Ионно – молекулярные (ионные) реакции обмена

Для решения задач этого раздела рекомендуем воспользоваться литературой 4, 6, 8, 14 и таблицей 7.

Электролиты – вещества, которые в растворенном или расплавленном состоянии проводят электрический ток. При растворении в воде или других полярных растворителях электролиты подвергаются электролитической диссоциации, т.е. в большей или меньшей степени распадаются на положительно и отрицательно заряженные ионы – катионы и анионы.

Уравнения диссоциации обычно записываются следующим образом:

НСl = Н⁺ + С1^- КОН = К⁺ + ОН^-

К₃РО₄ = 3К⁺ + РО₄^3-

Нужно иметь ввиду, что эти уравнения только приблизительно отображают подлинный процесс диссоциации, поскольку не показано участие молекул растворителя, без которого сама диссоциация невозможна.

Электролиты практически полностью диссоциирующие на ионы называются сильными электролитами. К ним относятся большинство неорганических солей, гидроксиды щелочных металлов, растворимые гидроксиды щелочноземельных металлов, некоторые минеральные кислоты, например, H₂SO₄, HNO₃, HCl, HI, HBr.

Электролиты, диссоциирующие в растворах не полностью, называются слабыми электролитами. К ним относятся почти все органические кислоты, некоторые минеральные кислоты, например,H₂CO₃, H₂S, HNO₂, H₂SO₃, HCN, многие основания металлов, а также NH₄OH.

В растворах слабых электролитов устанавливается равновесие между недиссоциированными молекулами и продуктами их диссоциации – ионами. В этом случае можно применить законы химического равновесия и записать выражение константы равновесия. Например, в водном растворе уксусной кислоты устанавливается равновесие:

⇄

которое характеризуется константой равновесия (константа диссоциации):

.

Величина зависит от природы электролита и растворителя, от температуры, но не зависит от концентрации раствора. Она характеризует способность данного электролита распадаться на ионы: чем выше , тем легче электролит диссоциирует.

В табл. 1 приведены значения констант диссоциации некоторых слабых электролитов.

Количественно процесс электролитической диссоциации выражают с помощью степени диссоциации, т.е. доли молекул, распавшихся на ионы. Её представляют в процентах или в долях единицы:

,

где n – число молекул, распавшихся на ионы, n₀ – общее число растворенных молекул.

Ионно-молекулярные, или просто ионные, уравнения реакций обмена отражают состояние электролита в растворе. В этих уравнениях сильные растворимые электролиты, поскольку они полностью диссоциированы, записывают в виде ионов, а слабые электролиты, малорастворимые и газообразные вещества записывают в молекулярной форме.

В ионно-молекулярном уравнении одинаковые ионы из обеих его частей исключаются. При составлении ионно-молекулярных уравнений следует помнить, что сумма электрических зарядов в левой части уравнения должна быть равна сумме электрических зарядов в правой части уравнения.

Пример 1. Написать ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия между водными растворами следующих веществ: а)HCl и NaOH; б) Pb(NO₃)₂ и Na₂S; в) NaClO и HNO₃; г) K₂CO₃ и H₂SO₄; д) CH₃COOH и NaOH.

Решение: запишем уравнения взаимодействия указанных веществ в молекулярном виде:

а) HCl + NaOH = NaCl + H₂O

б) Pb(NO₃)₂ + Na₂S = PbS + 2NaNO₃

в) NaClO + HNO₃ = NaNO₃ + HClO

г) K₂CO₃ + H₂SO₄ = K₂SO₄ + CO₂ + H₂O

д) CH₃COOH + NaOH ⇄ CH₃COONa + H₂O

Отметим, что взаимодействие этих веществ возможно, ибо в результате происходит связывание ионов с образованием слабых электролитов (H₂O, HClO), осадка (PbS), газа (CO₂).

В реакции (д) имеются два слабых электролита - CH₃COOH и H₂O, но так как реакции идут в сторону большего связывания ионов и вода – более слабый электролит, чем уксусная кислота, то равновесие реакции смещено в сторону образования воды. Исключив одинаковые ионы из обеих частей равенства: а) Na⁺ и Cl ; б) Na⁺ и NO ; в) Na⁺ и NO ; г) K⁺ и SO ; д) Na⁺, получим ионно-молекулярные уравнения реакций, которым соответствуют следующие ионно-молекулярные реакции:

а) H⁺ + OH = H₂O

б) Pb²⁺ + S = PbS

в) ClO + H⁺ = HClO

г) CO +2H⁺ = CO₂ + H₂O

д) CH₃COOH + OH = CH₃COO + H₂O

Пример 2.Составьте молекулярные уравнения реакций, которым соответствуют следующие ионно-молекулярные уравнения:

