Глава VI. Ионообменные реакции в растворах электролитов

Многие химические взаимодействия, имеющие место в растворах электролитов, являются ионообменными реакциями.

Ионообменными реакциями называются химические реакции, протекающие в растворах электролитов с участием противоположно заряженных ионов или ионов и молекул слабых электролитов, при которых не происходит изменение степеней окисления атомов в реагирующих частицах.

Поскольку в ионообменных реакциях реагирующими частицами являются ионы или полярные молекулы, то они протекают по электрофильно-нуклеофильному механизму. Для описания таких реакций кроме обычных химических уравнений используют ионные или ионно-молекулярные уравнения, отражающие взаимодействие ионов и молекул электролитов в растворе. При записи таких уравнений необходимо учитывать силу электролита и его растворимость. Химические формулы сильных и растворимых электролитов (оба признака должны быть в наличии одновременно!) записывают в виде суммы соответствующих ионов. Нерастворимые или слабые электролиты, а также вещества, выделяющиеся в виде газа, записывают в молекулярной форме. При составлении ионно-молекулярного уравнения рекомендуется следующая последовательность:

1. Написать химическое уравнение реакции и расставить в нем коэффициенты.

2. Отметить все нерастворимые продукты стрелками, направленными вниз, все газообразные продукты – стрелками, направленными вверх, подчеркнуть все слабые электролиты.

3. Записать нерастворимые, газообразные и слабодиссоциированные соединения в молекулярной форме, а сильные и растворимые электролиты в виде суммы ионов (с учетом индексов и коэффициентов), т.е. составить полное ионно-молекулярное уравнение.

4. Записать сокращенное ионно-молекулярное уравнение, учитывая только те ионы (молекулы) которые практически приняли участие в реакции.

Пример 1. При сливании растворов гидроксида бария и сульфата калия происходит реакция, описываемая молекулярным уравнением:

Ba(OH)₂ + K₂SO₄ = BaSO₄↓ + 2KOH

Ba(OH)₂ и KOH – растворимые сильные основания, K₂SO₄ – растворимая соль. эти соединения существуют в растворе только в виде ионов. BaSO₄ – нерастворимая соль, практически почти не дающая ионов в растворе. Учитывая характер электролитов, получим следующее полное ионно-молекулярное уравнение:

Bа²⁺ + 2OH^- + 2K⁺ + SO₄^2- = BaSO₄↓ + 2K⁺ 2OH^-

Практически вступили в реакцию ионы (сокращенное ионное уравнение):

Bа²⁺ + SO₄^2- = BaSO₄↓

Пример 2. Ортофосфорная кислота и гидроксид калия, взятые в мольном соотношении 1: 2, реагируют по уравнению:

Н₃РО₄ + 2КОН = К₂НРО₄ + 2Н₂О

Вещества Н₃РО₄ и Н₂О являются слабыми электролитами и записываются в молекулярной форме. КОН (сильное основание) и К₂НРО₄ (растворимая соль слабой многоосновной кислоты) существуют в растворе в виде ионов. Полное ионное уравнение имеет вид:

Н₃ РО₄ + 2К⁺ + 2ОН^- = 2К⁺ ₊ НРО₄^2- + 2Н₂О

а сокращенное:

Н₃РО₄ + 2ОН^- = НРО₄^2- + 2Н₂О

Пример 3. Взвесь карбоната кальция в воде при пропускании избытка углекислого газа растворяется в соответствии с уравнением реакции:

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О = Са(НСО₃)_2(р)

Ионно-молекулярное уравнение имеет следующий вид:

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О = Са²⁺ + 2 НСО₃^-

Поскольку общих ионов среди реагентов и продуктов реакций нет, то сокращенное ионно-молекулярное уравнение совпадает с полным уравнением реакции.

Все ионообменные реакции являются электрофильно-нуклеофильными, так как катионы – это электрофилы, а взаимодействующие с ними анионы – нуклеофилы.

Возможность протекания ионообменной реакции и полнота превращения исходных веществ в продукты реакции зависит от силы электролитов и их растворимости. Рассмотрим три основных случая.

1. Ионообменная реакция идет практически необратимо, и исходные вещества полностью превращаются в продукты реакции.

Практически необратимо ионообменные реакции идут, если происходит связывание ионов в осадок нерастворимого вещества, а также в молекулы слабодиссоциирующих или газообразных веществ. Например:

- с образованием нерастворимого продукта реакции:

Pb(NO₃)₂ + 2NaCl = PbCl₂↓ + 2NaNO₃

Pb²⁺ + 2Cl^- = PbCl₂↓

- с образованием молекул слабых электролитов:

CH₃COONa + HCl = CH₃COOH + NaCl

CH₃COO^- + H⁺ = CH₃ COOH

- c образованием летучих веществ:

2HCl + Na₂S = 2NaCl + H₂S↑

2H⁺ + S^2- = H₂S↑

Иногда происходит одновременное связывание ионов сильных электролитов в несколько соединений с прочными связями:

Ва(ОН)₂ + H₂SO₄ = BaSO₄↓ + 2H₂O

Ва²⁺ + 2 ОН^- + 2H⁺+ SO₄^2- = BaSO₄↓ + 2H₂O

II. Ионообменные реакции являются обратимыми, если и среди исходных веществ, и среди продуктов реакции есть плохо растворимые или слабые электролиты. В этих случаях в реакционной системе устанавливается равновесие, самопроизвольно смещенное в сторону образования более слабых и менее растворимых электролитов:

2СН₃СООН + Na₂CO₃ ↔ 2CH₃COONa + CO₂↑ + H₂O

2СН₃СООН + CO₃^2- ↔ 2СН₃СОО^- + CO₂↑ + H₂O

Угольная кислота слабее уксусной и неустойчива, поэтому равновесие заметно смещено в сторону выделения углекислого газа.

III. Реакция между электролитами в растворе не происходит, если среди продуктов ионного обмена нет нерастворимых или слабых электролитов. В этом случае в растворе существует смесь ионов, между которыми нет химического взаимодействия. Например:

BaCl₂ + 2KNO₃ = Ba(NO₃)₂ + 2KCl

Все четыре соединения – растворимые сильные электролиты, причем ионный состав не может измениться ни за счет прямой, ни обратной реакции. Химического взаимодействия нет, в растворе просто сохраняется исходная смесь ионов.