№30. Реакции ионного обмена: условия необратимости и ионные уравнения
Задание №30 проверяет ионный обмен: из перечня веществ нужно выбрать пару, которая реагирует до конца, и записать три уравнения — молекулярное, полное ионное и сокращённое ионное. Балл дают за все элементы ответа, поэтому важно и верно выбрать вещества, и аккуратно сократить одинаковые ионы.
Начнём с нуля. Реакция ионного обмена — это обмен ионами между двумя электролитами, при котором степени окисления элементов не меняются: электроны никуда не переходят, ионы просто меняются партнёрами. Так реагируют кислота с основанием, кислота с солью, основание с солью и соль с солью. Внешне всё выглядит скромно — растворы слили и размешали, — но суть процесса всегда описывает короткое сокращённое ионное уравнение.
AgNO3 + HCl → AgCl↓ (белый осадок) + HNO3
Главное правило: обмен идёт до конца только тогда, когда из раствора уходит хотя бы один вид ионов и обратная реакция становится невозможной. Причин такого ухода четыре: выпадает осадок, выделяется газ, образуется вода или другой слабый электролит (уксусная кислота, сероводород, гидроксид аммония). Если все продукты растворимы и диссоциируют полностью, реакция не идёт: в растворе остаются те же ионы, что были до сливания.
Ag^+ + Cl^− → AgCl↓ — ионы уходят из раствора в осадок
H^+ + OH^− → H2O — вода слабый электролит, поэтому среда нейтрализуется
2H^+ + CO3^2− → H2O + CO2↑ — выделяется газ, реакция идёт до конца
Теперь про три уравнения ответа. В молекулярном пишут формулы веществ и коэффициенты. В полном ионном сильные электролиты (растворимые соли, сильные кислоты, щёлочи) записывают в виде ионов, а слабые электролиты, газы, оксиды и осадки — молекулами. В сокращённом ионном убирают одинаковые ионы из левой и правой частей, и остаются только те частицы, которые действительно взаимодействуют. Например, для нейтрализации серной кислоты щёлочью полное ионное уравнение содержит ионы калия и сульфат-ионы, а сокращённое — только воду.
2KOH + H2SO4 → K2SO4 + 2H2O
H^+ + OH^− → H2O — сокращённое ионное: ионы калия и сульфат-ионы сокращены
| Частица | Растворимость | Что помнить |
|---|---|---|
| K^+, Na^+, NH4^+ | растворимы всегда | соли с этими катионами в осадок не выпадают |
| NO3^− | растворимы всегда | нитраты осадков не дают |
| Cl^− | растворимы | исключения: AgCl и PbCl2 — белые осадки |
| SO4^2− | растворимы | исключения: BaSO4, PbSO4, малорастворим CaSO4 |
| OH^− | растворимы только у щелочных металлов | Cu(OH)2 синий, Fe(OH)3 бурый, Mg(OH)2 белый |
| CO3^2−, SiO3^2−, PO4^3−, S^2− | нерастворимы | растворимы только с K, Na, NH4^+ |
| H2O, H2S, CH3COOH, NH3·H2O | слабые электролиты | если образуются, реакция точно идёт |
- Шаг 1. Переведи названия веществ из перечня в формулы и выпиши их столбиком — ошибка на этом шаге стоит всего балла.
- Шаг 2. Отметь растворимость каждого вещества: нерастворимые соли и основания (BaSO4, CaCO3) в обмене с растворами почти не участвуют.
- Шаг 3. Отбрось заведомо невозможные пары: соли с одинаковым катионом дают те же ионы, инертный газ (N2, He) и неионное соединение (PH3, CO2) в обмене не участвуют.
- Шаг 4. Для оставшихся пар выпиши предполагаемые продукты и проверь, есть ли среди них осадок, газ, вода или слабый электролит. Все продукты растворимы — реакции нет.
- Шаг 5. Запиши молекулярное уравнение и расставь коэффициенты.
- Шаг 6. Запиши полное ионное уравнение, затем сократи одинаковые ионы слева и справа — получится сокращённое ионное.