а) SO + 2H⁺ = SO₂ + Н₂О

б) Pb²⁺ + CrO = PbCrO₄

в) HCO + OH = CO + H₂O

г) ZnOH⁺ + H⁺ = Zn + H₂O

Решение: В левой части данных ионно-молекулярных уравнений указаны свободные ионы, которые образуются при диссоциации растворимых сильных электролитов, следовательно, при составлении молекулярных уравнений следует исходить из соответствующих растворимых сильных электролитов. Например:

а) Na₂SO₃ + 2HCl = 2NaCl + SO₂ + H₂O

б) Pb(NO₃)₂ + K₂CrO₄ = PbCrO₄ + 2KNO₃

в) KHCO₃ + KOH = K₂CO₃ + H₂O

г) ZnOHCl + HCl = ZnCl₂ + H₂O

Контрольные вопросы:

141.Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия в растворах между: а) хлоридом бария и сульфатом алюминия; б) фосфорной кислотой и нитратом кальция; в) ацетатом калия и серной кислотой.
142. Какое из веществ: KCl, FeSO4, Zn(OH)2, NaHCO3 - взаимодействует с раствором гидроксида натрия? Запишите молекулярные и ионно-молекулярные уравнения этих реакций.
143. Составьте по три молекулярных уравнения реакций, которые выражаются ионно-молекулярными уравнениями: а) Zn2+ + H2S = ZnS + 2H+ б) Н+ + ОН- = Н2 О в) CO +2H+ = CO2 + H2O
144. Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия в растворах между: а) FeCl3 и КОН; б) MnSO4 и (NH4)2S; в) CaСО3 и НCl.
145.Составьте молекулярные уравнения реакций, которые выражаются ионно-молекулярными уравнениями: а) Pb2+ + H2S = PbS + 2H+ б) Н б) СО + 2Н+ = H2 O + CO2 в) Ba2+ + SO = BaSO4
146.Составьте молекулярные уравнения реакций, которые выражаются ионно-молекулярными уравнениями: а) СаСО3 + 2Н+ = Са2+ + Н2О + СО2 б) Zn(ОН)2 + 2ОН- = ZnО + 2Н2О в) Ag+ + Cl- = AgCl
147.Составьте молекулярные уравнения реакций, которые выражаются ионно-молекулярными уравнениями: а) Cu(ОН)2 + 2Н+ = Cu2+ + 2Н2О б) Fe2+ + 2ОН- = Fe(ОН)2 в) Н+ + OH- = Н2O
148.Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия в растворах между: а) Sn(ОН)2 и NaOH; б) Fe(ОН)2 и Н2SO4; в) CuOHCl и HCl.
149. Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия в растворах между: а) K2CO3 и НNO3; б) Zn(ОН)2 и NaOH; в) Ва(ОН)2 и NiСl2.
150. Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия в растворах между: а) Na2CO3 и MnSO4; б) К3PO4 и Al2(SO4)3; в) Pb(OH)2 и NaОН.
151. Составьте молекулярные уравнения реакций взаимодействия в растворах между а) FeSO4 и Н2S; б) (NH4)2СО3 и НNO3; в) СrCl3 и NaOH.
152. Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия в растворах между а) Zn(OH)2 и НСl; б) МgSO4 и КОН; в) NH4 Сl и NaОН.
153.Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия в растворах между: а) АgNO3 и К3PО4; б) Рb(NO3)2 и КСl; в) СuSO4 и Na2S.
154. Составьте по три молекулярных уравнения реакций, которые выражаются ионно-молекулярными уравнениями: а) Fe2+ + S2- FeS б) SiO32- + 2Н+ Н2SiO3
155.Какое из веществ: NaНСО3, СН3СООН, MnSO4, К2S - взаимодействует с раствором серной кислоты? Запишите молекулярные и ионно-молекулярные уравнения этих реакций.
156. Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия в растворах между: а) NaНСО3 и НNO3; б) Аl(ОН)3 и NaOH; в) ВаСl2 и AgNO3.
157.Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия в растворах между: а) H3PO4 и Ва(ОН)2; б) CrCl3 и NH4OH; в) Na2SiO3 и НСl.
158.Какое из веществ: Zn(OH)2, НСl, Fe(OH)2 - будет взаимодействовать с гидроксидом калия? Выразите эти реакции молекулярными и ионно-молекулярными уравнениями.
159.Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия в растворах между: а) хлоридом бария и сульфатом алюминия; б) фосфорной кислотой и нитратом кальция; в) ацетатом калия и серной кислотой.
160. Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия в растворах между: а) сульфидом натрия и соляной кислотой; б) сульфатом железа (II) и сульфидом калия; в) иодидом натрия и нитратом свинца.

Гидролиз солей

Для решения задач этого раздела рекомендуем воспользоваться литературой 4, 6, 8, 14 и таблицами 4,5.

