Ионно-молекулярные (ионные) реакции обмена

При решении задач этого раздела см. табл. 9 и прилож. 2.

Ионно-молекулярные, или 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. Напишите ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия между водными растворами следующих веществ:

а) НС1 и NaOH; б) Рb(NO₃)₂ и Na₂S; в) NaCIO и НNО₃; г) К₂СОз и H₂SО₄; д) СНзСООН и NaOH.

Решение. Запишем уравнения взаимодействия указанных веществ в молекулярном виде

а) НС1 + NaOH = NaCI + H₂O;

б) Pb(NО₃)₂ + Na₂S = PbS + 2 NaNО_3;

в) NaCIO + HNО₃ = NaNО₃ +HC1О;

г) К₂СОз + Н₂S0₄ = К₂SО₄ + СО₂ + Н₂О;

д) СН₃СООН + NaOH = CH₃COONa + Н₂О.

Отметим, что взаимодействие этих веществ возможно, ибо в результате происходит связывание ионов с образованием слабых электролитов (Н₂О, HC10), осадка (PbS), газа (СО₂).

В реакции (д) два слабых электролита, 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 Сl^-; б) Na⁺ и NO ; в) Na⁺ и NO 3 ; г) К⁺ и SO ; д) Na⁺,
получим ионно-молекулярные уравнения этих реакций:

а) H⁺ + ОН = Н₂О;

в) Pb²⁺ + S = PbS;

б) С1О + H⁺ = HC1О;

г) СО +2 H⁺ = CО₂+H₂О;

д) СНзСООН + ОН = СНзСОО + Н₂О.

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

а) SO +2 H⁺ = S0₂ + H₂О;

б) Pb²⁺ + CrО = PbCr0₄;

в) НСО + ОН = СО + Н₂О;

г) ZnOH⁺ + H⁺ = Zn²⁺ + H₂O.

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

а) Na₂SО₃ + 2 НС1 = 2 NaCl + SO₂ + Н₂О;

б) Pb(NO₃)₂ + K₂CrO₄ = PbCrO₄ + 2 KNO₃;

в) КНСО₃ + КОН = К₂СО₃ + H₂O;

г) ZnOHCl + НС1 = ZnCl₂ + H₂O.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

161.Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия в растворах между: а) NаНСОз и NaOH;
б) K₂SiO₃ и НС1; в) BaCl₂ и Na₂SO₄.

162.Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия в растворах между: a) K₂S и НС1;
б) FeSО₄ и (NH₄)₂S; в) Сг(ОН)₃ и КОН.

163.Составьте по три молекулярных уравнения реакций, которые выражаются ионно-молекулярными уравнениями:

а) Mg²⁺ + CO = MgCО₃; б) H⁺ + ОН = H₂O.

164.Какие из веществ - А1(ОН)₃; H₂SО₄; Ва(ОН)₂ - взаимодействуют с гидроксидом калия? Выразите эти реакции молекулярными и ионно-молекулярными уравнениями.

165.Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия в растворах между: а) КНСО₃ и H₂SО₄;
б) Zn(OH)₂ и NaOH; в) СаСl₂ и AgNО₃.

166.Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия в растворах между: a) CuSО₄ и H₂S;
б) ВаСО₃ и HNO₃; в) FеС1₃ и КОН.

167.Составьте по три молекулярных уравнения реакций, которые выражаются следующими ионно-молекулярными уравнениями:

а) Си²⁺ + S = CuS;

6) SiO + 2 H⁺ = H₂SiO_3.

168.Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия в растворах между: a) Sn(OH)₂ и НС1;
б) BeSО₄ и КОН; в) NH₄Cl и Ва(ОН)₂.

169.Какие из веществ — КНСО₃, СН₃СООН, NiS0₄, Na₂S — взаимодействуют с раствором серной кислоты? Напишите молекулярные и ионно-молекулярные уравнения этих реакций.

170.Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия в растворах между: а) AgNО₃ и К₂СrO₄;
б) Pb(NО₃)₂ и KI; в) CdSО₄ и Na₂S.

171.Составьте молекулярные уравнения реакций, которые выражаются ионно-молекулярными уравнениями:

а) СаСО₃ + 2 Н⁺ = Са²⁺ + H₂O + CO₂;

б) А1(ОН)₃ + ОН = А1O + 2 Н₂О;

в) РЬ²⁺ + 2 I = PbI₂

172.Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия в растворах между: а) Ве(ОН)₂ и NaOH; б) Си(ОН)_2; и HNО₃; в) ZnOHNО₃ и HNО₃.

173.Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия в растворах между: a) Na₃PО₄ и CaCl₂;
б) К₂СО₃ и ВаСl₂; в) Zn(OH)₂ и КОН.