- Шаг 7. Проверь: сумма зарядов слева и справа совпадает, коэффициенты в сокращённом уравнении взаимно простые, слабые электролиты записаны молекулами.
Типичные ошибки. 1) Расписывают на ионы слабые электролиты, газы и осадки: H2S, CH3COOH, H2O, Cu(OH)2 в ионном уравнении пишут молекулами. 2) Забывают сократить одинаковые ионы и оставляют вместо сокращённого уравнения полное — элемент ответа не зачитывают. 3) Выбирают пару, у которой все продукты растворимы: например KNO3 и Na2SO4, реакции нет, а уравнение написано. 4) Не проверяют растворимость реагентов и «реагируют» нерастворимый BaSO4 с солями. 5) Путают ионный обмен с окислительно-восстановительной реакцией: KMnO4 с HCl или KI с H2SO4 дают не обмен, а изменение степеней окисления. 6) Считают, что вещества с общим катионом не реагируют никогда, и пропускают кислую соль со щёлочью: KHCO3 + KOH → K2CO3 + H2O — это настоящий ионный обмен.
Как оформляют ответ для эксперта. В бланке записывают строго три уравнения — молекулярное, полное ионное и сокращённое ионное, каждое с новой строки, с коэффициентами и знаками зарядов. Если выбрать вещества неверно, но уравнения составлены правильно, эксперт всё равно поставит ноль за выбор, поэтому первый элемент ответа — именно формулы выбранных веществ. Осадок и газ отмечают стрелками ↓ и ↑, а условие «реакция возможна» словами не пишут: это видно из самого уравнения.
Проверь себя
- Почему реакция между растворами KNO3 и Na2SO4 не идёт, хотя ионы в растворе есть?
- Что изменится, если к гидрокарбонату калия добавить избыток щёлочи, и почему пара с общим катионом всё-таки реагирует?
- Какие вещества в ионном уравнении записывают молекулами, а не ионами, и почему?
- Почему взаимодействие KMnO4 с HCl нельзя считать реакцией ионного обмена, хотя в ней тоже участвуют ионы?
- Как проверить правильность сокращённого ионного уравнения, не заглядывая в ответ?
Показательные решения
- В перечне пять веществ: KMnO4, HBr, KHCO3, Na2SO4, KNO3. Нужно найти единственную пару, которая вступает именно в ионный обмен, и записать для неё молекулярное, полное и сокращённое ионное уравнения.
- Проверяем соли между собой: KMnO4, KHCO3 и KNO3 имеют общий катион калия, а с сульфатом натрия все они дали бы только растворимые соединения — обмен не идёт.
- Остаётся бромоводород. С KMnO4 он даёт не обмен, а окислительно-восстановительную реакцию: марганец меняет степень окисления. С KNO3 реакции нет вовсе: KBr и HNO3 растворимы, азотная кислота — сильный электролит.
- Значит, работает пара KHCO3 и HBr: гидрокарбонат-ион — слабый электролит, а в продуктах появляются вода и углекислый газ, то есть ионы уходят из раствора.
- Записываем молекулярное уравнение KHCO3 + HBr → KBr + H2O + CO2↑; коэффициенты здесь все равны единице.
- Полное ионное: K^+ + HCO3^− + H^+ + Br^− → K^+ + Br^− + H2O + CO2↑. Ионы калия и брома слева и справа одинаковы, их сокращаем.
- Сокращённое ионное: HCO3^− + H^+ → H2O + CO2↑. Ответ: KHCO3 + HBr = KBr + H2O + CO2↑; K^+ + HCO3^− + H^+ + Br^− = K^+ + Br^− + H2O + CO2↑; HCO3^− + H^+ = H2O + CO2↑.
