§11. Реакції обміну між розчинами електролітів

Йонні реакції

При взаємодії електролітів сполучається тільки протилежно заряджені йони. Якщо при цьому утвориться нова речовина у вигляді осаду, газу, слабкого електроліту, то такі реакції можна вважати необоротними, тобто як такі, що йдуть до кінця. Такі реакції називаються йонними і записують їх йонними рівняннями.

Реакції у водних розчинах електролітів є реакціями між йонами і називаються йонними реакціями.

При складанні реакцій йонного обміну слід пам’ятати:

1. Розчинні у воді електроліти записують у вигляді йонів.
2. Речовини практично нерозчинні, малодисоційовані, гази, оксиди (Me_xO_y, E_xO_y) записують у вигляді молекул.
3. Утворення осаду показують знаком ↓, газу – ↑, які записують справа, за формулою.
4. В скороченому йонному рівнянні записують формули тільки тих часточок, які практично взаємодіють між собою.
5. В правильно написаному йонному рівнянні, сума зарядів йонів правої і лівої частини хімічного рівняння повинна дорівнювати нулю.

Щоб зробити висновок про перебіг реакцій йонного обміну до кінця треба використати дані таблиці розчинності солей, основ і кислот у воді. Розглянемо реакцію утворення нерозчинної сполуки аргентум хлориду із натрій хлориду і аргентум нітрату.

Рис. 26. Реакція йонного обміну з утворенням осаду AgCl.

Складаємо молекулярне рівняння реакції:
NaCl + AgNO₃ = AgCl↓ + NaNO₃.

За таблицею розчинності бачимо, що сполуки NaCl, AgNO₃ і NaNO₃ розчинні, тому у водному розчині вони знаходяться у вигляді йонів. AgCl – нерозчинна, формула цієї речовини залишаються у молекулярному вигляді, за нею вказуємо стрілочку вниз.

Записуємо повне йонне рівняння: ~~Na⁺~~ + Cl^– + Ag⁺ + ~~NO₃^–~~ = AgCl↓ + ~~Na⁺~~ + ~~NO₃^–~~.

Відмічаємо йони, які в процесі реакції не зазнали змін і вилучимо їх з правої та лівої частини рівняння (скорочуємо). Утворення осаду зводиться до взаємодії йонів Ag⁺ і Cl^–, так як утворилася нерозчинна сполука AgCl. Всі інші йони участі в реакції не прийняли. Записуємо скорочене йонне рівняння: Ag⁺ + Cl^– = AgCl↓.

Скорочене йонне рівняння показує між якими йонами практично відбулася реакція, що призвела до зв’язування йонів. В цій реакції вам були відомі вихідні речовини для отримання вказаної сполуки. Але на практиці часто доводиться самому підбирати вихідні речовини.

Наприклад, якими речовинами ви можете скористатися, щоб добути нерозчинну сполуку BaSO₄. Для утворення BaSO₄ прийняли участь йони Ba²⁺ + SO₄^2– = BaSO₄. Зрозуміло, що вихідні речовини мають бути розчинні. Знаходимо в таблиці розчинності розчинні сполуки барію. Це можуть бути: Ba(OH)₂, Ba(NO₃)₂, BaCl₂, BaI₂. Тепер знаходимо в таблиці розчинності розчинні сполуки з аніоном SO₄^2–. Це можуть бути: H₂SO₄, Li₂SO₄, K₂SO₄, MgSO₄, ZnSO₄ та інші. Підбираємо дві довільні речовини з цих груп, наприклад BaCl₂ і Na₂SO₄.

Реакція йонного обміну з утворенням осаду BaSO4.

Рис. 28. Реакція йонного обміну з утворенням осаду BaSO₄.

Йонні реакції – реакції між йонами.

Складаємо молекулярне рівняння реакції:
BaCl₂ + Na₂SO₄ = BaSO₄↓ + 2NaCl.

