Пример 6. Молекулярно-ионные уравнения обменных реакций между растворами электролитов
1.Определите, какие из приведенных ниже электролитов являются сильными и слабыми, и какие слабые электролиты диссоциируют при растворении в воде ступенчато. Составьте уравнения диссоциации и выражения для констант диссоциации по каждой ступени: 1) AlCl3; 2) H3PO4; 3) Pb(OH)2; 4) CH3COONH4.
Решение. Сильными электролитами является достаточно ограниченное число неорганических соединений, среди них - соли с ионным типом связи, в частности, алюминия хлорид AlCl3. Это вещество диссоциирует при растворении необратимо, полностью и в одну ступень. Закон действующих масс на этот процесс не распространяется и поэтому выражение для константы диссоциации отсутствует. Уравнение диссоциации имеет вид:
1) AlCl3 = Al3+ + 3Cl-.
Аммония ацетат CH3COONH4 – вещество с ковалентной полярной связью, диссоциирует в одну ступень обратимо по уравнению
4) CH3COONH4 <=> NH4+ + CH3COO–.
Равновесие полностью смещено в сторону ионов, а поэтому выражение для константы его диссоциации не имеет физического смысла.
Ортофосфорная кислота H3PO4 и гидроксид свинца (2) Pb(OH)2 являются электролитами слабыми, процесс диссоциации обратим, проходит несколькими ступенями, каждой ступени соответствует свое выражение для константы диссоциации. Общая константа диссоциации слабого электролита равна произведению констант диссоциации по ступеням. Учитывая сказанное, распишем уравнения диссоциации кислоты и основания:
2) I-я ступень Н3РО4 <=> Н+ + Н2РО4–; kd1 = [Cμ(H+)·Cμ(H2PO4–)]/Cμ(H3PO4);
II -я ступень Н2РО4–<=> Н+ + НРО42–; kd2 = [Cμ(H+)·Cμ(HPO42–)]/Cμ(H2PO4–);
III-я ступень НРО42– <=> Н+ + РО43–; kd3 = [Cμ(H+)·Cμ(PO43–)]/Cμ(HPO42–);
общее ур-ние Н3РО4 <=> 3Н+ + РО43–; kd = [Cμ3(H+)·Cμ(PO43–)]/Cμ(H3PO4);
или kd = kd1·kd2·kd3.
3) I-я ступень Pb(OH)2 <=> PbOH+ + OH–; kd1 = [Cμ(OH–)·Cμ(PbOH+)]/Cμ[Pb(OH)2];
II-я ступень PbOH+ <=> Pb2+ + OH–; kd2 = [Cμ(OH–)·Cμ(Pb2+)]/Cμ(PbOH+);
Общее ур-ние Pb(OH)2 <=> Pb2+ + 2OH–; kd = [Cμ2(OH-)·Cμ(Pb2+)]/Cμ[Pb(OH)2];
или kd = kd1·kd2.
2. Составьте уравнения электролитической диссоциации следующих солей:
а) гидроксоолова (2) нитрат (SnOH)NO3; б) уранила нитрат UO2(NO3)2; в) аммония тиосульфат (NH4)2S2O3; г) диртути (2+) гидросульфат Hg2(HSO4)2, д) хрома (3) - калия дигидрофосфат KCr(H2PO4)4; е) галлия (3) селенат-бисульфат Ga2(SO4)2SeO4; ж) калия гексатиоцианоферрат (2) K4[Fe(SCN)6].
Решение. Все соли являются сильными электролитами при диссоциации по месту разрыва ионных связей и слабыми электролитами при диссоциации по месту разрыва ковалентных полярных и неполярных связей. С учетом сказанного, распишем уравнения диссоциации: а) (SnOH)NO3 = SnOH+ + NO3-, SnOH+ <=> Sn2+ + OH-;
б) UO2(NO3)2 = UO22+ + 2NO3-;
в) (NH4)2S2O3 = 2NH4+ + S2O32-; S2O32- <=> SO32- + S2-;
г) Hg2(HSO4)2 = Hg22+ + 2HSO4-; HSO4- <=> H+ + SO42-;
д) KCr(H2PO4)4 = K+ + Cr3+ + 4H2PO4-; H2PO4- <=> H+ + HPO42-;
HPO42- <=> H+ + PO43-;
е) Ga2(SO4)2SeO4 = 2Ga3+ + 2SO42- + SeO42-;
ж) K4[Fe(SCN)6] = 4K+ + [Fe(SCN)6]4-;
[Fe(SCN)6]4- <=> [Fe(SCN)5]3- + SCN-;
[Fe(SCN)5]3- <=> [Fe(SCN)4]2- + SCN-;
[Fe(SCN)4]2- <=> [Fe(SCN)3]- + SCN-;
[Fe(SCN)3]- <=> [Fe(SCN)2]0 + SCN-.
Fe(SCN)2= Fe2+ + 2SCN-.
3.Представьте в молекулярном и молекулярно-ионном виде реакции взаимодействия между: а) хрома (3) гидроксидом и разбавленной серной кислотой; б) олова (2) хлоридом и стронция гидроксидом; в) натрия карбонатом и метафосфорной кислотой.
Решение. Обменные реакции между электролитами практически необратимы и идут до конца в случае образования ограниченно растворимых или газообразных продуктов и обратимы, в случае образования мало диссоциирующих слабых электролитов. При составлении молекулярно-ионных уравнений реакций ограниченно растворимые, газообразные и мало диссоциирующие вещества записываются в виде молекул, а сильные электролиты – в виде ионов. С учетом сказанного, запишем требуемые условием задачи уравнения реакций, проверяя по справочным данным силу электролитов и растворимость веществ в воде.
