Ионно-молекулярные равновесия

Реакции в растворах электролитов протекают между ионами растворённых веществ. Рассмотрим реакции двойного обмена. Любой электролит в результате электролитической диссоциации образует анионы и катионы, поэтому вне зависимости от того, имеются или не имеются ионы в веществе, условно электролиты можно представить состоящими из анионов и катионов. В реакциях двойного обмена происходит обмен ионами между взаимодействующими веществами (рис. 4.5).

Рис. 4.5 – Реакции двойного обмена

Решить вопрос о возможности протекания практически необратимых реакций двойного обмена и понять их сущность позволяют ионно-молекулярные реакции.

Правила составления уравнений ионно-молекулярных реакций

1. Составляется молекулярное уравнение реакции. Формулы веществ записываются в соответствии с правилом валентности. Рассчитываются (если необходимо) коэффициенты в соответствии с законом сохранения массы веществ.

2. Составляется полное ионно-молекулярное уравнение. В молекулярной форме следует записывать малорастворимые и газообразные вещества, а также слабые электролиты (табл. 4.4, 4.5). Все эти вещества или не образуют в растворах ионов, или образуют их очень мало. В виде ионов записывают сильные кислоты и основания, а также растворимые соли. Эти электролиты существуют в растворе в виде ионов, но не молекул.

3. Составляется сокращённое ионно-молекулярное уравнение. Ионы, которые в ходе реакции не изменяются, сокращаются. Полученное уравнение показывает суть реакции.

Таблица 4.5

Растворимость солей кислот и оснований в воде

Катион

H+

K+, Na+

NH4+

Mg2+

Ca2+

Cu2+

Zn2+

Mn2+

Fe2+

Fe3+

AI3+

Ва2+

Анион

OH-

Р

Р

Н

М

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Р

CI-

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

NO3-

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

S2-

Р

Р

Р

─

─

Н

Н

Н

Н

Н

─

─

SO32-

Р

Р

Р

М

М

─

М

Н

М

─

─

Н

SO42-

Р

Р

Р

Р

М

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Н

CO32-

Р

Р

Р

М

Н

Н

Н

─

Н

─

─

Н

HCO3–

Р

Р

Р

Р

Р

─

─

─

Р

Р

Р

Р

SiO32-

Н

Р

Р

Н

Н

Н

Н

─

Н

Н

Н

Н

РО43─

Р

Р

─

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Примечание. Р ─ растворимое вещество, М ─ малорастворимое,

Н ─ нерастворимое, «─» ─ разлагается водой

В качестве примера решим вопрос о том, в каком случае произойдет химическое взаимодействие: если к раствору хлорида кальция добавить раствор нитрата натрия или сульфата натрия? Ответ подтвердите, написав ионно-молекулярные реакции.

Запишем молекулярные уравнения предполагаемых реакций, указав растворимость всех участников реакции ( Р – растворимое, Н – нерастворимое ). Все растворимые соли являются сильными электролитами.

CaCl₂ + 2NaNO₃ → Ca(NO₃)₂ + 2NaCl; CaCl₂ + Na₂SO₄ → CaSO₄↓ + 2NaCl.

Р Р Р Р Р Р Н Р

В соответствии с правилами написания ионно-молекулярных уравнений сильные, растворимые электролиты запишем в виде ионов, а слабые или нерастворимые – в виде молекул.

Ca²⁺ + 2Cl^‾ + 2Na⁺ + 2NO₃^‾ → Ca²⁺ + 2NO₃^‾ + 2Na⁺ + 2Cl‾;

Ca²⁺ + 2Cl^‾ + 2Na⁺ + SO₄ ^2‾ → CaSO₄ ↓ + 2Na⁺ + 2Cl^‾.

В первом случае все ионы сокращаются, а во втором – сокращенное ионно-молекулярное уравнение имеет вид: Ca²⁺ + SO₄^2‾ → CaSO₄ ↓, т.е. в данном случае имеет место химическое взаимодействие с образованием малорастворимого вещества. Данная реакция является практически необратимой, т.к. в обратном направлении, т.е. в сторону растворения осадка, она протекает в очень незначительной степени (рис. 4.6).

Рассмотрим реакции, приводящие к образованию слабого электролита и газа (рис. 4.7).

NH₄Cl + KOH → NH₄OH + KCl,

NH₄⁺ + Cl¯ + K⁺ + OH¯ → NH₄OH + K⁺ + Cl¯,

NH₄⁺ + OH¯ → NH₄OH.

Na₂CO₃ + 2 HCl → 2 NaCl + H₂CO₃ (H₂O + CO₂↑),

2 Na⁺ + CO₃²¯ + 2 H⁺ + 2 Cl → 2 Na⁺ + 2 Cl¯ + H₂O + CO₂↑,

2 H⁺ + CO₃²¯ → H₂O + CO₂↑.

Рис. 4.6 – Практически необратимая реакция двойного обмена с образованием осадка

Рис. 4.7 – Практически необратимые реакции двойного обмена

с образованием слабого электролита и газа

Если малорастворимые или малодиссоциирующие вещества есть и среди исходных веществ и среди продуктов реакции, то ионно-молекулярное равновесие смещается в сторону менее диссоциирующего или менее растворимого электролита.

СН₃СООН + NaOH ↔ CH₃COONa + H₂O,

СН₃СООН + Na ⁺ + OH¯ ↔ СН₃СОО¯ +Na⁺ + H₂O,

СН₃СООН + OH¯ ↔ СН₃СОО¯ + H₂O.

слабая кислота слабый электролит

Константа диссоциации уксусной кислоты равна около 10^–5 , а воды около 10^–16 , т.е. вода является более слабым электролитом и равновесие смещено в сторону образования продуктов реакции.

На смещении ионно-молекулярного равновесия основано растворение малорастворимого гидроксида магния при добавлении порциями раствора хлорида аммония:

Mg(OH)₂ + 2 NH₄Cl ↔ MgCl₂ + 2 NH₄OH,

Mg(OH)₂ + 2 NH₄⁺ + 2 Cl¯ ↔ Mg²⁺ + 2 Cl¯ + 2 NH₄OH,

Mg(OH)₂ + 2 NH₄⁺ ↔ Mg²⁺ + 2 NH₄OH.

Введение дополнительных порций иона NH₄⁺ смещает равновесие в сторону продуктов реакции.