5.2. Реакции обмена в растворах электролитов, в том числе гидролиз

Рекомендуемая литература: [1], гл. 8, § 8.8, § 8.11, § 8.12; [2], гл.8, §8.4, § 8.6; [3], гл.8, § 6.7, § 10; [4], гл. 9, 10; [5], VII, § 5

В растворах электролитов химические реакции сводятся к взаимодействию между противоположно заряженными ионами, образовавшимися при электролитической диссоциации, или между ионами и молекулами. Многие из таких реакций обратимы. Существенным фактором, влияющим на смещение равновесия в реакциях, проходящих в растворах электролитов, является изменение концентрации взаимодействующих ионов.

Обменные реакции в растворах электролитов протекают только в том случае, если все ионы или их часть связываются и выводятся из сферы взаимодействия. Это имеет место, если образуется слабый электролит, в том числе нерастворимое вещество или газ. Если слабые электролиты есть и среди реагентов, и среди продуктов, то возможно протекание реакции в прямом и в обратном направлениях, поэтому такая реакция является обратимой. Эти условия соответствуют принципу Ле-Шателье: ионы и продукты реакции выводятся из реакционной системы, и система постоянно компенсирует их удаление из среды путём смещения равновесия в сторону их образования.

Уравнения, с помощью которых раскрывается механизм реакций в растворах электролитов, получили название ионно-молекулярных уравнений. Для написания ионно-молекулярных уравнений для всех видов реакций обмена, кроме гидролиза, необходимо:

1. Написать полное уравнение реакции в молекулярном виде и расставить стехиометрические коэффициенты.

2. Провести анализ исходных веществ и продуктов реакции по их растворимости и силе электролитов и указать это для конкретных веществ: с. – сильный электролит, сл. – слабый электролит, н.р. – нерастворимое вещество, н.э. – неэлектролит. При этом используют таблицу растворимости (табл. 5, приложение) и таблицу классификации электролитов (табл. 1, приложение).

3. Написать полное ионно-молекулярное уравнение, в котором в виде ионов пишутся только сильные электролиты, а слабые электролиты (малорастворимые соединения, газы, малодиссоциирующие вещества) и неэлектролиты пишутся в виде молекул. Слабые электролиты дают невысокие концентрации ионов, и их влияние на скорость реакции незначительно.

4. На основании полного уравнения написать краткое молекулярно- ионное уравнение, исключив в правой и левой части уравнения одинаковые ионы в равных количествах. Именно краткое уравнение отражает механизм и причину прохождения той или иной реакции.

Пример: полное молекулярное уравнение между AgNO₃ и NaCl:

AgNO₃ + NaCl = AgCl ↓ + NaNO₃.

с. (р.) с. (р.) сл. (н. р.) с. (р.)

Полное молекулярно- ионное уравнение:

Ag⁺ + NO₃⁻ + Na⁺ + Cl⁻ = AgCl ↓ + Na⁺ + NO₃⁻.

Ионы Na⁺ и NO₃⁻ не связываются в ходе реакции, поэтому их можно исключить.

Краткое молекулярно- ионное уравнение:

Ag⁺ + Cl⁻ = AgCl ↓.

Из этого уравнения следует, что в растворах AgNO₃ и NaCl взаимодействие идёт только между ионами серебра и хлорид-ионами, в результате чего образуется осадок AgCl. При этом не имеет значения, в состав каких электролитов входили эти ионы до их взаимодействия. Краткие молекулярно-ионные уравнения объединяют в одно уравнение целый ряд однотипных химических реакций.

Рассматриваемая реакция является качественной. Это означает, что с помощью ионов серебра можно обнаружить присутствие ионов хлора и, наоборот, с помощью хлорид-ионов – присутствие ионов серебра.

Реакции, в которых молекулы малодиссоциирующих веществ имеются не только среди продуктов, но и среди реагентов, протекают не до конца. Они доходят до состояния равновесия. Поэтому уравнения подобных реакций правильнее записывать как обратимые реакции.

Пример:

нейтрализация

Zn(OH)₂ + 2 HCl ZnCl₂ + 2 H₂O.

сл. эл.(н.р.) с.эл. с. эл. сл. эл.

гидролиз

Zn(OH)₂ + 2 H⁺ + 2 Cl⁻ Zn²⁺ + 2 Cl⁻ + 2 H₂O.

Zn(OH)₂ + 2 H⁺ Zn²⁺ + 2 H₂O

сл. эл. сл. эл.

Краткое ионно-молекулярное уравнение показывает, что Zn(OH)₂ растворился благодаря его реакции с протоном, которая привела к образованию более слабого электролита – воды. Надо иметь в виду, что для реакций в растворах хотя бы один из реагентов должен быть сильным электролитом, при диссоциации которого образуются достаточно высокие концентрации ионов, так как без этого реакция не возможна.