Получение заданного вещества реакцией обмена

Очевидно, что, выбирая реакцию для превращения исходного вещества в другие, а также для получения заданного вещества, желательно, чтобы выход продукта был как можно большим. Тогда из нескольких возможных вариантов предпочтительнее те, в которых реакции практически необратимы (примеры таких реакций рассмотрены ранее).

Если заданный продукт – малорастворимое вещество или слабый электролит, тоего образованиеотвечает условиям, необходимым для обменных реакций. При этом дополнительным условием может быть как можно больший выход продукта и возможность несложного отделения его от других веществ, образовавшихся в результате реакции.

Примеры

а) предложить варианты получения PbCO₃

Решение: заданный продукт – малорастворимая соль, поэтому обменная реакция может протекать за счет ее образования. Для получения PbCO₃ необходимо иметь электролит, содержащий катионы свинца (II) – это соль или основание, и электролит – источник CO₃^2– – угольную кислоту или ее соль. Для полного протекания реакции необходимо, чтобы исходные электролиты были сильными и хорошо растворимыми. С учетом этого из соединений свинца, например, хлорида, сульфата, нитрата, гидроксида в качестве исходного вещества выберем нитрат, как хорошо растворимую соль. Соответственно источником карбонат-ионов может быть карбонат натрия, калия (растворимые соли).

Уравнение протекающей реакции:

Pb(NO₃)₂ + Na₂CO₃ ® PbCO₃¯ + 2NaNO₃

Очевидно, что проблемы разделения продуктов нет, т. к. один из них выделяется в виде осадка, а второй остается в растворе.

Примечание: карбонаты многих металлов часто оказываются наиболее подходящими в качестве исходных веществ для синтеза других солей тех же металлов. Несмотря на то, что многие карбонаты малорастворимы, реакции обмена с соответствующими кислотами (более сильными, чем угольная) протекают практически необратимо вследствие выделения из раствора CO₂ (см. принцип Ле Шателье). Например, действием азотной, соляной или уксусной кислотой на PbCO₃ легко получить нитрат, хлорид или ацетат свинца.

б) предложить варианты получения Cu(OH)₂

Решение

Заданное вещество – слабое малорастворимое основание, поэтому обменная реакция может протекать за счет его образования. Для получения Cu(OH)₂ необходимо иметь растворимую соль меди и основание – источник OH^–. Реакция образования Cu(OH)₂ будет протекать до конца, если в качестве основания взять щелочь: CuSO₄ + 2KOH ® Cu(OH)₂¯ + K₂SO₄

в) предложить варианты получения Al(OH)₃

Решение: на первый взгляд задача аналогична предыдущей. Однако в данном случае Al(OH)₃ – не только слабое малорастворимое основание, но еще и амфотерное, при избытке щелочи оно может раствориться. В этом случае в качестве основания лучше использовать водный раствор аммиака:

AlCl₃ + 3NH₃∙H₂O ® Al(OH)₃¯ + 3NH₄Cl

Другим вариантом получения Al(OH)₃ может быть реакция необратимого гидролиза:

AlCl₃ + 3Na₂CO₃ + 6H₂O ® 2Al(OH)₃¯ + 3CO₂­ + 6NaCl

Если заданный продукт – сильный хорошо растворимый электролит, тообразование таких продуктов не отвечает условиям, необходимым для обменных реакций. В подобных случаях исходные вещества подбирают такие, чтобы другие продукты отвечали условиям, необходимым для реакции обмена. При этом дополнительные условия могут быть те же, что и рассмотренные выше.

Пример: предложить варианты полученияCu(NO₃)₂.

Заданное вещество – сильный, хорошо растворимый электролит, и сам по себе не может быть причиной реакции обмена. Поэтому исходные электролиты, содержащие ионы Cu²⁺ и NO₃^-, выберем такие, чтобы другой продукт реакции был электролитом слабым или малорастворимым. Например, при наличии CuSO₄, CuCl₂, KNO₃, Pb(NO₃)₂ реакция обмена с KNO₃ не пойдет ни с CuSO₄, ни с CuCl₂, т. к. в обоих случаях все продукты были бы растворимыми. Напротив, с участием Pb(NO₃)₂ реакция возможна и с CuSO₄, и с CuCl₂, т. к. сульфат и хлорид свинца малорастворимы:

CuSO₄ + Pb(NO₃)₂ ® Cu(NO₃)₂ + PbSO₄¯

CuCl₂ + Pb(NO₃)₂ ® Cu(NO₃)₂ + PbCl₂¯

В заключение следует отметить, что в большинстве своем обменные реакции в растворах протекают заметно быстрее, чем окислительно-восстановительные реакции. По этой причине, анализируя возможность химического взаимодействия между заданными веществами, необходимо в первую очередь определить возможность реакции обменного типа. Например, при смешивании раствора сульфита натрия и подкисленного раствора перманганата калия первое, что мы обнаружим, – это запах «жженой серы» – сернистого ангидрида:

Na₂SO₃ + KMnO₄ + H₂SO₄ ® H₂SO₃ + Na₂SO₄ + KMnO₄,

ë_® SO₂­ + H₂O

Только потом наблюдается обесцвечивание раствора вследствие восстановления перманганат-ионов сернистой кислотой и двуокисью серы.