Записуємо повне йонне рівняння: Ba²⁺ + ~~2Cl^–~~ + ~~2Na⁺~~ + SO₄^2– = BaSO₄ + ~~2Na~~⁺ + ~~2Cl^–~~.

Вилучивши з правої та лівої частини рівняння ті йони, які не змінили свого складу впродовж реакції, запишемо йони, які практично провзаємодіяли між собою: Ba²⁺ + SO₄^2– = BaSO₄(скорочене йонне рівняння).

Цю нерозчинну сполуку можна отримати іншим способом. Аніон SO₄^2– входить до складу сульфатної кислоти. Кислоти взаємодіють з оксидами металічних елементів, гідроксидами і солями з утворенням солі. Для прикладу використаємо барій оксид.

Рис. 28. Реакція йонного обміну з утворенням осаду BaSO₄.

Записуємо молекулярне рівняння реакції, і підкреслюємо нерозчинні або малодисоційовані сполуки: BaO + H₂SO₄ = BaSO₄↓ + H₂O.

Повне йонне рівняння матиме вигляд: BaO + 2H⁺ + SO₄^2– = BaSO₄ + H₂O.

В даному випадку відбулося зв’язування йонів H⁺ і SO₄^2– з оксидом барію, з утворенням нерозчинного BaSO₄ і малодисоційованої сполуки H₂O.

Якщо при взаємодії двох сильних електролітів утворюються два сильні електроліти, то такі реакції являються оборотними, наприклад: K₂SO₄ (розчинна) + CuCI₂ (розчинна) ⇄ 2KCI (розчинна) + CuSO₄ (розчинна):

2K⁺ + SO₄^2– + Cu²⁺ + 2Cl^– ⇄ 2K⁺ + 2Cl^–+ Cu²⁺ + SO₄^2–.

Оскільки не відбувається зв’язування йонів, то практично реакція не відбувається.

Складаючи рівняння реакцій йонного обміну, під час яких утворюються газоподібні речовини, слід врахувати, що аніони CO₃^2–, SO₃^2–, S^2– здатні реагувати з кислотами, з утворенням відповідного газу:
SO₃^2– + 2H⁺ → H₂O + SO₂↑;
S^2– + 2H⁺ → H₂S↑;
CO₃^2– + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑.

Лабораторний дослід 2. Реакції, в результаті яких утворюється осад

В одну пробірку влийте 3–4 мл розчину купруму (II) сульфату, в другу – ферум (III) хлориду, в третю – барій хлориду. У перші дві пробірки добавте трохи розчину натрій гідроксиду, а в третю – сульфатної кислоти.

Рис. 29. Реакція йонного обміну з утворенням осаду: а) Cu(OH)₂ ; б) Fe(OH)₃; в) BaSO₄.

Завдання: складіть рівняння реакцій в молекулярному, повному і скороченому йонному вигляді. Поясніть, чому утворилися осади? Які речовини випали в осад? Розчини яких ще речовин можна влити в пробірки, щоб випав осад?

Лабораторний дослід 3. Реакції, в результаті яких виділяється газ

В пробірку влийте 2-3 мл розчину натрій карбонату і добавте кілька крапель хлоридної кислоти.

Рис. 30. Реакція йонного обміну з утворенням газу.

Завдання: складіть рівняння реакції, що відбулася в молекулярному, повному і скороченому йонному вигляді. При дії яких кислот на цей розчин можна отримати аналогічні результати?

Лабораторний дослід 4. Реакції, в результаті яких утворюються малодисоційовані речовини

В одну пробірку влийте 2-3 мл розчину натрій гідроксиду і добавте 1-2 краплі фенолфталеїну. Розчин набуде малинового забарвлення. Потім влийте розчин хлоридної або сульфатної кислоти до знебарвлення.

Рис. 31. Реакція йонного обміну з утворенням малодисоційованої сполуки води.

