9 клас НУШ. Йонні реакції в розчинах

Коли ми спостерігаємо за хімічними перетвореннями у водних розчинах, помічаємо цікаву закономірність: деякі речовини взаємодіють миттєво, інші — повільніше. Наприклад, якщо змішати розчин харчової соди з оцтом, реакція відбувається блискавично з виділенням газу. У чому ж секрет такої швидкості?

Речовини, які проводять електричний струм у розчиненому стані, називаються електролітами. Їхня унікальна властивість полягає в тому, що у воді вони розпадаються на заряджені частинки — йони. Саме ця властивість і визначає характер їхніх хімічних перетворень.

Уявімо собі два окремі розчини електролітів. У кожному з них молекули речовин уже розділені водою на йони — позитивно заряджені катіони та негативно заряджені аніони. Ці йони вільно рухаються в розчині, оточені молекулами води. Коли ми змішуємо обидва розчини, йони з різних посудин опиняються поруч і можуть взаємодіяти між собою.

Швидкість таких процесів пояснюється простою, але важливою обставиною: йонам не потрібно спочатку руйнувати зв'язки у молекулах реагентів — вода вже зробила це за них під час розчинення. Йони готові до взаємодії відразу після змішування розчинів. Їм залишається лише зіткнутися і з'єднатися, якщо утвориться речовина, яка не розчиняється або погано розчиняється у воді.

Умови протікання реакцій йонного обміну

Не всі можливі комбінації йонів призводять до реакції. Процес відбувається лише тоді, коли утворюється:

• Осад — нерозчинна речовина, яка випадає на дно

• Газ — летка речовина, яка виділяється з розчину

• Слабкий електроліт — речовина, яка майже не дисоціює на йони (наприклад, вода)

Практичний приклад: взаємодія натрій хлориду та аргентум(І) нітрату

Розглянемо конкретну ситуацію. У нас є два прозорі розчини: один містить кухонну сіль (натрій хлорид), другий — аргентум(І) нітрат. Після змішування миттєво утворюється білий осад. Що ж відбулося на рівні йонів?

У першому розчині перебувають катіони Натрію (Na⁺) та хлорид-аніони (Cl⁻). У другому — катіони Аргентуму (Ag⁺) та нітрат-аніони (NO₃^-). Після з'єднання розчинів всі чотири типи йонів опиняються разом.

Теоретично можливі дві комбінації:

Перший варіант: Na⁺ та NO₃^- можуть утворити натрій нітрат. Але якщо звернутися до таблиці розчинності, бачимо, що ця сполука чудово розчиняється у воді і залишається у вигляді окремих йонів. Отже, ця комбінація не реалізується.

Другий варіант: Ag⁺ та Cl⁻ утворюють аргентум(І) хлорид. Таблиця розчинності показує, що ця речовина практично не розчиняється у воді. Саме тому ці йони з'єднуються, утворюючи білий осад, який ми спостерігаємо.

Хімічні перетворення класифікують за тим, як змінюється склад речовин. Реакція між розчинами солей не є ні сполученням (з кількох речовин утворюється одна), ні розкладом (з однієї речовини — кілька), ні заміщенням (просту речовину замінюють у складній).

Це реакція обміну — процес, у якому дві складні речовини обмінюються своїми структурними частинами. У нашому випадку катіони одного електроліту з'єднуються з аніонами іншого, і навпаки.

Способи запису реакцій йонного обміну

Для опису хімічних перетворень між електролітами у розчинах хіміки використовують три типи рівнянь, які доповнюють одне одного і показують різні аспекти процесу.

Молекулярне рівняння

Це традиційна форма запису, у якій всі речовини представлені своїми хімічними формулами, так, ніби вони існують у вигляді молекул:

NaCl + AgNO₃ = NaNO₃ + AgCl↓

Стрілка вниз (↓) після формули аргентум(І) хлориду вказує на те, що ця речовина випадає в осад. Таке рівняння зручне для розрахунків за масою, але не показує реальної картини того, що відбувається в розчині на рівні частинок.

Повне йонне рівняння

Ця форма запису відображає реальний стан речовин у розчині. Електроліти, які добре дисоціюють (сильні електроліти), записуємо у вигляді окремих йонів. Речовини, які не розчиняються або погано дисоціюють, залишаємо у молекулярній формі:

Na⁺ + Cl⁻ + Ag⁺ + NO₃^- = Na⁺ + NO₃^- + AgCl↓

Тут видно, що натрій нітрат як був у йонному стані до реакції (у правій частині), так і залишився після неї (у лівій частині). Це підтверджує, що реально він не брав участі у перетворенні.

Скорочене йонне рівняння

Якщо прибрати з повного йонного рівняння йони, які не змінилися (їх називають йонами-глядачами), отримаємо найважливішу форму запису:

Ag⁺ + Cl⁻ = AgCl↓

Це скорочене йонне рівняння показує суть процесу: які саме йони прореагували і що утворилося. Воно відображає справжню хімічну зміну, яка відбулася в розчині.

