Ионообменные реакции

Большая скорость многих химических реакций в растворах электролитов объясняется тем, что они протекают не между молекулами, а между ионами. Для выявления сущности химических реакций их удобнее записывать не в молекулярном, а в ионно-молекулярном виде. Для простоты такие уравнения называют ионными. Выражение уравнений химических реакций в ионном виде позволяют решить, в каких случаях реакции идут только в одном направлении и когда они обратимы.

Разберем несколько типов химических реакций с точки зрения теории электролитической диссоциации и попытаемся установить закономерности их обратимости или необратимости.

Обратимые реакции

Если смешать растворы хлорида натрия NaCl и нитрата калия KNO₃, то никаких изменений не произойдет. Хлорид натрия в водном растворе диссоциирует на ионы натрия и хлора, а нитрат калия – на ионы калия и нитрат ионы. Уравнение реакции, происходящей между этими веществами, в молекулярной форме:

NaCl + KNO₃ = NaNO₃ + KCl.

Образующиеся вещества хорошо растворимы в воде, являются сильными электролитами и поэтому в растворе находятся в виде ионов. В ионном виде эта реакция может быть изображена следующим образом:

Na⁺ + Cl^- + K⁺ + NO₃^- = Na⁺ + NO₃^- + K⁺ + Cl^-.

Из приведенного уравнения видно, что как в левой, так и в правой частях уравнения в растворе находятся одни и те же ионы: Na⁺, K⁺, NO₃^-, Cl^-. Таким образом, реакция фактически не происходит. Если выпарить раствор досуха, то твердый остаток будет представлять собой смесь четырех солей: NaCl, KNO₃, NaNO₃, KCl. Преимущественное выделение той или иной соли зависти от их растворимости.

Необратимые реакции

Среди практически необратимых реакций можно выделить несколько типов.

Реакции двойного обмена с образованием малорастворимого вещества

При сливании растворов хлорида натрия и нитрата серебра выпадает белый осадок хлорида серебра (AgCl). В молекулярной форме уравнения стрелка вниз указывает на вещество, выпадающее в осадок:

NaCl + AgNO₃ = NaNO₃ + AgCl¯.

Запишем данное уравнение в ионном виде:

Na⁺ + Cl^- + Ag⁺ + NO₃^- = Na⁺ + NO₃^- + AgCl¯.

Из этого уравнения видно, что реакция NaCl и AgNO₃ сводится к взаимодействию ионов Ag⁺ и Cl^-, так как все остальные ионы, присутствующие в растворе, не принимают участия в реакции. Таким образом, указанную реакцию можно выразить следующим уравнением:

Ag⁺ + Cl^- = AgCl.

Такая запись получила название краткого ионного уравнения. В нем записывают только те ионы, которые действительно принимают участие а реакции. Для написания ионных уравнений надо знать, растворимы ли в воде вещества, которые участвуют в реакции и образуются в результате реакции. Для решения этого необходимо пользоваться таблицей растворимости кислот, солей и оснований в воде. Целесообразно отметить, что все соли натрия и калия, а так же нитраты и большинство ацетатов хорошо растворимы в воде. Гидроксиды всех металлов главной подгруппы первой группы и металлов Ca, Sr, Ba и Ra второй группы главной подгруппы хорошо растворимы в воде. Гидроксиды всех остальных металлов в воде нерастворимы.

Таким образом, реакции, протекающие с образованием малорастворимых веществ, направлены только в одну сторону, т.е. протекают практически до конца.

Реакции с образованием газообразных малорастворимых веществ

Примером таких реакций может служить взаимодействие карбоната натрия с какой-либо сильной кислотой. Запишем уравнение этой реакции в молекулярной и ионной формах:

Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + H₂O + CO₂­

2Na⁺ + CO₃^2- + 2H⁺ + 2Cl^- = 2Na⁺ + 2Cl^- + H₂O + CO₂­

CO₃^2- + 2H⁺ = H₂O + CO₂­.

Если эту реакцию проводить в открытом сосуде, то углекислый газ удаляется из сферы реакции и не может участвовать в обратном процессе. Поэтому практически данная реакция идет до конца.

Реакции с образованием малодиссоциирующих веществ

а) Реакции нейтрализации с образованием малодиссоциированной воды (К_Д(H₂O) = 1,86 × 10^-16)

HCl + NaOH = NaCl + H₂O

H⁺ + Cl^- + Na⁺ + OH^- = Na⁺ + Cl^- + H₂O

H⁺ + OH^- = H₂O.

б) Реакции с образованием малодиссоциирующих оснований (например, гидроксид аммония, К_Д(NH₄OH) = 1,76 × 10^-5)

NH₄Cl + NaOH = NH₄OH + NaCl

NH₄⁺ + Cl^- + Na⁺ + OH^- = NH₄OH + Na⁺ + Cl^-

NH₄⁺ + OH^- = NH₄OH.

в) Реакции с образованием малодиссоциированной уксусной кислоты (К_Д(CH₃COOH) = 1,86 × 10^-5)

2CH₃COONa + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + 2CH₃COOH

2CH₃COO^- + Na⁺ + 2H⁺ + SO₄^2- = 2Na⁺ + SO₄^2- + 2CH₃COOH

CH₃COO^- + H⁺ = CH₃COOH.

Образующиеся малодиссоциированные соединения связывают ионы реагирующих веществ, поэтому растворы становятся слабыми проводниками электрического тока.

г) Реакции с образованием комплексных ионов

2KI + HgI₂ = K₂[HgI₄]

2K⁺ + I^- + Hg²⁺ + 2I^- = 2K⁺ + [HgI₄]^2-

Hg²⁺ + 4I^- = [HgI₄]^2-.