Завдання: складіть рівняння реакції, що відбулася, в молекулярному, повному і скороченому йонному вигляді. Поясніть, чому розчин спочатку набув кольору, а потім знебарвився. Між якими йонами практично відбулася реакція? Для узагальнення знань можна скористатися таблицею.

Таблиця 1. Молекулярні, повні йонні і скорочені йонні рівняння реакцій, умови перебігу йонних реакцій

Реагуючі речовини	Рівняння реакцій
Реагуючі речовини	у молекулярному вигляді	повні йонні	скорочені йонні
Хлорид натрію і нітрат (II) плюмбуму	Утворюється осад: 2NaCl+ Pb(NO₃)₂ → PbCl₂↓ + 2NaNO₃	2Na⁺ + 2Cl^– + Pb²⁺ + 2NO₃^– → PbCl₂↓ + 2Na⁺+ 2NO₃^–	Pb²⁺ + 2Cl^– → PbCl₂↓
Натрій карбонат і хлоридна кислота	Утворюється газ: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + CO₂↑+ H₂O	2Na⁺ + CO₃^2– + 2H⁺ + 2Cl^– → 2Na⁺ + 2Cl^– + H₂O +CO₂↑	CO₃^2- + 2H⁺ → H₂O +CO₂↑
Калій гідроксид і нітратна кислота	Утворюється малодисоціююча речовина: KOH+ HNO₃ → KNO₃ + H₂O	K⁺ + OH^– + H⁺ + NO₃^– → K⁺ + NO₃^–+ H₂O	H⁺ + OH^– → H₂O (вода – молодисоціююча речовина).
Магній хлорид і натрій сульфат	Ознаки реакції не спостерігаються: MgCl₂ + Na₂SO₄ ⇄ MgSO₄ + 2NaCl	Mg²⁺ + 2Cl^– + 2Na⁺ + SO₄^2– ⇄ Mg²⁺ + SO₄^2–+ 2Na⁺ + 2Cl^–
Магній хлорид і натрій сульфат	Реакція практично не відбувається, тому що не відбувається зв’язування йонів.

Властивості йонів

Ви вже знаєте, що йони відрізняються від атомів будовою і властивостями. Деякі йони безбарвні, інші мають певний колір.

Колір деяких йонів:

Cu²⁺ – блакитний

Fe²⁺ – світло-зелений

Fe³⁺ – жовтий

Nі²⁺ – зелений

Cr²⁺ – блакитний

MnO₄^– – фіолетовий

Cr₂O₇^2– – оранжевий

Co²⁺ – рожевий

CrO₂^– – зелений

Mn²⁺ – рожевий

Йони відрізняються від атомів будовою і властивостями.

Для кожного з них характерні специфічні (якісні) хімічні властивості (див. додаток, таблиця).

Наприклад, для того щоб виявити наявність йону Cu²⁺ в розчині необхідно добавити розчин, в якому містяться йони OH^– або S^2–. Якщо до розчину CuCl₂ добавити розчин лугу, то утвориться нерозчинна сполука Cu(OH)₂ синього кольору:
Cu²⁺ + 2ОH^– = Cu(OH)₂↓
Cu²⁺ + S^2– = CuS↓ чорний осад.

Використовуючи якісні реакції можна довести наявність в розчині того чи іншого йону.

Підсумок:

Реакції обміну між йонами називаються реакціями йонного обміну.
Реакції йонного обміну ідуть до кінця, якщо:
1. утворюється осад (нерозчинна сполука);
2. утворюється газоподібна сполука;
3. утворюється малодисоційована сполука (наприклад, вода).

При цьому відбувається зв’язування йонів в молекули.

Якщо в розчині немає таких йонів, які можуть зв’язуватися між собою, реакція обміну не відбувається до кінця.
Карбонатна і сульфітна кислоти як продукти реакцій не існують, тому що розкладаються з виділенням газів:

, .

?

Чому реакції обміну називають реакціями йонного обміну?
В якому випадку реакції йонного обміну практично відбуваються?