Під час складання йонних рівнянь необхідно пам'ятати про фундаментальний закон хімії: маса речовин до реакції дорівнює масі речовин після реакції. На рівні йонів це означає, що кількість кожного типу йонів до перетворення і після нього повинна бути однаковою.

Важливе правило: коефіцієнт перед формулою електроліту стосується і катіона, і аніона цієї речовини.

Наприклад, якщо перед формулою AlCl₃ стоїть коефіцієнт 1, це означає:

1 катіон Al³⁺

3 аніони Cl⁻

Якщо коефіцієнт 2, то маємо:

2 катіони Al³⁺

6 аніонів Cl⁻

Складання рівнянь за скороченим йонним записом

Цікавою є зворотна задача: маючи скорочене йонне рівняння, відновити можливі молекулярні рівняння. Це корисна навичка для розуміння різноманітності хімічних процесів.

Приклад: Дано скорочене йонне рівняння Ag⁺ + Cl⁻ = AgCl↓

Крок 1. Визначаємо речовини, які містять катіон Ag⁺. За таблицею розчинності знаходимо розчинні сполуки Аргентуму: AgNO₃ (аргентум(І) нітрат), CH₃COOAg (аргентум(І) етаноат). Оберемо AgNO₃.

Крок 2. Шукаємо речовини з хлорид-аніоном Cl⁻. Це можуть бути: HCl, NaCl, KCl, CaCl₂, MgCl₂, AlCl₃ та інші розчинні хлориди. Виберемо, наприклад, CaCl₂.

Крок 3. Складаємо молекулярне рівняння з урахуванням зарядів йонів:

2AgNO₃ + CaCl₂ = 2AgCl↓ + Ca(NO₃)₂

Крок 4. Перевіряємо, записуючи повне йонне рівняння:

2Ag⁺ + 2NO₃^- + Ca²⁺ + 2Cl⁻ = 2AgCl↓ + Ca²⁺ + 2NO₃⁻

Крок 5. Скорочуємо йони-глядачі:

2Ag⁺ + 2Cl⁻ = 2AgCl↓

Поділивши на 2: Ag⁺ + Cl⁻ = AgCl↓ — отримуємо початкове рівняння, що підтверджує правильність наших дій.

Одне скорочене йонне рівняння може відповідати багатьом різним молекулярним рівнянням. Це пояснюється тим, що йони з однаковими зарядами і хімічними властивостями можна отримати з різних електролітів. Наприклад, для рівняння Ag⁺ + Cl⁻ = AgCl↓ підходять такі комбінації:

• AgNO₃ + NaCl

• AgNO₃ + KCl

• AgNO₃ + CaCl₂

• CH₃COOAg + HCl

• AgNO₃ + AlCl₃

Уважно прочитайте текст й дайте відповідь. Прикріпіть відповіді із зошиту до відповідного поля.

Учениця Оксана проводила лабораторний дослід. Вона змішала безбарвний розчин барій хлориду з безбарвним розчином натрій сульфату. Одразу ж з'явився білий осад. Потім вона профільтрувала суміш і дослідила фільтрат (рідину, що пройшла через фільтр). Виявилося, що фільтрат містить розчинену речовину, яка залишилася після реакції. Оксана здивувалася: чому в пробірці виник осад, якщо обидва вихідні розчини були прозорими?

1.Поясни, чому після змішування двох прозорих розчинів утворився осад.

2.Напиши три форми рівняння цієї реакції: молекулярне, повне йонне та скорочене йонне. Поясни, яка інформація відображена в кожному з них.

3.Яка розчинна речовина залишилася у фільтраті після відділення осаду? Обґрунтуй свою відповідь.

4.Які йони з'єдналися, щоб утворити нерозчинну речовину?

Уважно прочитайте текст й дайте відповідь. Прикріпіть відповіді із зошиту до відповідного поля.

На хімічному заводі виробляють мінеральне добриво — калій нітрат (KNO₃), яке використовують для підживлення рослин. Технологічний процес базується на реакції між розчинами калій хлориду і натрій нітрату. Після завершення реакції суміш охолоджують, і калій нітрат кристалізується, оскільки його розчинність зменшується при зниженні температури. Інженер-технолог Михайло стверджує, що цей процес економічно вигідний, бо всі реагенти доступні, а побічний продукт (натрій хлорид) також можна використовувати в інших виробництвах.

1.Чому для отримання калій нітрату обрали саме реакцію обміну між калій хлоридом і натрій нітратом, а не інші можливі шляхи синтезу?

2.Михайло стверджує, що реакція між KCl і NaNO₃ у розчині відбувається миттєво. Проте калій нітрат виділяється лише після охолодження. Чи суперечать ці факти один одному? Поясни, що насправді відбувається в розчині під час реакції і після охолодження.

3.Запропонуй ще дві пари розчинних солей, реакція обміну між якими дала б калій нітрат.

4.Придумати ще 2 запитання до тексту.

Виконайте тест, щоб закріпити знання