Вода является очень слабым электролитом, степень ее диссоциации равна . Полярные молекулы воды в очень небольшой степени диссоциируют на ионы:

Н₂О = Н⁺ + ОН^- ,

или с учетом гидратации:

2Н₂О = Н₃О⁺ + ОН^-

На основании законов химического равновесия получим выражение константы диссоциации воды:

,

отсюда

По данным измерения электропроводности при температуре 18 ⁰С , а молярная концентрация чистой воды . Получаем значение Это произведение называется ионным произведением воды.

Если , то концентрация каждого из ионов воды равна =10^-7 моль/л. Ионы водорода являются носителем кислотных свойств, а гидроксид-ионы – щелочных, следовательно, при равенстве их концентраций реакция среды раствора является нейтральной.

При моль/л реакция среды будет кислой, а при - щелочной. Таким образом, концентрация ионов водорода является мерой его кислотности или щелочности.

Более удобен способ выражения реакции среды с помощью отрицательного десятичного логарифма концентрации водородных ионов, именуемого водородным показателем рН:

В нейтральной среде рН =7; в кислой – рН < 7; в щелочной – рН > 7.

Растворениеразличных веществ в воде часто сопровождается химическим взаимодействием обменного характера. Процессы подобного типа объединяют под общим названием гидролиза. Гидролиз – это химический процесс обменного разложения вещества с водой.Гидролиз солей – частный случай взаимодействия растворенных солей с водой, где их составные части соединяются с составными частями воды с образованием соответствующего слабого электролита.

Реакцию гидролиза соли можно представить общим уравнением:

МА + НОН ⇄ МОН + НА,

Соль вода основание кислота

где М – металл, А – остаток кислоты (анион).

Соли, образованные сильными кислотами и сильными основаниями (например, NaCl, KNO₃ и др.), гидролизу не подвергаются. Гидролиз характерен для солей, образованных: 1) слабой кислотой и сильным основанием, 2) сильной кислотой и слабым основанием, 3) слабой кислотой и слабым основанием. Приведем примеры.

Пример 1. Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза солей: а) KCN; б) Na₂CO₃; в) ZnSO₄. Определите реакцию среды растворов этих солей.

Решение. а) Цианид калия KCN – соль слабой одноосновной кислоты HCN и сильного основания KOH. При растворении в воде молекулы KCN полностью диссоциируют на катионы K⁺ и анионы CN . Катионы K⁺ не будут связывать ионы OH воды, так как KOH – сильный электролит, анионы же CN связывают ионы H⁺ воды, образуя молекулы слабого электролита HCN. Соль гидролизуется, как говорят, по аниону. Ионно-молекулярное уравнение гидролиза

CN + H₂O ⇄ HCN + OH

или в молекулярной форме

KCN + H₂O ⇄ HCN + KOH

В результате гидролиза в растворе появляется некоторый избыток ионов OH , поэтому раствор KCN имеет щелочную реакцию (pH>7).

б) Карбонат натрия Na₂CO₃ – соль слабой многоосновной кислоты H₂CO₃ и сильного основания NaOH. В этом случае анионы соли CO , связывая водородные ионы воды, образуют анионы кислой соли HCO , а не молекулы H₂CO₃. В обычных условиях гидролиз идет по первой ступени. Соль гидролизуется по аниону. Ионно-молекулярное уравнение гидролиза

CO + H₂O ⇄ HCO + OH

или в молекулярной форме

Na₂CO₃ + H₂O ⇄ NaHCO₃ + NaOH

В растворе появляется избыток ионов OH , поэтому раствор Na₂CO₃ имеет щелочную реакцию (pH>7).

в) Сульфат цинка ZnSO₄ – соль слабого многокислотного основания Zn(OH)₂ и сильной кислоты H₂SO₄. В этом случае катионы Zn²⁺ связывают гидроксильные ионы воды, образуя катионы основной соли ZnOH⁺. Образование молекул Zn(OH)₂ не происходит, так как ионы ZnOH⁺ диссоциируют гораздо труднее, чем молекулы Zn(OH)₂. В обычных условиях гидролиз идет по первой ступени. Соль гидролизуется по катиону. Ионно-молекулярное уравнение гидролиза

Zn²⁺ + H₂O ⇄ ZnOH⁺ + H⁺

или в молекулярной форме

2ZnSO₄ + 2H₂O ⇄ (ZnOH)₂SO₄ + H₂SO₄

В растворе появляется избыток ионов водорода, поэтому раствор ZnSO₄ имеет кислую реакцию (pH< 7).

Пример 2. Какие продукты образуются при смешивании растворов Al(NO₃)₃ и K₂CO₃? Составьте ионно-молекулярное и молекулярное уравнение реакции.

