Ионно-обменные реакции в растворах

Если смешать разбавленные растворы двух электролитов АВ и СД, то раствор будет содержать все четыре возможных иона А и В, С и Д. При химическом взаимодействии растворов реакция протекает не между молекулами, а между ионами. При столкновении их образуются новые вещества:

АВ + СД = АД + СВ,

что можно выразить ионным уравнением

А⁺ + В ^– + С⁺ + Д ^– = А⁺ + Д ^– + В ^– + С⁺

В итоге установится равновесное состояние. Положение равновесия в подобной системе зависит от свойств образующихся веществ. Главную роль при этом играет вероятность возникновения того или иного из них, определяемая числом столкновений между соответствующими ионами.

Все ионные реакции могут быть обратимыми. Необратимыми они окажутся лишь в случае, если их продукты уходят из сферы реакции. Для равновесия ионных реакций можно сформулировать следующее положение: равновесие ионных реакций смещается в сторону образования менее диссоциированных веществ либо при удалении какого-либо вещества из «сферы реакции».

Уменьшение концентрации ионов может произойти в результате:

а) образования малорастворимого вещества:

AgNO₃ + NaCl = AgCl↓ + NaNO₃ (молекулярное уравнение)

Ag⁺ + NO₃ ^– + Na⁺ + Cl ^– = AgCl↓ + Na⁺ + NO₃ ^– (полное ионное уравнение).

Исключив ионы, не взаимодействующие между собой, получаем сокращенное ионное уравнение

Ag⁺ + Cl ^– = AgCl↓;

б) образования газообразного вещества, уходящего из раствора:

CO₂↑

Na₂CO₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + H₂CO₃

H₂O

2Na⁺ + CO₃^{2 –} + 2H⁺ + SO₄^{2 –} = 2Na⁺ + SO₄^{2 –} + H₂O + CO₂↑

CO₃^{2 –} + 2H⁺ = H₂O + CO₂↑

в) образования растворимого, но малодиссоциированного вещества, например, воды, слабой кислоты или слабого основания:

NaOH + HCl = NaCl + H₂O

Na⁺ + OH ^– + H⁺ + Cl ^– = Na⁺ + Cl ^– + H₂O

OH ^– + H⁺ = H₂O

CH₃COONa + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + CH₃COOH

CH₃COO ^– + Na⁺ = 2Na⁺ + SO₄^{2 –} + CH₃COOH

CH₃COO ^– + H⁺ = CH₃COOH;

г) образования из нескольких простых ионов сложного комплексного иона:

HgI₂ + 2KI = K₂[HgI₄]

Hg²⁺ + 2I ^– + 2K⁺ + 2I ^– = 2K⁺ + [HgI₄]^{2 –}

Hg²⁺ + 4I ^– = [HgI₄]^{2 –}

Произведение растворимости

Абсолютно нерастворимых веществ нет. Твердые вещества отличаются своей растворимостью. Очевидно, что труднорастворимый электролит легко образует насыщенный раствор. Рассмотрим равновесия, наблюдаемые в насыщенном растворе какого-нибудь труднорастворимого вещества, например, CaSO₄. В этой системе осадок находится в равновесии с насыщенным раствором этого вещества:

СaSO₄ Ca²⁺ + SO₄^2–

осадок раствор

Константа равновесия для процесса растворения осадка имеет следующий вид:

откуда K∙[CaSO₄]_тв = [Ca²⁺]∙[SO₄^2-].

Концентрация твердого вещества есть величина постоянная:

[CaSO₄]_тв = const.

Учитывая это, K∙[CaSO₄]_тв как произведение двух постоянных величин также можно считать величиной постоянной, некоторой константой, характерной для данного вещества. Эту константу называют произведением растворимости. Её обозначают через ПР:

.

Для насыщенного раствора сульфата кальция произведение растворимости при 25^оС найдено равным 3,72∙10^-5 г-ион²/л².

Таким образом, ПР – это произведение концентраций ионов малорастворимого сильного электролита, содержащихся в свободном виде в его насыщенном растворе. Величина ПР означает, что в насыщенном растворе труднорастворимого электролита произведение концентраций его ионов есть величина постоянная (при данной температуре).

Произведение растворимости характеризует растворимость электролитов. Растворимость численно равна (для бинарных электролитов).

В общем случае для труднорастворимого электролита состава A_nB_m в растворе наблюдается равновесие:

A_nB_m = nA^a++ mB^b–.

Тогда

ПР = [A^a+]ⁿ [В^b–]^m

Сравнивая значения произведений растворимости труднорастворимых солей, можно видеть, какая из них растворяется лучше (приложение, табл. 3).

Из величины ПР вытекает условие образования и растворения осадка:

1. Если [A^a+]ⁿ [В^b–]^m = ПР, то осадок находится в равновесии с раствором.

2. Если [A^a+]ⁿ [В^b–]^m > ПР, то осадок выпадает.

3. Если [A^a+]ⁿ [В^b–]^m < ПР, то осадок растворяется.

Таким образом, если при той или иной химической реакции произведение концентраций участвующих в ней ионов станет больше произведения растворимости, то выпадает осадок труднорастворимого вещества. И обратно, если произведение концентраций ионов данного электролита в насыщенном его растворе в результате той или иной реакции становится меньше произведения растворимости для ионов этого электролита, то осадок переходит в раствор.