174.Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций, которые выражаются ионно-молекулярными уравнениями:

Fе(ОН)₃ + З H⁺ = Fe³⁺ + З Н₂О;
Cd²⁺ + 2 OН = Cd(OH)₂;
H⁺ + NO = HNO₂.

175.Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия в растворах между: a) CdS и НС1;
б) Сг(ОН)₃ и NaOH; в) Ba(OH)₂ и CoCl₂.

176.Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций, которые выражаются ионно-молекулярными уравнениями:

а) Zn²⁺ + H₂S = ZnS + 2 H⁺;
б) НСО + Н⁺ = H₂O + СО₂;
в) Ag⁺ + С1 = AgCl.

177.Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия в растворах между: a) H₂S0₄ и Ва(ОН)₂;
б) FеС1₃ и NH₄0H; в) CH₃COONa и НС1.

178.Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия в растворах между: а) FеС1₃ и КОН;
6) NiSO₄ и (NH₄)₂S; в) MgCO₃ и HNO₃.

179.Составьте молекулярные уравнения реакций, которые выражаются ионно-молекулярными уравнениями:

а) Ве(ОН)₂ + 2 OН = ВеО + 2 Н₂O
б) СНзСОО + Н⁺ = СНзСООН
в)Ba²⁺ + SO = BaSO₄

180.Какие из веществ — NaCl, NiS0₄, Ве(ОН)₂, КНСОз — взаимодействуют с раствором гидроксида натрия. Запишите молекулярные и ионно-молекулярные уравнения этих реакций.

10. ИОННОЕ РАВНОВЕСИЕ ВОДЫ.

ВОДОРОДНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ рН

Вода является очень слабым электролитом и лишь в незначительной степени диссоциирует на ионы водорода и гидроксила:

Н₂О Н⁺ + ОН .

Этому процессу соответствует константа диссоциации:

. (1)

Константа диссоциации воды очень мала (К_{Д.(Н О)}= 1,86ּ10 ), поэтому равновесная концентрация недиссоциированных молекул воды практически равна общей концентрации воды:

[H₂O] = С_М = моль/л.

В разбавленных водных растворах концентрация воды меняется незначительно, так что ее можно считать постоянной. Тогда из формулы (1) получим

[H⁺]ּ[OH ] = К_Д.ּ[H₂O] = 1,86ּ10 ּ55,56 = 10 .

Таким образом, произведение концентраций ионов водорода и гидроксила представляет собой постоянную величину (при данной температуре) и называется ионным произведением воды К_{Н O}. При стандартной температуре Т = 298К (25⁰С)

К_{Н O} = [H⁺]ּ[OH ] = 10 . (2)

В нейтральных растворах [H⁺] =ּ[OH ] = Ö 10 = 10 моль/л.

Для характеристики кислотности (щелочности) среды используется водородный показатель рН –десятичный логарифм концентрации ионов водорода, взятый с обратным знаком:

рН = - lg [H⁺].

В нейтральных растворах рН = 7. В кислых растворах [H⁺] > 10 , следовательно, рН < 7; в щелочных растворах [H⁺] < 10 , поэтому рН > 7.

По аналогии с водородным показателем рН введен показатель рОН.

рОН = - lg [OH ].

Логарифмируя соотношение (2), получим рН + рОН = 14.

Пример 1.Определить концентрацию ионов водорода в растворе, если рН = 4,60.

Решение. По условию задачи рН = 4,60 = -lg [H⁺].

Отсюда [H⁺] = 10^-4,60 = 2,5^.10^-5 моль/л.

Пример 2.Определть концентрацию ионов [OH ] в растворе, если рН = 10,80.

Решение. Из соотношения рН + рОН = 14 находим

ОН = 14 – 10,80 = 3,20.

Отсюда –lg [OH ] = 3,20. Следовательно [OH ] = 10^-3,20 = 6,31^.10^-4.

Пример 3. Вычислить рН 0,01 М раствора гидроксида натрия.

Решение. Гидроксид натрия является сильным основанием, диссоциирует на ионы практически полностью

NaOH = Na⁺ + OH .

Из уравнения диссоциации следует, что из одного моля гидроксида натрия образуется один моль ионов OH ,следовательно в 0,01 М растворе [OH ] = 0,01. Найдем рОН = - lg [OH ] = -lg 0,01 = 2.

Отсюда рН = 14 – рОН = 12.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

181.Определите рН раствора, в 0,5 л которого содержится 0,05 г NaOH.
Ответ: 11;40.