Решение. Соль Al(NO₃)₃ гидролизуется по катиону, а K₂CO₃ – по аниону:

Al³⁺ + H₂O ⇄ AlOH²⁺ + H⁺

CO + H₂O ⇄ HCO + OH

Если растворы этих солей находятся в одном сосуде, то идет взаимное усиление гидролиза каждой из них, ибо ионы H⁺ и OH образуют молекулу слабого электролита H₂O. При этом гидролитическое равновесие сдвигается вправо и гидролиз каждой из взятых солей идет до конца с образованием Al(OH)₃ и CO₂ (H₂CO₃). Ионно-молекулярное уравнение:

2 Al³⁺ + 3 CO + 3H₂O = 2Al(OH)₃ + 3CO₂

молекулярное уравнение:

2 Al(NO₃)₃ + 3K₂CO₃ +3H₂O = 2Al(OH)₃ + 3CO₂ + 6KNO₃

Контрольные вопросы:

161.Составьте ионно-молекулярное и молекулярное уравнения гидролиза соли, раствор которой имеет: а) щелочную реакцию; б) кислую реакцию.
162.Kакое значение рН(>7<) имеют растворы следующих солей: Na3РО4, Cu(NO3)2, MnSO4? Cоставьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза этих солей.
163.Какие из солей Na2SiO3, CdCl2, NaNO3, CoCl2 подвергаются гидролизу? Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей. Какое значение рН(>7<) имеют растворы этих солей?
164. При смешивании растворов FeCl3 и K2CO3 каждая из взятых солей гидролизуется необратимо до конца с образованием соответствующих основания и кислоты. Выразите этот совместный гидролиз ионно-молекулярным и молекулярным уравнениями.
165. Какая из двух солей при равных условиях в большей степени подвергается гидролизу: Na2SO3 или Na2S, CdCl2 или ZnCl2? Почему? Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза этих солей.
166. Какое значение рН(>7<) имеют растворы солей NaNO2, CuCl2, MnSO4? Cоставьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза этих солей.
167. Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза солей Cu(NO3)2, Na2S, SnSO4 . Какое значение рН(>7<) имеют растворы этих солей?
168. Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза солей СН3СООNa, K3PO4, Fe(NO3)3. Какое значение рН(>7<) имеют растворы этих солей?
169. При смешивании растворов Cr2(SO4)3 и Na2СО3 каждая из взятых солей гидролизуется необратимо до конца с образованием соответствующих основания и кислоты. Составьте ионно-молекулярное и молекулярное уравнения происходящего совместного гидролиза.
170. Подберите по два уравнения в молекулярном виде к каждому из молекулярно-ионных уравнений: Fe3+ + 2H2O ⇄ [(Fe(OH)2]+ +2H+ CO + H2O ⇄ HCO + OH-
171. Какие из солей LiCl, Сr(NO3)3, Na2CO3, NiSO4 подвергаются гидролизу? Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей. Какое значение рН(>7<) имеют растворы этих солей?
172. К раствору AlCl3 добавили следующие вещества: а) НNO3; б) NaОН; в) Na2SiO3; г) Pb(NO3)2. В каких случаях гидролиз сульфата алюминия усилится? Почему? Составьте ионно-молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей.
173. Какая из двух солей при равных условиях в большей степени подвергается гидролизу: Na2CO3 или Na3PO4; FeСl3 или AlCl3? Поче­му? Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза этих солей.
174. Какое значение рН(>7<) имеют растворы солей K2SO3, Pb(NO3)2, СuCl2? Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза этих солей.
175.Подберите по два уравнения в молекулярном виде к каждому из молекулярно-ионных уравнений: Al3+ + H2O ⇄ (AlOH)2+ + H+ S2- + H2O ⇄ HS- + OH-
176. К раствору Na2S добавили следующие вещества: а) Н2SO4; б) KOH; в) Zn(NO3)2; г) К2CO3. В каких случаях гидролиз сульфида натрия усилится? Почему? Составьте ионно-молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей.
177. Cоставьте ионно-молекулярное и молекулярное уравнения совместного гидролиза, происходящего при смешивании растворов Na2S и ZnСl2. Каждая из взятых солей гидролизуется необратимо до конца с образованием соответствующих основания и кислоты.
178. К раствору NiSO4 добавили следующие вещества: а) НNO3; б) NaОН; в) FeCl2; г) Na2S. В каких случаях гидролиз cульфата никеля усилится? Почему? Составьте ионно-молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей.
179. Какие из солей NiCl2, Na2CO3, ZnSO4, КСl подвергаются гидролизу? Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей. Какое значение рН (>7<) имеют растворы этих солей?
180. При смешивании растворов CrCl3 и K2SiO3 каждая из взятых солей гидролизуется необратимо до конца с образованием соответствующих основания и кислоты. Выразите этот совместный гидролиз ионно-молекулярным и молекулярным уравнениями.

Задания к контрольной работе №2