4. Реакции ионного обмена.

Реакции ионного обмена – это реакции связывания ионов, завершающиеся образованимем неэлектролита (например, летучего соединения), труднорастворимого или любого слабодиссоциирующего соединения. Поэтому , записывая уравнение реакции ионного обмена, необходимо рассматривать состояние каждого соединения в растворе, а именно: сильные электролиты должны быть представлены в виде ионов (как они есть), а слабые электролиты и неэлектролиты – в молекулярной форме. Уравнение реакции ионного обмена, отражающее состояние электролитов в растворе, называется ионно-молекулярным уравнением.

При оформлении любой реакции ионного обмена, протекающей в растворе, необходимо записать 3 уравнения: молекулярное уравнение, развёрнутое ионно-молекулярное уравнение и сокращённое ионно- молекулярное уравнение. Подробнее о правилах оформления уравнений реакций ионного обмена см. в пособии: «Методические указания к контрольной работе №4: растворы электролитов».

Реакции ионного обмена обратимы, т.к. в них или прямой процесс, или обратный, или оба вместе протекают с участием слабых электролитов. Поэтому для них справедливы все положения химической термодинамики, касающиеся направления процессов в обратимых реакциях, а именно, самопроизвольное протекание процесса в обратимой реакции возможно только в направлении уменьшения энергии Гиббса, т.е. в направлении, для которого выполняется условие: G0.

Как известно, стандартная энергия Гиббса G_T⁰ реакции связана с величиной константы равновесия обратимой химической реакции Кс соотношением: G_T⁰ = - 2,3RTlgKc. Поэтому условие G_T⁰ 0 выполняется при Кс1, т.е., если реагенты и продукты реакции ионного обмена находятся в стандартном состоянии, самопроизвольно протекает прямая реакция при Кс1 и обратная – при Кс1. Таким образом, величина Кс может служить оценочным критерием для определения направления преимущественного протекания процесса в обратимой реакции ионного обмена. Очевидно, что при Кс1 реакция ионного обмена протекает практически только в прямом направлении, а при Кс1 – только в обратном направлении.

Величину Кс реакции ионного обмена можно рассчитать через константы диссоциации слабодиссоциирующих электролитов по формуле:

Кс = ПКисх/ПКпрод (4.1)

где ПКисх – произведение констант диссоциации исходных слабодиссоциирующих электролитов, ПКпрод – то же для слабодиссоциирующих продуктов реакции.

Пример 4.1. Вычисление Кс и определение направления преимущественного протекания процесса в реакции ионного обмена: H₂SO₃ + 2NH₄OH = (NH₄)₂SO₃ + 2H₂O.

Исходя из силы исходных и образующихся электролитов (см. п. 2), записываем ионно-молекулярное уравнение реакции: H₂SO₃ + 2NH₄OH = 2NH₄⁺ + SO₃ ^2- + 2H₂O. По формуле (4.1) вычисляем значение константы равновесия реакции, пользуясь табличными значениями констант диссоциации (см приложение 1):

Кс = К(H₂SO₃)К²(NH₄OH)/К²(H₂O) = 9,9210^-10(1,810^-5)²/(10^-14)² = 3,210^-19/10^-28 = 3,210⁹1. Полученный результат указывает на то, что рассматриваемая реакция ионного обмена практически протекает только в прямом направлении.