Равновесия в реакциях ионного обмена

Обязательным условием течения реакций между электролитами является удаление из раствора тех или иных ионов вследствие образования слабодиссоциирующих веществ, или веществ, выделяющихся из раствора в виде осадка или газа.

Если исходные вещества в реакции ионного обмена являются хорошо растворимыми сильными электролитами, то равновесие таких реакций практически полностью смещено в сторону образования малорастворимых, малодиссоциированных или газообразных продуктов. Поэтому такие реакции можно считать практически необратимыми:

FeCl₂ + 2 NaOH ® Fe(OH)₂¯ + 2 NaCl или Fe²⁺ + 2 OH^– ® Fe(OH)₂¯;

HCl + NaOH ® NaCl + H₂O или H⁺ + OH^– ® H₂O;

Na₂CO₃ + 2 HCl ® 2 NaCl + H₂O + CO₂­ или CO₃^2– + 2 H⁺ ® H₂O + CO₂­.

Если же среди исходных веществ, участвующих в обменной реакции, есть слабый электролит или малорастворимое вещество, то такая реакция может быть обратимой.

Например, в реакции взаимодействия уксусной кислоты с сульфидом нат­рия 2 CH₃COOH + Na₂S ⇆ 2 CH₃COONa + H₂S

в растворе сосуществуют два слабых электролита – уксусная кислота и сероводородная кислота: 2 CH₃COOH + S^2– ⇆ 2 CH₃COO^– + H₂S .

Ионы водорода могут в данной реакции связаться сульфид-ионами в молекулы сероводородной кислоты или ацетат-ионами в молекулы уксусной кислоты. Ионы CH₃COO^– и S^2– конкурируют друг с другом в связывании ионов водорода.

Поэтому в данном случае реакция протекает обратимо. Равновесие этой реакции сильно смещено вправо, поскольку сероводородная кислота – более слабый электролит (K₁ H₂S = 6·10^–8, K₂ H₂S = 1·10^–14), чем уксусная кислота (KCH₃COOH = =1,8·10^–5), и связывание ионов H⁺ в молекулы сероводородной кислоты происходит полнее, чем в молекулы уксусной кислоты.

Обратимыми также являются реакции, в ходе которых малорастворимое вещество превращается в растворимый, но слабодиссоциирующий продукт. Примером такой реакции является взаимодействие сульфида цинка с соляной кислотой ZnS _{(твёрдый)} + 2 HCl ⇆ ZnCl₂ + H₂S _{(раствор)} .

С одной стороны, при образовании слабого электролита H₂S связываются ионы S^2–, что способствует протеканию реакции ZnS + 2 H⁺ ⇆ Zn²⁺ + H₂S

вправо. С другой стороны, присутствие среди исходных веществ малорастворимого электролита ZnS, при образовании которого также связываются ионы S^2– обусловливает протекание этой реакции влево. Таким образом, конкуренция ионов H⁺ и Zn²⁺ за сульфид-ионы приводит к установлению равновесия.

Направление рассматриваемой реакции зависит от того, какое из двух веществ H₂S или ZnS прочнее связывает ионы S^2–. Общая константа диссоциации сероводорода K = K₁·K₂ = 6·10^–22 превышает произведение растворимости ZnS (ПР = 1,6·10^–24). Следовательно, сульфид-ионы несколько сильнее связываются ионами цинка, чем ионами водорода, и равновесие данной реакции слегка смещено влево.

В реакции AgCl _{(твёрдый)} + NaI ⇆ AgI _{(твёрдый)} + NaCl равновесие устанавливается вследствие конкуренции хлорид- и иодид-ионов за ионы Ag⁺.

ПР(AgI) =10^–16 < ПР(AgCl) =2·10^–10, следовательно, иодид серебра является менее растворимым веществом, чем хлорид серебра, и более полное связывание ионов серебра происходит в результате образования иодида серебра. Поэтому равновесие рассматриваемой реакции смещено вправо.

Приведённые примеры иллюстрируют общее правило: равновесие реакции ионного обмена смещено в сторону образования менее растворимого или менее диссоциированного вещества.

Л Е К Ц И Я 8

ГИДРОЛИЗ СОЛЕЙ