Завдання для самоконтролю

■

94. Для реакції, що відбувається в розчині до кінця, напишіть молекулярне, повне та скорочене йонне рівняння:
CuSO₄ + NaOH →
K₂S + NaNO₃ →
NaOH + H₂SO₄ →
CuSO₄ + NaNO₃ →
H₃PO₄ + Ca(OH)₂ →
Cu(OH)₂ + HNO₃ →
AgNO₃ + MgCl₂ →
H₃PO₄ + NaCl →
MgO + HCl →
Al(NO₃)₃ + KOH →
K₂O + H₂SO₃ →
K₂S + Pb(NO₃)₂ →
CrCl₃ + KOH →
CO₂ + NaOH →

95. Напишіть молекулярне, скорочене та повне йонне рівняння реакцій, що відповідають схемам:
FeO + Cu²⁺ → Fe²⁺ + CuO
Fe(OH)₃ + 3H⁺ → Fe³⁺ + 3H₂O
CaCO₃ + 2H⁺ → Ca²⁺ + CO₂ + H₂O
MgCO₃ + 2H⁺ → Mg²⁺ + CO₂ + H₂O
Cu(OH)₂ + 2H⁺ → Cu²⁺ + 2H₂O
ZnO + Hg²⁺ → HgO + Zn²⁺
3Mg²⁺ + 2PO₄^3– → Mg₃(PO₄)₂
Pb²⁺ + S^2– → PbS

96. Якими із зазначених реактивів слід скористатися, щоб визначити наявність у розчині: натрій хлориду – HNO₃, AgNO₃, KOH? Складіть рівняння в молекулярному і йонному вигляді.

97. Напишіть молекулярні та повні йонні рівняння для здійснення таких перетворень:
а) CO₃^2– → CaCO₃ → Ca²⁺; б) Zn²⁺ → Zn(OH)₂ → Zn²⁺.

98. Складіть формули електролітів, скориставшись таким переліком йонів: SO₄^2–, Na⁺, S^2–, Zn²⁺, OH^–.

99. Які із вказаних пар йонів можуть одночасно знаходитися в розчині: Al³⁺ і PO₄^3–, Al³⁺ і OH^–, K⁺ і OH^–, Ag⁺ і S^2–? Відповідь поясніть.

▲
●

100. Виберіть правильну відповідь:

А) Реакції йонного обміну – це реакції між:
а) атомами; б) йонами; в) молекулами.

Б) Реакції йонного обміну йдуть до кінця, якщо утвориться:
а) розчин; б) газ; в) нерозчинна речовина.

В) Нерозчинний AgCl виділяється у вигляді осаду такого кольору:
а) чорного; б) білого; в) жовтого.

101. Складіть формули електролітів, скориставшись таким переліком йонів: NO₃^–, Mg²⁺, Cl^–, Ba²⁺, CO₃^2–.

102. Вкажіть рівняння реакцій обміну:
4HNO₃ = 3NO₂ + 2H₂O + O₂;
BaO + H₂O = Ba(OH)₂;
H₂SO₄ + Ba(NO₃)₂ = BaSO₄ + 2HNO₃;
AgNO₃ + HCl = AgCl + HNO₃.
Які із них ідуть до кінця? Чому?

●●

103. У результаті дисоціації алюміній нітрату утворюються йони: Al³⁺, SO₄^2–, H⁺, NO₃^–. Виберіть правильну відповідь.

104. Які із вказаних пар йонів можуть одночасно знаходитися в розчині: Zn²⁺ і S^2–, K⁺ і S^2–, Na⁺ і Cl^–, 2H⁺ і SO₄^2–?

●●●

105. При взаємодії розчинів яких солей утворюється осад? Підтвердіть рівняннями реакцій: аргентум нітрат і калій фосфат; купрум сульфат і натрій гідроксид; барій хлорид і сульфатна кислота.

