, калій нітрат KNO3, розчинна і є сильним електролітом (див. табл. розчинності на форзаці 2), а отже, залишається в розчині у вигляді йонів (K+ і NO-).
2-й крок. Наведене вище молекулярне рівняння можна подати й у такому вигляді:
Таке рівняння називають рівнянням у повній йонно-молекулярній формі. У ньому в йонній формі подають лише формули добре розчинних сильних електролітів, а формули газоподібних, мало-дисоційованих та малорозчинних речовин — у молекулярній формі з урахуванням коефіцієнтів.
3-й крок. Так, з аналізу наведеного рівняння можна зробити висновок, що йони K+ і NO- участі в реакції не беруть, оскільки залишаються після реакції такими самими, як і до неї.
Підкреслюємо йони, що не беруть участі в реакції:
4-й крок. Тому такі йони виключають із запису рівняння в повній йонно-молекулярній формі. Складемо скорочене йонно-молекулярне рівняння, до якого входять лише ті йони, що беруть безпосередню участь у реакції:
Реакції такого типу, які відбуваються без зміни ступенів окис-нення атомів, що утворюють йони, називають йонообмінними.
Лабораторний дослід 4
Реакції обміну між електролітами у водних розчинах, що супроводжуються випаданням осаду
У дві пробірки налийте по 1 мл розчинів купрум(ІІ) сульфату та ферум(ІІІ) хлориду концентрацією 0,5 моль/л. У кожну пробірку додайте по 1 мл розчину натрій гідроксиду концентрацією 1 моль/л. Що при цьому спостерігаєте? Яке забарвлення осадів, що утворилися?
Складіть рівняння реакцій у молекулярній та в повній і скороченій йонній формах.
ІІ. Складання рівнянь реакцій, перебіг яких супроводжується утворенням газоподібної сполуки, розглянемо на прикладі реакції натрій сульфіду з хлоридною кислотою.
Лабораторний дослід 5
Реакції обміну між електролітами у водних розчинах, що супроводжуються виділенням газу Працювати під тягою!
В одну з мікропробірок внесіть 5 крапель розчину натрій карбонату концентрацією 0,5 моль/л і додайте в неї стільки ж крапель хлоридної кислоти концентрацією 0,5 моль/л. Перемішайте вміст пробірки. Спостерігайте виділення газоподібної речовини. Складіть рівняння реакції в молекулярній та повній і скороченій йонній формах. Чи має запах леткий продукт реакції? У другу мікропробірку налийте 5 крапель розчину натрій сульфіду концентрацією 0,5 моль/л і додайте в неї стільки ж хлоридної кислоти концентрацією 0,5 моль/л. Визначте за запахом тухлих яєць склад газоподібного продукту реакції. Складіть рівняння реакції в молекулярній та повній і скороченій йонній формах.
ІІІ. Складання рівнянь реакцій, перебіг яких супроводжується утворенням малодисоційованої сполуки, розглянемо на прикладі взаємодії нітратної кислоти з кальцій гідроксидом.
Лабораторний дослід 6
Реакції обміну між електролітами у водних розчинах, що супроводжуються утворенням води
Налийте у кожну з двох пробірок по 5 крапель розчину натрій гідроксиду концентрацією 2 моль/л і додайте по 1 краплі розчину фенолфталеїну. Під дією яких йонів розчин фенолфталеїну став малиновим? В одну пробірку додавайте з піпетки по краплях хлоридну кислоту концентрацією 2 моль/л, у другу — розчин ортофосфатної кислоти концентрацією 2 моль/л до повного знебарвлення розчинів. Чим можна пояснити знебарвлення розчинів? У якому випадку розчин знебарвлюється швидше?
Складіть рівняння обох реакцій взаємодії лугу з хлоридною та ортофосфатною кислотами в молекулярній і повній та скороченій йонній формах. Чому друга реакція відбувається з утворенням малодисоційованої сполуки — води, хоча вихідною речовиною є ортофосфатна кислота — електроліт середньої сили?
Щоб з’ясувати можливість перебігу тієї чи іншої реакції обміну, часто доводиться користуватися таблицею розчинності неорганічних сполук (див. форзац 2). Також потрібно пам’ятати найпоширеніші випадки утворення газоподібних сполук (карбон(ІУ) оксиду та сульфур(ІУ) оксиду). Ці сполуки виділяються, якщо в результаті реакції обміну утворюються відповідні кислоти (карбонатна H2CO3 та сульфітна H2SO3 — нестійкі сполуки, які розкладаються в момент утворення).
Основні поняття. Йонообмінні реакції. Рівняння хімічної реакції в молекулярній, повній та скороченій йонній формах.
Запитання та завдання
°1. Як відбуваються реакції між електролітами в розчинах? Це реакції між молекулами чи між йонами?
°2. Яких правил треба дотримуватися під час складання йонно-молеку-лярних рівнянь?
°3. У яких випадках хімічні реакції в розчинах електролітів відбуваються до кінця?
4. Між якими з поданих нижче електролітів може відбуватися реакція обміну? Чому? Складіть рівняння можливих реакцій у молекулярній, повній і скороченій йонній формах:
а) ферум(ІІІ) сульфат і калій гідроксид;
б) барій нітрат і калій хлорид;
в) барій гідроксид і ортофосфатна кислота.
5. У яких із поданих нижче випадків можливий перебіг реакції? Чому? Складіть рівняння можливих реакцій у молекулярній, повній і скороченій йонній формах:
*6. Наведіть повні рівняння реакцій, сутність яких можна виразити такими йонними рівняннями в скороченій формі:
*7. Складіть рівняння реакцій, за допомогою яких можна здійснити такі перетворення:
Складіть рівняння відповідних реакцій у молекулярній, повній і скороченій йонній формах.
Це матеріал з підручника Хімія 9 клас Бутенко (поглиблений рівень)