а) При взаимодействии ограниченно растворимого соединения Cr(OH)3 и сильного электролита H2SO4 (при диссоциации по первой ступени) возможны четыре случая
I-й случай Сr(OH)3 ↓ + 3H2SO4(изб) <=> Cr(HSO4)3 + 3H2O молекулярное уравнение,
Cr(OH)3 + 3H+ + 3НSO4– <=> Cr3+ + 3HSO4– + 3H2O молекулярно-ионное уравнение;
Cr(OH)3 + 3H+<=> Cr3+ +3H2O сокращенное молекулярно-ионное уравнение.
II-й случай 2Сr(OH)3 ↓ + 3H2SO4(изб) <=> Сr2(SO4)3 + 6H2O молекулярное уравнение,
2Cr(OH)3 + 3H+ + 3НSO4- <=> 2Cr3+ + 3SO42- + 6H2O молекулярно-ионное уравнение.
III-й случай 2Cr(OH)3(изб)↓ + H2SO4 <=> [Cr(ОH)2]2SO4+ 2H2O молекулярное уравнение,
2Сr(OH)3 + H+ + HSO4– <=> 2Cr(OH)2+ + SO42- + 2H2О молекулярно-ионное уравнение;
IV-й случай Cr(OH)3(изб)↓ + H2SO4 <=> [Cr(OH)]SO4 + 2H2O молекулярное уравнение,
Сr(OH)3 + H+ + HSO4– <=>[Cr(OH)]2+ + SO42- + 2H2O молекулярно-ионное уравнение.
б) SnCl2 + Sr(OH)2 = Sn(OH)2↓ + SrCl2 молекулярное уравнение,
Sn2+ + 2Cl- + Sr2+ + 2OH- = Sn(OH)2↓ + Sr2+ + 2Cl- молекулярно-ионное уравнение,
Sn2+ + 2OH- = Sn(OH)2↓ сокращенное молекулярно-ионное уравнение;
в) Na2CO3 + 2HPO3 = 2NaPO3 + CO2↑ + H2O молекулярное уравнение,
2Na+ + CO32- + 2HPO3 = 2Na+ + 2PO3- + CO2↑ + H2O молекулярно-ионное уравнение,
CO32-+ 2HРО3 = CO2↑ + 2PO3- + H2O сокращенное молекулярно-ионное уравнение.
4. Можно ли приготовить раствор, содержащий одновременно следующие пары веществ: а) Ca(OH)2 + NaOH; б) Fe(OH)3 + NaOH; в) Cu(OH)2 + NH4OH. Свой ответ обоснуйте соответствующими молекулярно-ионными уравнениями.
Решение: а) сильные электролиты – гидроксиды щелочных и щелочно-земельных металлов не взаимодействуют друг с другом, поэтому раствор, содержащий одновременно Са(ОН)2 и Na(OH) приготовить можно;
б) железа (3) гидроксид является амфолитом, способным растворяться в щелочах с образованием устойчивого комплексного аниона – гексагидроксоферрата (3) по реакции
Fe(OH)3 + 3NaOH <=> Na3[Fe(OH)6] молекулярное уравнение,
Fe(OH)3 + 3OH– <=> [Fe(OH)6]3–сокращенное молекулярно-ионное уравнение. Следовательно, нельзя приготовить раствор, в котором будут присутствовать одновременно Fe(OH)3 и NaOH;
в) аммонийные комплексы меди (2) намного прочнее её нерастворимых соединений, поэтому при смешивании Cu(OH)2 с аммиачным раствором произойдет реакция
Cu(OH)2 + 4NH4OH <=> [Cu(NH3)4](OH)2 + 4H2O молекулярное уравнение,
Cu(OH)2 + 4NH4OH <=> [Cu(NH3)4]2+ + 2OH– + 4H2O молекулярно-ионное уравнение. Таким образом, и в этом случае нельзя приготовить раствор, в котором будут присутствовать одновременно Cu(OH)2 и NH4OH.
Ответ: а) да, б) нет, в) нет.
5.Составьте по два молекулярных уравнения к каждому из молекулярно-ионных уравнений: а) Cu(OH)2↓ + 2H+ <=> Cu2+ + 2H2O; б) Al(OH)3↓ + 3OH– <=> [Al(OH)6]3–;
в) CН3СОО– + H+ <=> CН3СООН; г) S2– + 2H+ = H2S↑; д) Cd2+ + CO32– = CdCO3↓.
Решение.Эта задача является обратной по отношению к задаче № 3. Указанные в левой части молекулярно-ионных уравнений свободные ионы образуются при диссоциации только сильных электролитов, поставщиками ионов Н+ могут быть только сильные кислоты, а ионов ОН– - только щелочи. Учитывая изложенное, составим молекулярные уравнения, отвечающие условиям нашей задачи:
а) Cu(OH)2↓ + 2HNO3(разб) <=> Cu(NO3)2 + 2H2O,
Cu(OH)2↓ + 2HCl <=> CuCl2 + 2H2O;
б) Al(OH)3↓ + 3KOH <=> K3[Al(OH)6],
2Al(OH)3↓ + 3Ba(OH)2 <=> Ba3[Al(OH)6]2;
в) CН3СООNa + HBr <=> CН3СООН + NaBr,
(CН3СОО)2Fe + H2SO4 <=> 2CН3СООН + FeSO4;
г) Na2S+ 2HI = H2S↑ + 2NaI,
SrS+ 2HClO4 = H2S↑ + SrClO4;
д) Cd(NO3)2 + K2CO3 = CdCO3↓ + 2KNO3,
CdCl2 + Rb2CO3 = CdCO3↓ + 2RbCl.