106. При взаємодії розчинів яких речовин одним із продуктів реакції є вода: Ca(OH)₂ і HNO₃, MgCl₂ і KNO₃, HCl і Ba(OH)₂, NaOH і H₃PO₄? Підтвердіть рівняннями реакції.

107. При взаємодії яких речовин виділиться газ: K₂CO₃ і HCl, Na₂SO₄ і HNO₃, Zn і H₂SO₄, Na₂SO₃ і HCl? Підтвердіть рівняннями реакції.

108. Напишіть рівняння реакцій в йонно-молекулярній формі між речовинами:
Na₂CO₃ і HNO₃;
Ca(OH)₂ і HCl;
FeCl₃ і KOH;
FeO + H₂SO₄.

109. Складіть молекулярні та йонні рівняння добування осадів: CaCO₃, Cu(OH)₂, Ag₃PO₄.

110. За допомогою яких реактивів можна довести якісний склад таких речовин:
а) Na₂SO₃, NaCl, Na₃PO₄;
б) HCl, NaOH, Na₂S?

111. Є розчини речовин: хлоридна кислота, цинк гідроксид, натрій гідроксид, натрій сульфід. Між якими з цих речовин можливі хімічні реакції? Запишіть рівняння цих реакцій в молекулярному і йонному вигляді.

112. Є розчини речовин: натрій гідроксид, алюміній хлорид, нітратна кислота та речовини: сульфур (IV) оксид, карбон (IV) оксид. Між якими з цих речовин можливі хімічні реакції? Запишіть рівняння реакцій в молекулярному та йонному вигляді.

●●●●

113. Напишіть молекулярне, скорочене та повне йонне рівняння реакцій, що відповідають схемам:
Cu²⁺ + S^2– → ?
? + SO₃^2– → SO₂ + H₂O
H⁺ + ? → H₂S
H⁺ + ? → H₂O + CO₂
FeO + ? → Fe^2– + H₂O
CaCO₃ + ? → CO₂ + Ca²⁺ + ?
HCO₃^– + ? → H₂O + CO₂
MgO + ? → H₂O + Mg²⁺.

114. Складіть молекулярні рівняння реакцій між речовинами, які у водних розчинах взаємодіють за такою схемою:
2H⁺ + SO₃^2– → H₂O + SO₂
H⁺ + OH^– → H₂O
Al³⁺ + 3OH^– → Al(OH)₃
Fe²⁺ + 2OH^– → Fe(OH)₂.

115. Якими із зазначених реактивів слід скористатися, щоб визначити наявність у розчині: калій сульфату – BaCl₂, ZnCl₂, NaNO₃. Складіть рівняння в молекулярному і йонному вигляді.

116. Вкажіть, який йон: Ba²⁺, H⁺, SO₄^2–, OH^– є спільним для розпізнавання наступних речовин: Al(OH)₃, CuCl₂, ZnO, H₂SiO₃. Відповідь підтвердіть рівняннями реакцій.

117. Напишіть молекулярні рівняння реакцій між речовинами, які у водних розчинах взаємодіють за такими схемами:
H⁺ + OH^– → H₂O
Ag⁺ + Cl^– → AgCl↓
2H⁺ + S^2– → H₂S
Ba²⁺ + S → BaSO₄↓
3Ag⁺ + P → Ag₃PO₄↓
Al³⁺ + 3OH^– → Al(OH)₃↓
Pb²⁺ + S^2– → PbS↓
Ca²⁺ + C → CaCO₃↓

118. Напишіть молекулярні та повні йонні рівняння для здійснення таких перетворень:
а) C → CaCO₃ → Ca²⁺ → CaSO₄;
б) Al³⁺ → Al(OH)₃ → AlOH²⁺ → Al³⁺.

119. У стічних водах акумуляторного цеху містяться шкідливі для пиття організмів йони плюмбуму, купруму і феруму. Запропонуйте метод очищення цієї води від вказаних йонів.