182.Во сколько раз концентрация ионов водорода в крови (рН = 7,36) меньше, чем в желудочном соке (рН = 1,00)?
Ответ: В 2,3∙10 раз.

183.Определите [H⁺] и [OH ] в растворе, рН которого равен 6,2.
Ответ: 6,3∙10 моль/л; 1,6∙10 моль/л.

184.Рассчитайте рН раствора, полученного смешением 25 мл 0,5 М раствора HCl, 10мл 0,5 М раствора NaOH и 15 мл воды.
Ответ: 0,82.

185.Как изменится рН 0,2 М раствора HCl, если его вдвое разбавить водой?

Ответ: Увеличится на 0,3.

186.Вычислите рН 0,5%-ного раствора азотной кислоты.
Ответ: 1,10.

187.К 500 мл воды прибавили 20 мл 0,1 н раствора НС1. Найдите рН полученного раствора.

Ответ: 2,4.

188.Вычислите рН 1,5%-ного раствора КОН.
Ответ: 13,43.

189.25 мл 10%-ного раствора HCl (плотность 1,05) разбавили водой до 500 мл. Вычислите рН полученного раствора.
Ответ: 0,84.

190.К 250 мл нейтрального раствора прибавили 50 мл 0,5 н раствора КОН. Вычислите рН полученного раствора.
Ответ: 12,9.

191.10,0 мл 20%-ного раствора КОН (плотность 1,18) разбавили водой до 250 мл. Вычислите рН полученного раствора.
Ответ: 13,23.

192.В мерную колбу на 250 мл налили 10,0 мл 24%-ного раствора HCl (плотность 1,12) и довели раствор водой до метки. Из полученного раствора 5,0 мл перенесли в мерную колбу на 100 мл и разбавили водой до метки. Найдите рН полученного раствора.

Ответ: 1,83.

193.К 25 мл 0,2 н раствора HCl прибавили 25 мл 0,1 н раствора NaOH.Вычислите рН полученного раствора.

Ответ: 1,3.

194.20,0 мл 12%-ного раствора NaOH (плотность 1,14) разбавили водой до 500 мл. 50,0 мл полученного раствора перенесли в другую колбу и разбавили водой до 1000 мл. Найдите рН последнего раствора.
Ответ: 11,85.

195.К 100 мл 0,1 н раствора HNO₃ прибавили 2 мл 6%-ного раствора NaOH (плотность 1,0). Найдите рН полученного раствора.
Ответ: 1,2

196.Найдите рН раствора, в 100 мл которого содержится 0,12 мг NaOH.
Ответ: 9,48.

197.К 100 мл 0,1 н раствора NaOH прибавили 5 мл 4%-ного раствора HCl (плотность 1,0). Найдите рН исходного и полученного раствора.
Ответ: 13; 12,6.

198.К 100 мл 0,2 н раствора HCl прибавили 5 мл 3%-ного раствора КОН. Найдите рН исходного и полученного раствора.
Ответ: 0,7; 0,78.

199.Какую массу NaOH следует растворить в 400 мл воды, чтобы получить раствор, рН которого равен 12?

200.Вычислите молярную концентрацию раствора гидроксида бария, если известно, что рН данного раствора равен 11.

ГИДРОЛИЗ СОЛЕЙ

Гидролизом называется обменное взаимодействие ионов растворенной соли с водой, сопровождающееся обычно изменением рН среды. Причина гидролиза заключается в связывании ионов соли ионами воды в слабодиссоциирующие продукты (молекулы слабых кислот или оснований, анионы кислых или катионы основных солей).

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 кислоты HCN и сильного основанияKOH. При растворении в воде молекулы KCN полностью диссоциируют на катионы К⁺ и анионы CN . Катионы К⁺ не могут связывать ионы ОН воды, так как КОН – сильный электролит. Анионы же CN связывают ионы Н⁺ воды, образуя молекулы слабого электролита HCN. Соль гидролизуется по аниону. Ионно-молекулярное уравнение гидролиза

CN + Н₂О HCN + ОН

или в молекулярной форме

KCN + H₂O HCN + KOH.

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

б) Карбонат натрия Na₂CO₃ — соль слабой многоосновной кислоты и сильного основания. В этом случае анионы соли СО , связывая ионы воды Н⁺ , образуют анионы кислой соли НСО , а не молекулы Н₂СО₃, так как ионы НСО диссоциируют гораздо труднее, чем молекулы Н₂СО₃. В обычных условиях гидроли идет по первой ступени. Соль гидролизуется по аниону. Ионно-молекулярное уравнение гидролиза

СО + Н₂О НСО + ОН

или в молекулярной форме

Na₂CO₃ + H₂O NaHCO₃ + NaOH.