Ответ: Для начала запишем молекулярные формулы данных веществ: KMnO₄, HBr, KHCO₃, Na₂SO₄, KNO₃. Условия реакций ионного обмена (РИО). 1. Растворимость реагирующих веществ: — кислота + основание (растворим хотя бы 1 из реагентов); — кислота + соль (обязательно растворима должна быть кислота); — основание + соль (растворимы оба реагента); — соль + соль (должны быть обе растворимы). 2. В ходе реакции должны образоваться осадок, газ или вода. Перманганат калия, гидрокарбонат калия и нитрат калия — соли, не взаимодействующие между собой, так как имеют одинаковый катион калия. Не взаимодействуют с сульфатом натрия, так как образуются растворимые соединения. Остается рассмотреть лишь их взаимодействие с бромоводородом. При реакции перманганата (нитрата) калия с бромоводородом образуются растворимые бромид калия и марганцовая (азотная) кислота, то есть такая реакция не пойдет. Остается единственный правильный вариант: взаимодействие гидрокарбоната калия с бромоводородом. Ответ: KHCO₃ + HBr = KBr + H₂O + CO₂↑; K⁺ + HCO⁻ ₃ + H + + Br⁻ = K + + Br⁻ + H₂O + CO₂↑; HCO⁻ ₃ + H + = H₂O + CO₂↑.
Официальное решение из банка ФИПИ
Для начала запишем молекулярные формулы данных веществ: KMnO₄, HBr, KHCO₃, Na₂SO₄, KNO₃. Условия реакций ионного обмена (РИО). 1. Растворимость реагирующих веществ: — кислота + основание (растворим хотя бы 1 из реагентов); — кислота + соль (обязательно растворима должна быть кислота); — основание + соль (растворимы оба реагента); — соль + соль (должны быть обе растворимы). 2. В ходе реакции должны образоваться осадок, газ или вода. Перманганат калия, гидрокарбонат калия и нитрат калия — соли, не взаимодействующие между собой, так как имеют одинаковый катион калия. Не взаимодействуют с сульфатом натрия, так как образуются растворимые соединения. Остается рассмотреть лишь их взаимодействие с бромоводородом. При реакции перманганата (нитрата) калия с бромоводородом образуются растворимые бромид калия и марганцовая (азотная) кислота, то есть такая реакция не пойдет. Остается единственный правильный вариант: взаимодействие гидрокарбоната калия с бромоводородом. Ответ: KHCO₃ + HBr = KBr + H₂O + CO₂↑; K⁺ + HCO⁻ ₃ + H + + Br⁻ = K + + Br⁻ + H₂O + CO₂↑; HCO⁻ ₃ + H + = H₂O + CO₂↑.
- Даны HCl, AgNO3, KMnO4, H2O, HNO3. Ищем пару, которая даёт осадок, газ или воду, и записываем три уравнения.
- Выписываем ионы: HCl даёт H^+ и Cl^−, AgNO3 даёт Ag^+ и NO3^−. По таблице растворимости сочетание Ag^+ и Cl^− даёт нерастворимый AgCl.
- Отбрасываем остальные сочетания: HNO3 с HCl и с AgNO3 даёт только растворимые вещества, вода ионов не даёт, а KMnO4 с HCl — это окислительно-восстановительная реакция, а не обмен.
- Записываем молекулярное уравнение HCl + AgNO3 → HNO3 + AgCl↓; коэффициенты равны единице, осадок белый творожистый.
- Полное ионное: H^+ + Cl^− + Ag^+ + NO3^− → H^+ + NO3^− + AgCl↓. Ионы водорода и нитрат-ионы есть в обеих частях.
- Сокращаем одинаковые ионы и получаем суть реакции — связывание ионов серебра и хлорид-ионов.
- Сокращённое ионное: Ag^+ + Cl^− → AgCl↓. Ответ: HCl + AgNO3 = HNO3 + AgCl↓; H^+ + Cl^− + Ag^+ + NO3^− = H^+ + NO3^− + AgCl↓; Ag^+ + Cl^− = AgCl↓.
Ответ: Запишем молекулярные формулы данных веществ: HCl, AgNO₃, KMnO₄, H₂O, HNO₃. HCl + AgNO₃ = HNO₃ + AgCl↓; H + + Cl⁻ + Ag + + NO₃⁻ = H + + NO⁻ ₃ + AgCl↓; Ag + + Cl⁻ = AgCl↓.
