2 Уравнения обменных реакций

Определив, что заданные вещества могут взаимодействовать, пишут соответствующие уравнения реакций; при этом различают следующие формы их записи:

- молекулярные уравнения, из которых видно, какие вещества были взяты для реакции, и какие продукты при этом получатся; молекулярное уравнение удобно для составления материального баланса (расстановки коэффициентов);

- полные ионно-молекулярные уравнения, в которых показывают все ионы и молекулы, в виде которых преимущественно находятся в растворе исходные вещества и продукты реакции (если реакция обратима, то левая и правая части полного ионно-молекулярного уравнения, показывают качественный состав раствора);

- сокращенные ионно-молекулярные уравнения, в которых показывают только те ионы и молекулы, за счет которых протекает реакция.

Примечание: В ионно-молекулярных уравнениях реакций, как в сокращенных так и в полных, вещества записывают в той химической форме, в которой они преимущественно находятся в растворе, т.е. слабые электролиты и малорастворимые вещества пишут в недиссоциированной форме. Например, слабые электролиты: H₂O, NH₄OH (точнее - NH₃H₂O), HCO₃^­, [Cu(NH₃)₄]²⁺, а также малорастворимые соли, основания – AgCl, Ca₃(PO₄)_2, Fe(OH)_{3 –} записывают в исходной химической форме, а не в виде составляющих их ионов_.

Примеры

2.1 Реакции образования слабых электролитов (выделены ионы и молекулы, связыванием которых обусловлена реакция):

а) NaF + HCl  HF+ NaCl – молекулярное уравнение

Na⁺ + F^– + H⁺ + Cl^-  HF + Na⁺ + Cl^–. – полное ионно-молекулярое

уравнение

F^– + H⁺ HF, – сокращенное ионно-молекулярное

уравнение.

Реакция (а) идет практически до конца, т.к. среди исходных веществ нет слабых электролитов или малорастворимых веществ.

б) NaF + CH₃COOH HF+ NaCH₃COO. – молекулярное уравнение

В отличие от предыдущего примера в этой реакции участвует слабая кислота, поэтому устанавливается равновесие:

Na⁺ + F^– + CH₃COOH  HF+ Na⁺ + CH₃COO^─ – полное ионно- молекулярное

уравнение

F^– + CH₃COOH  HF + CH₃COO^-, – сокращенное ионно-молекулярное

уравнение.

в) В реакциях нейтрализации образуется один из слабейших электролитов – вода, и часто полагают, что такие реакции практически необратимы; однако справедливо это только для реакций, в которых участвуют сильные кислоты и основания.

В случае слабых кислот и оснований степень «нейтрализации» может оказаться столь малой, что соответствующую соль получить практически не удастся; например, при нейтрализации в растворе ортофосфорной кислоты аммиаком невозможно получить среднюю соль (расчеты, показывающие почему это так, приведены в в разделе (3).

2.2 Реакции образования малорастворимых продуктов (осадков или газов)

а) Pb(NO₃)₂ + K₂CrO₄  ...

Из возможных продуктов реакции, KNO₃ и PbCrO₄, последний – малорастворимая соль, поэтому реакция идет, причем необратимо:

Pb(NO₃)₂ + K₂CrO₄ PbCrO₄ + 2KNO₃ – молекулярное уравнение

Pb²⁺ +2NO₃^– +2K⁺ + CrO₄^2– PbCrO₄ + 2K⁺ + 2NO₃^– ‑ полное ионно-

молекулярноеуравнение

Pb²⁺ + CrO₄^2–  PbCrO₄ – сокращенное ионно-

молекулярное уравнение

б) Ca(OH)₂ + HF ...

Реакция возможна, т. к. образуются слабый электролит (H₂O) и малорастворимая соль (CaF₂). Однако прежде чем писать уравнения реакций, необходимо отметить, что HF — слабая кислота (поэтому в ионно-молекулярных уравнениях пишется в молекулярной форме), а Ca(OH)₂ может участвовать в реакции в двух вариантах: в виде раствора (“известковая вода”) или суспензии (“известковое молоко”); в первом случае в ионно-молекулярных реакциях его как сильный электролит пишут в ионной форме, во втором – в недиссоциированной молекулярной форме. Таким образом, молекулярные уравнения для обоих вариантов будут одинаковые, а ионно-молекулярные – разные:

Ca(OH)_{2 р-р}+ 2HF  2H₂O + CaF₂ . — молекулярное уравнение;

Ca²⁺^ + 2HF  2H₂O + CaF₂, — сокращенное (и полное)

ионно- молекулярное уравнение для Ca(OH)_{2 р-р}

Ca(OH)₂ + 2HF  2H₂O + CaF₂, — сокращенное (и полное)

ионно-молекулярное уравнение для Ca(OH)_{2 тв.}

Необходимо отметить, что обменные реакции, в которых и исходное вещество, и продукт малорастворимы, часто протекают настолько медленно, что их не следует выбирать для заданного превращения веществ. По этой причине, например, углекислый газ из мрамора не получают действием серной кислоты, т.к. образующийся сульфат кальция малорастворим и, оставаясь на поверхности мрамора, пассивирует его.

в) Na₂S + HCl  ... .

Обменное взаимодействие исходных веществ возможно, т.к. при этом образуется слабый электролит, малорастворимый в воде сероводород; реакция необратима:

Na₂S + 2HCl H₂S + 2NaCl — молекулярное уравнение;

2Na⁺ + S^2– + 2H⁺ + 2Cl^–  H₂S + 2Na⁺ + 2Cl^– — полное ионно-

молекулярное уравнение

S^2- + 2H⁺  H₂S  — сокращенное ионно-молекулярное

уравнение

г) Если в предыдущем примере заменить растворимый сульфид малорастворимым, например сульфидом цинка или меди, то без уточнения условия задачи однозначно ее решить не удастся.

На вопрос “возможны ли реакции?”: ZnS + HCl ^…,

CuS + HCl 

ответ однозначный – “да, возможны”, т.к. в обоих случаях образуется слабый электролит (H₂S);

Однако без расчетов (или запоминания частных случаев) не определить, будет ли сероводород выделяться из раствора и можно ли реально растворить эти сульфиды в соляной (или другой) кислоте.

Решение подобных задач рассмотрено ниже (см.3)

2.3 Реакции образования и разрушения комплексных соединений

Для образования внутренней сферы комплекса необходимы ионы-комплексообразователи (чаще это катионы металлов побочных подгрупп) и лиганды (анионы кислот, амины и др.).

Например, при действии концентрированного аммиака на раствор медного купороса образуется аммиачный комплекс:

CuSO₄ + 4NH₃  [Cu(NH₃)₄]SO₄. – молекулярное уравнение

Cu²⁺ + 4NH₃ + SO₄^2–  [Cu(NH₃)₄]²⁺ + SO₄^2– – полное ионно-

молекулярное уравнение

Cu²⁺ + 4NH₃  [Cu(NH₃)₄]²⁺ – сокращенное ионно-

молекулярное уравнение

б) Cu(OH)₂ + NH₃  ...

В отличие от предыдущего примера здесь комплексообразователь, Cu(II), в составе слабого малорастворимого основания Cu(OH)₂, что в ионных уравнениях отражается знаком “обратимости”:

Cu(OH)₂ + 4NH₃  [Cu(NH₃)₄](OH)₂  ‑ молекулярное уравнение

Cu(OH)₂ + 4NH₃  [Cu(NH₃)₄]²⁺ + 2OH^– ‑ сокращенное (и полное)

ионно-молекулярное уравнение