В растворе появляется избыток ионов ОН , поэтому раствор Na₂CO₃ имеет щелочную реакцию (рН>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

2 ZnSO₄ + 2H₂O (ZnOH)₂SO₄ + H₂SO₄.

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

Пример 2. Какие продукты образуются при смешивании растворов А1(NО₃)₃ и К₂СО₃? Составьте ионно-молекулярное и молекулярное уравнение реакции.

Решение. Соль А1(NО₃)₃ гидролизуется по катиону, а К₂СО₃ — по аниону:

Al³⁺ + Н₂О АlOН²⁺ + Н⁺;

CO +Н₂0 НСО + ОН .

Если растворы этих солей находятся в одном сосуде, то идет взаимное усиление гидролиза каждой из них, так как ионы H⁺ и ОН образуют молекулу слабого электролита Н₂0. При этом гидролитическое равновесие сдвигается вправо и гидролиз каждой из взятых солей идет до конца с образованием А1(ОН)₃ и CO₂ (Н₂СОз).

Ионно-молекулярное уравнение

2 А1³⁺ + 3 CO + З Н₂О = 2 А1(ОН)₃ + З СО₂

молекулярное уравнение

2 A1(N0₃)₃ + З К₂СО₃ + З Н₂О = 2 А1(ОН)₃ + З СО₂ + 6 KN0₃.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

201.Составьте ионно-молекулярное и молекулярное уравнения гидролиза, происходящего при смешивании растворов K₂S и СгС1₃. Каждая из взятых солей гидролизуется необратимо до конца с образованием соответствующих основания и кислоты.

202.К раствору FеС1₃ добавили следующие вещества: а) НС1; б) КОН; в) ZnCl₂;r) Na₂CO₃. В каких случаях гидролиз хлорида железа (III) усилится? Почему? Составьте ионно-молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей.

203.Какие из солей — Аl₂(SO₄)₃, K₂S, Pb(NO₃)₂, KC1 — подвергаются гидролизу? Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей. Какое значение (7 < рН < 7) имеют растворы этих солей?

204.При смешивании FеС1₃ и Nа₂СО₃ каждая из взятых солей гидролизуется необратимо до конца с образованием соответствующих основания и кислоты. Выразите этот совместный гидролиз ионно-молекулярным и молекулярным уравнениями.

205.К раствору Na₂CO₃ добавили следующие вещества: а) НС1;
б) NaOH; в) Cu(NО₃)₂; г) K₂S. В каких случаях гидролиз карбоната натрия усилится? Почему? Составьте ионно-молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей.

206.Какое значение рН (7< рН < 7) имеют растворы солей Na₂S, А1Сl₃, NiSO₄? Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза этих солей.

207.Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза солей Рb(NО₃)₂, Na₂CO₃, Fe₂(SO₄)₃. Какое значение рН
(7 < рН < 7) имеют растворы этих солей?

208.Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза солей СН₃СООК, ZnSO₄, А1(NО₃)₃. Какое значение рН
(7 < рН < 7) имеют растворы этих солей?

209.Какое значение рН (7< рН < 7) имеют растворы солей К₃РO₄, K₂S, CuSO₄? Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза этих солей.

210.Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза солей CuCl₂, Сs₂СО₃, Сг(NО₃)₃. Какое значение рН (7 < рН < 7) имеют растворы этих солей?

211.Какие из солей — RbCl, Сг₂(SO₄)₃, Ni(NO₃)₂, Na₂SO₃ — подвергаются гидролизу? Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей. Какое значение рН
(7< рН < 7) имеют растворы этих солей?

212.К раствору Al₂(SO₄)₃ добавили следующие вещества: а) H₂SO₄; б) КОН; в) Na₂SO₃; г) ZnSO₄. В каких случаях гидролиз сульфата алюминия усилится? Почему? Составьте ионно-молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей.

213.Какая из двух солей при равных условиях в большей степени подвергается гидролизу: Na₂CO₃ или Nа₂SO₃; FеС1₃ или FeCl₂? Почему? Составьте ионно-молекулярные уравнения гидролиза этих солей.

214.При смешивании растворов А1₂(SO₄)₃ и Na₂CO₃ каждая из взятых солей гидролизуется необратимо до конца с образованием соответствующих основания и кислоты. Составьте ионно-молекулярные и молекулярное уравнения происходящего совместного гидролиза.

215.Какие из солей — NaBr, Na₂S, К₂СО₃, CoCl₂ — подвергаются гидролизу? Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей. Определите рН (7 < рН < 7).

216.Какая из двух солей при равных условиях в большей степени подвергается гидролизу: NaCN или NaCIO; MgCl₂ или ZnCl₂? Почему? Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей.