Реакции ионного обмена и сокращённые ионные уравнения

Запись «соль + кислота» или «две соли» ещё не говорит, произойдёт ли реакция в воде. Многие вещества уже находятся в растворе в виде ионов. Если эти ионы после смешивания остаются прежними, нового химического превращения нет. Ионные уравнения помогают показать, какие частицы действительно изменились, и убрать из записи неизменные ионы.

Когда происходит ионный обмен

Реакция ионного обмена в растворе — взаимодействие ионов с образованием новых веществ или частиц. В обычных школьных задачах обмен идёт практически до конца при образовании осадка, удаляющегося газа или слабого электролита, например воды.

Это правило применяют с учётом условий: концентрации, растворимости продуктов и возможности выхода газа. Само наличие теоретически малорастворимого вещества не означает выпадения осадка при сколь угодно малых концентрациях. В начальных задачах обычно предполагают, что ионов достаточно для наблюдаемого осаждения.

При смешивании разбавленных растворов NaCl и KNO₃ в обычных условиях остаются Na⁺, Cl⁻, K⁺ и NO₃⁻. Если записать формальный «обмен» на NaNO₃ и KCl, все ионы сократятся. Это признак отсутствия суммарной реакции, а не пропуск какого-то скрытого продукта.

Три формы записи одной реакции

Молекулярное уравнение использует формулы веществ, даже если в действительном растворе они существуют преимущественно в виде ионов. Полное ионное уравнение показывает растворённые сильные электролиты как ионы. Сокращённое ионное уравнение оставляет только частицы, которые участвуют в превращении.

В ионной записи на ионы разделяют растворённые сильные электролиты. Осадки, газы, воду и слабые электролиты обычно сохраняют целыми формулами. Затем сокращают одинаковые частицы с одинаковыми коэффициентами по обе стороны уравнения.

Для воды пользуются обозначением H₂O; её собственную очень слабую ионизацию в таких уравнениях не расписывают. Для кислотных протонов используют школьную запись H⁺, подразумевая гидратированный протон в воде.

1. Установите, возможна ли реакция в данных условиях, и запишите правильные продукты.
2. Уравняйте молекулярное уравнение.
3. Определите растворимость и силу электролитов.
4. Запишите полное ионное уравнение.
5. Сократите ионы, которые присутствуют без изменения с обеих сторон.
6. Проверьте атомы и суммарный заряд; сократите общий множитель коэффициентов.

Три разобранных примера

1. Образование карбоната кальция

В водных растворах хлорид кальция и карбонат натрия образуют белый осадок CaCO₃:

CaCl₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2NaCl.

Растворённые соли представляем ионами, осадок сохраняем целой формулой:

Ca²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻.

Na⁺ и Cl⁻ остаются в растворе без изменения. Их называют ионами-наблюдателями. После сокращения:

Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃↓.

Заряды +2 и −2 взаимно компенсируются. Такая же сокращённая запись получится для других растворимых источников Ca²⁺ и CO₃²⁻, если остальные ионы не создают дополнительных реакций.

2. Нейтрализация слабой уксусной кислоты

CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O.

NaOH и растворённый ацетат натрия — сильные электролиты, а уксусная кислота слабая. Полная ионная запись:

CH₃COOH + Na⁺ + OH⁻ → CH₃COO⁻ + Na⁺ + H₂O.

Сокращаем только Na⁺:

CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.

Заряд с каждой стороны −1, состав атомов совпадает. Нельзя заменять эту запись на H⁺ + OH⁻ → H₂O: такая запись не отражает расходование молекул слабой кислоты. Для сильной HCl, напротив, сокращённая запись нейтрализации щёлочью именно такая.

3. Карбонат и сильная кислота

При достаточном количестве соляной кислоты карбонат натрия даёт углекислый газ и воду:

Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + CO₂↑ + H₂O.

После записи всех растворённых сильных электролитов ионами и сокращения Na⁺ и Cl⁻ остаётся:

CO₃²⁻ + 2H⁺ → CO₂↑ + H₂O.

Слева суммарный заряд ноль, справа продукты нейтральны. Углерод сохраняется в CO₂, три атома кислорода распределяются между газом и водой. Если кислоты недостаточно, карбонат сначала переходит в гидрокарбонат; поэтому количество H⁺ является существенной частью условия.

Что сокращать нельзя

Сокращать можно только одинаковые частицы, остающиеся без изменения. Нельзя сокращать атом внутри молекулы, ион с другим зарядом или вещество в другом состоянии.

Например, хлорид-ионы из раствора нельзя «сократить» с атомами хлора внутри осадка AgCl. Ион Cu²⁺ и металлическая медь Cu — разные частицы. Вода справа и гидроксид-ион слева тоже не одинаковы, хотя в обоих обозначениях есть O и H.

Ионные уравнения полезны и для реакций за пределами обмена, например металл + кислота. Но если меняются степени окисления, перед нами окислительно-восстановительное превращение. Сама возможность записать реакцию ионами не делает её реакцией обмена.

Частые ошибки

• Разделять на ионы все формулы подряд, включая воду и осадки.
• Писать Na²⁺ вместо 2Na⁺.
• Сокращать формулы до подбора коэффициентов и терять атомы.
• Проверять только атомы, забывая заряд.
• Объявлять образование газа без условий, при которых он выделяется, или осадка без проверки растворимости.

Проверьте себя

1. Запишите сокращённое ионное уравнение образования AgCl из растворов AgNO₃ и NaCl.
2. Почему уксусную кислоту в реакции со щёлочью сохраняют молекулярной формулой?
3. Возникает ли суммарная реакция при смешивании обычных разбавленных растворов K₂SO₄ и NaNO₃?
4. Исправьте запись осаждения гидроксида меди(II), если слева ошибочно поставили только один OH⁻.
5. В растворе взаимодействуют 0,20 моль Ca²⁺ и 0,10 моль CO₃²⁻. Сколько молей CaCO₃ получится в школьном приближении полного осаждения? Других реакций нет.

Ответы с объяснениями

1. Серебро связывается с хлорид-ионом в малорастворимый осадок:

   Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓.

   Na⁺ и NO₃⁻ — ионы-наблюдатели; общий заряд равен нулю.

2. Это слабый электролит, и в принятом школьном ионном уравнении сохраняют молекулярную форму CH₃COOH, участвующую в переносе протона. Щёлочь расходует кислоту с образованием ацетат-ионов и воды. Доля молекул зависит от концентрации и условий: при сильном разбавлении ионизованная доля слабой кислоты может стать большой.

3. Нет. Все возможные соли растворимы, газ или слабый электролит не образуется. Ионы сохраняются, сокращённого уравнения реакции нет.

4. Нужны два гидроксид-иона на один катион Cu²⁺:

   Cu²⁺ + 2OH⁻ → Cu(OH)₂↓.

   Теперь сохранены и группы OH, и суммарный заряд.

5. Ионы реагируют 1 : 1, поэтому недостаток карбонат-ионов ограничивает образование осадка:

   n(CaCO₃) = 0,10 моль; n_{остатка}(Ca²⁺) = 0,20 − 0,10 = 0,10 моль.

Связанные темы

Электролитическая диссоциация, таблица растворимости, кислоты, основания.

Источники

Условия обмена и сокращённая запись: OpenStax, Classifying Chemical Reactions; последовательность составления и роль ионов-наблюдателей: Royal Society of Chemistry, Teaching ionic equations.

Выбрать другой маршрут курса