9. Ионные процессы
При смешивании растворов различных электролитов находящиеся в них ионы противоположного заряда могут ассоциироваться в молекулы, комплексы или кристаллы нового вещества. Такие реакции, осуществляемые в результате обмена ионами между различными электролитами, называют реакциями ионного обмена. Эти процессы самопроизвольны, т. к. характеризуются убылью энергии Гиббса.
Различают следующие типичные случаи реакций ионного обмена.
1. Образование осадка. Пример реакции с образованием осадка (малорастворимого вещества):
NaCl + AgNO3 AgCl + NaNO3 – уравнение реакции в общем виде;
Na+ + Cl– + Ag+ + NO3– AgCl + Na+ + NO3– – полное ионное уравнение.
При сокращении одинаковых формул в полном ионном уравнении получается:
Cl– + Ag+ AgCl – сокращенное ионное уравнение.
Константа диссоциации малорастворимого электролита выражается отношением произведения концентраций ионов, находящихся в растворе к концентрации твердого вещества (в осадке). Т. к. концентрация твердого вещества – величина постоянная, равновесие в насыщенном растворе малорастворимого электролита выражается произведением концентраций его ионов в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам, называемым произведением растворимости ПР.
Если AmBn – слабый электролит, то
AmBn = mAn– + nВm+, Кд = ([An–]m[Bm+]n)/[AmBn].
Так как [AmBn] = const., то Кд[AmBn] = ПР = [An–]m[Bm+]n = const.
Условия выпадения осадка. Если ПР меньше произведения концентраций ионов электролита, находящихся в растворе (ионного произведения ИП), наблюдается образование осадка.
ПР можно вычислить, зная изменение энергии Гиббса процесса:
G = – R T lnПР.
В общем случае для осадка состава AmBn произведение растворимости и растворимость s связаны уравнениями:
;
ПР = sm+nmmnn.
Реакции осаждения лежат в основе метода осаждения, который широко применяют в количественном анализе веществ.
Пользуясь величинами произведений растворимости минералов и зная содержание в природном растворе одних ионов, можно ориентировочно определить концентрацию других, что важно для объяснения образования минералов в различных системах.
Ученые, изучающие биологическую эволюцию, считают, что различная растворимость природных соединений элементов в воде оказала большое влияние на их содержание в живых организмах.
Между растворимостью соединений в воде и токсическим действием ряда ионов имеется тесная взаимосвязь. Например, введение ионов алюминия в организм вследствие образования малорастворимого фосфата алюминия приводит к рахиту.
2. Образование легколетучего вещества (газа). Пример:
Na2S + H2SO4 Na2SO4 + H2S;
S2– + 2H+ H2S.
3. Образование слабого электролита. Примеры:
KOH + HNO3 KNO3 + H2O; ОН– + Н+ Н2О;
CH3COONa + HCl CH3COOH + NaCl; CH3COO– + H+ CH3COOH.
4. Образование комплексного иона. Пример:
FeCl3 + 6KCN K3[Fe(CN)6] + 3KCl; Fe3+ + 6CN– [Fe(CN)6]3–.
Условия протекания реакций ионного обмена в водных растворах описываются правилом Бертолле: Реакции ионного обмена в водных растворах электролитов идут практически необратимо, если хотя бы один из продуктов реакции получается в виде осадка, газа или слабого электролита.