Практична робота 2. Реакції йонного обміну в розчинах електролітів

Для роботи необхідні:
реактиви: розчини CuSO₄, FeCI₂, AI₂(SO₄)₃, NaOH, BaCI₂, Na₂CO₃, Na₂SO₃, HCI і фенолфталеїн.
обладнання: штатив з пробірками, бюретка, газовідвідна трубка.

Порядок виконання роботи:

Дослід 1. Реакції обміну, в результаті яких утворюється осад:

Рис. 32. Реакція йонного обміну з утворенням осаду: а) ZnCO₃; б) Fe(OH)₂; в) BaSO₄ .

В одну пробірку влийте 1-2 мл розчину цинк нітрату, в другу – стільки ж розчину ферум (II) хлориду, а в третю – алюміній сульфату. В першу пробірку добавте трішки розчину калій карбонату, в другу – розчину натрій гідроксиду, а в третю – розчину барій хлориду.
Складіть рівняння реакцій в молекулярній, повній і скороченій йонній формах. Поясніть, чому утворилися осади?

Дослід 2. Реакції обміну, в результаті яких виділяється газ:

Рис. 33. Реакція йонного обміну з утворенням газу: а) CO₂; б) SO₂.

В одну пробірку налийте 2 мл розчину калій карбонату, а в другу – такий самий об’єм розчину калій сульфіту. В обидві пробірки долийте однакові об’єми розчину хлоридної кислоти. Що спостерігається? Чому? Зверніть увагу на запах газів. Що виділяється? Пригадайте правило щодо виявлення запаху невідомого газу. Складіть рівняння реакцій в молекулярній, повній і скороченій йонній формах.

Дослід 3. Реакції обміну, в результаті яких утворюється малодисоційована речовина.
У пробірку налийте 1 мл розчину калій гідроксиду і добавте 1–2 краплі фенолфталеїну. Що спостерігається? Чому? Доливайте краплями розчину сульфатної кислоти до знебарвлення рідини. Чому відбувається знебарвлення? Складіть рівняння реакцій в молекулярній, повній і скороченій йонній формах.

Практична робота 3. Розв’язування експериментальних задач з теми «Електролітична дисоціація»

Для роботи необхідні:
реактиви: Na₂S, HCI, H₂SO₄, Na₂SO₃, BaCI₂, CuSO₄, NaOH, K₂CO₃, AgNO₃, Fe, Zn, CaO, H₂O і фенолфталеїн.
обладнання й хімічний посуд: пробірки, спиртівка, сірники.

Дослід 1. Добудьте реакцією обміну за допомогою наявних на столі реактивів такі речовини:
а) H₂S, BaSO₄; б) H₂SO₃, Cu(OH)₂; в) H₂CO₃, AgCl.
Складіть рівняння реакцій в молекулярній, повній і скороченій йонній формах, поясніть їх.

Дослід 2. Проведіть реакції між такими речовинами:
а) розчином купрум (II) сульфату та залізом;
б) розчином сульфатної кислоти та цинком;
в) розчином купрум (II) сульфату та цинком.
Складіть рівняння реакцій в молекулярній, повній і скороченій йонній формах, покажіть перехід електронів та зазначте окисник і відновник.

Дослід 3. Здійсніть реакції за такими схемами:
Ba²⁺ +SO₄^2– → BaSO₄;
2H⁺ + CO₃^2– → H₂O + CO₂;
2H⁺ +OH^–→ H₂O.
Складіть рівняння реакцій в молекулярній, повній і скороченій йонній формах. Зазначте реакції кожної з них.

Дослід 4. Практично здійсніть такі перетворення:
CaO → Ca(OH)₂ → CaCl₂ → CaCO₃;
CuO → CuCl₂ → Cu(OH)₂.
Складіть рівняння реакцій в молекулярній, повній і скороченій йонній формах, зазначте ознаки й умови кожної з них.