2.2. Обменные реакции в растворах электролитов

Рассмотрим четыре типичных варианта обменных реакций в растворах электролитов, равновесие которых сильно смещено в сторону образования продуктов реакции.

Реакции, идущие с образованием слабого электролита. При нейтрализации любой сильной кислоты сильным основанием на каждый моль образующейся воды выделяется около 57,6 кДж теплоты.

НСl + NaOH = NaCl + H₂O + 57,53 кДж

HNO₃ + KOH = KNO₃ + H₂O + 57,61 кДж

Это говорит о том, что подобные реакции сводятся к одному процессу. Рассмотрим более подробно первую реакцию. Перепишем ее уравнение , записывая сильные электролиты в ионной форме, поскольку они существуют в растворе в виде ионов, а слабые – в молекулярной, поскольку они находятся в растворе преимущественно в виде молекул (вода – очень слабый электролит):

Н⁺ + Сl^- + Na⁺ + OH^- = Na⁺ + Cl^- + H₂O.

Мы видим, что в ходе реакции ионы Na⁺ и Cl^- не претерпели изменений, поэтому их можно исключить из обеих частей уравнения. Получим:

Н⁺ + ОН^- = Н₂О.

Таким образом, реакции нейтрализации любой сильной кислоты любым сильным основанием сводятся к одному и тому же процессу – к образованию молекул воды из ионов водорода и гидроксид-ионов. Понятно, что тепловые эффекты этих реакций тоже должны быть одинаковыми. Так как в результате реакции нейтрализации образуется слабый электролит – вода- реакция практически идет до конца.

Однако при нейтрализации сильной кислоты слабым основанием, слабой кислоты сильным или слабым основанием тепловые эффекты различны.

Рассмотрим реакцию нейтрализации слабой уксусной кислоты сильным основанием гидроксидом натрия:

СН₃СООН + NaOH = CH₃COONa + H₂O.

Здесь сильные электролиты NaOH и образующаяся соль NaCl, а слабые – уксусная кислота и вода:

СН₃СООН + Na⁺ + OH^- = CH₃COO^- + H₂O.

Не претерпевают изменений в ходе реакции только ионы натрия, поэтому, сократив их, получим ионно-молекулярное уравнение реакции:

СН₃СООН + ОН^- = СН₃СОО^- + Н₂О.

Нейтрализация сильной кислоты (азотной) слабым основанием (гидроксидом аммония) происходит по следующему уравнению реакции:

HNO₃ + NH₄OH = NH₄NO₃ + H₂O.

Здесь в виде ионов мы должны записать кислоту и образующуюся соль, а в виде молекул – гидроксид аммония и воду:

Н⁺ + NO₃^- + NH₄OH = NH₄⁺ + NO₃^- + H₂O.

Не претерпевают изменений ионы NO₃^- . Опуская их, получим ионно-молекулярное уравнение:

Н⁺ + NH₄OH = NH₄⁺ + H₂O.

Рассмотрим реакцию нейтрализации слабой кислоты (уксусной) слабым основанием (гидроксидом аммония):

СН₃СООН + NH₄OH = CH₃COONH₄ + H₂O.

В этой реакции все вещества, кроме образующейся соли, - слабые электролиты. Поэтому ионно-молекулярное уравнение имеет вид:

СН₃СООН + NH₄OH = NH₄⁺ + CH₃COO^- + H₂O.

Сравнивая между собой полученные ионно-молекулярные уравнения, видим, что все они различны. Поэтому неодинаковы и теплоты рассмотренных реакций.

Как уже указывалось, реакции нейтрализации сильных кислот сильными основаниями, в ходе которых ионы водорода и гидроксид-ионы соединяются в молекулу воды, протекают практически до конца. Реакции же нейтрализации, в которых хотя бы одно из исходных веществ – слабый электролит и при которых молекулы малодисоциированных веществ имеются не только в правой, но и в левой части ионно-молекулярного уравнения, протекают не до конца. Они доходят до состояния равновесия, при котором соль сосуществует с кислотой и основанием, от которых она образована. Поэтому уравнения подобных реакций правильнее записывать как обратимые реакции:

СН₃СООН + ОН^-  СН₃СОО^- + Н₂О,

Н⁺ + NH₄OH  NH₄⁺ + H₂O,

CH₃COOH + NH₄OH  CH₃COO^- + NH₄⁺ + H₂O.

Реакции, идущие с образованием осадка. При смешивании раствора какой-либо соли серебра с соляной кислотой или раствором любой ее соли всегда образуется характерный белый творожистый осадок хлорида серебра:

AgNO₃ + HCl = AgCl + HNO₃,

2 AgNO₃ + CuCl₂ = 2 AgCl + Cu(NO₃)₂

Подобные реакции также сводятся к одному процессу. Для того, чтобы получить его ионно-молекулярное уравнение, перепишем, например, уравнение первой реакции, записывая сильные электролиты в ионной форме, а вещество, выпадающее в осадок, в молекулярной:

Ag⁺ + NO₃^- + H⁺ + Cl^- = AgCl + H⁺ + NO₃^-.

Как видно, ионы Н⁺ и NO₃^- не претерпевают изменений в ходе реакции. Поэтому их можно исключить, и получится сокращенное ионно-молекуляное уравнение реакции:

Ag⁺ + Cl^- = AgCl.

Вследствие малой растворимости хлорида серебра данный процесс практически необратим, и реакция образования

AgCl из ионов практически доходит до конца.

При составлении ионно-молекулярных уравнений следует знать, какие соли растворимы в воде и какие практически нерастворимы. (Таблица растворимости).

Реакции, идущие с образованием газообразных веществ. При добавлении к раствору сульфита натрия кислоты выделяется газ – SO₂ - в соответствии с реакцией:

Na₂SO₃ + 2 HCl = 2 NaCl + SO₂ + H₂O.

В ионно-молекулярном и сокращенном ионно-молекулярном виде данную реакцию можно записать следующим образом:

2 Na⁺ + SO₃^2- + 2 H⁺ + 2Cl^- = 2 Na⁺ + 2 Cl^- + SO₂ + H₂O,

SO₃^2- + 2H⁺ = SO₂ + H₂O.

В данном случае образуется слабый электролит и газ. Оба продукта смещают равновесие вправо, т.е. реакция идет до конца.

На основании рассмотренных примеров можно сделать общий вывод.

Обязательным условием течения обменных реакций между электролитами является удаление из раствора тех или иных ионов вследствие образования слабо диссоциирующих веществ или веществ, выделяющихся из раствора в виде осадка или газа. Иначе говоря, реакции в растворах электролитов всегда идут в сторону образования наименее диссоциированных или наименее растворимых веществ.