Официальное решение из банка ФИПИ
Запишем молекулярные формулы данных веществ: HCl, AgNO₃, KMnO₄, H₂O, HNO₃. HCl + AgNO₃ = HNO₃ + AgCl↓; H + + Cl⁻ + Ag + + NO₃⁻ = H + + NO⁻ ₃ + AgCl↓; Ag + + Cl⁻ = AgCl↓.
- Даны KMnO4, KHCO3, Na2SO3, BaSO4, KOH. Переводим названия в формулы и сразу отмечаем: сульфат бария — нерастворимая соль, с растворами солей и щёлочью в обмен она не вступает.
- Соли с общим катионом калия (KMnO4 и KHCO3) между собой не реагируют, а с сульфитом натрия обе дают только растворимые продукты.
- Гидроксид калия с сульфитом натрия тоже не реагирует: и сульфит калия, и гидроксид натрия хорошо растворимы, ионы остаются в растворе.
- Остаётся пара KHCO3 и KOH: у них общий катион, но разные анионы, и гидрокарбонат-ион превращается в карбонат-ион и воду — слабый электролит уводит реакцию до конца.
- Молекулярное уравнение: KHCO3 + KOH → K2CO3 + H2O.
- Полное ионное: K^+ + HCO3^− + K^+ + OH^− → 2K^+ + CO3^2− + H2O. Ионы калия одинаковы слева и справа, их сокращаем.
- Сокращённое ионное: HCO3^− + OH^− → CO3^2− + H2O. Ответ: KHCO3 + KOH = K2CO3 + H2O; 2K^+ + HCO3^− + OH^− = 2K^+ + CO3^2− + H2O; HCO3^− + OH^− = CO3^2− + H2O.
Ответ: Для начала запишем молекулярные формулы данных веществ: KMnO₄, KHCO₃, Na₂SO₃, BaSO₄, KOH. Сульфат бария является нерастворимой солью, поэтому не будет вступать в реакцию с приведенными веществами. Перманганат калия не вступает в РИО с гидрокарбонатом калия и гидроксидом калия, так как имеют одинаковый катион. С сульфитом натрия реакция невозможна, так как образуются растворимые соли. Гидрокарбонат калия и гидроксид калия тоже имеют общий ион, но реакция между ними возможна с образованием средней соли карбоната калия и будет относиться к РИО. С сульфитом натрия реакция невозможна, так как образуются растворимые соли. Сульфит натрия не реагирует с гидроксидом калия по причине образования в ходе реакции растворимых веществ. Таким образом, вариант ответа только один: KHCO₃ + KOH = K₂CO₃ + H₂O; 2K + + HCO₃⁻ + OH⁻ = 2K + + CO₃²⁻ + H₂O; HCO₃⁻ + OH⁻ = CO₃²⁻ + H₂O.
Официальное решение из банка ФИПИ
Для начала запишем молекулярные формулы данных веществ: KMnO₄, KHCO₃, Na₂SO₃, BaSO₄, KOH. Сульфат бария является нерастворимой солью, поэтому не будет вступать в реакцию с приведенными веществами. Перманганат калия не вступает в РИО с гидрокарбонатом калия и гидроксидом калия, так как имеют одинаковый катион. С сульфитом натрия реакция невозможна, так как образуются растворимые соли. Гидрокарбонат калия и гидроксид калия тоже имеют общий ион, но реакция между ними возможна с образованием средней соли карбоната калия и будет относиться к РИО. С сульфитом натрия реакция невозможна, так как образуются растворимые соли. Сульфит натрия не реагирует с гидроксидом калия по причине образования в ходе реакции растворимых веществ. Таким образом, вариант ответа только один: KHCO₃ + KOH = K₂CO₃ + H₂O; 2K + + HCO₃⁻ + OH⁻ = 2K + + CO₃²⁻ + H₂O; HCO₃⁻ + OH⁻ = CO₃²⁻ + H₂O.