Ионно-молекулярные (ионные) реакции обмена

Все многообразие химических превращений можно подразделить на реакции, протекающие без изменения степени окисления атомов элементов, входящих в состав реагентов и продуктов, и реакции, сопровождающиеся изменением степени окисления атомов элементов, входящих в состав реагентов и продуктов – окислительно-восстановительные реакции.

Реакции без изменения степени окисления атомов элементов наиболее часто протекают с участием ионов в растворах, поскольку исходными реагентами таких реакций являются электролиты.

Обменные ионно-молекулярные реакции с участием электролитов представляют собой процессы замещения одного иона другим одноименным ионом (катионом или анионом) в молекуле электролита. В этих реакциях ионы обладают существенно более высокой реакционной способностью по сравнению с молекулами, и поэтому скорость прямой и обратной реакций зависит от концентрации ионов, фигурирующих в левой и правой частях уравнения. Из сказанного следует, что основным фактором, влияющим на смещение равновесия в реакциях растворов электролитов, является изменение концентрации ионов, и обменные реакции преимущественно протекают в направлении образования из ионов молекулярных соединений: осадков, газов или слабых электролитов, что полностью соответствует принципу Ле-Шателье. Если ионы, фигурирующие в правой части уравнений реакций, объединяются между собой в молекулярные формы, их концентрация резко падает, что обеспечивает смещение равновесия в сторону образования таких ионов.

Ионно-молекулярные или ионные уравнения реакций обмена отражают состояние электролита в растворе. В этих уравнениях сильные растворимые электролиты полностью диссоциированы и поэтому записываются в виде ионов, а слабые электролиты, малорастворимые и газообразные вещества записываются в молекулярной форме.

Растворимость электролитов в насыщенном растворе определяется произведением растворимости ПР, представляющим собой произведение концентраций ионов (катиона и аниона), находящихся в равновесии с осадком вещества, образуемого этими ионами в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам при этих ионах. Так, для осадка , находящегося в равновесии с ионами и в растворе

произведение растворимости выражается равенством:

ПР .

Зная значение ПР, можно решать вопросы, связанные с образованием или растворением осадков в химических реакциях.

Важным количественным показателем, используемым при анализе ионных реакций, является водородный показатель рН, характеризующий концентрацию ионов водорода в водных растворах

(1)

При этом концентрация ионов водорода связана с ионным произведением воды К_w , вытекающим из ее обратимой диссоциации

(2)

Константа диссоциации в соответствии с уравнением (2) определяется как

(3)

Поскольку концентрации [H⁺] и [OH^–]пренебрежимо малы по сравнению с концентрацией воды, последнюю можно считать постоянной. Тогда уравнение (3) можно записать в виде

=(4)

где

Как всякая константа, К_W не зависит от концентрации Н⁺ и ОН^– в растворе. Так, если в воду добавить протонную кислоту, то концентрация ионов Н⁺ резко возрастет. Тогда равновесие (2) заметно сместится в левую сторону, что приведет к значительному снижению концентрации ионов ОН^–, но ионное произведение воды останется неизменным. Таким образом, в водных растворах концентрации Н⁺ и ОН^– в условиях постоянства температуры взаимно связаны между собой: зная концентрацию одного из них, можно определить концентрацию другого, пользуясь выражением (4).

При обычной температуре =10^–14. Поэтому в нейтральном растворе ==^0,5=10^–7 моль/л и рН в соответствии с выражением (1) равен 7.