Jonowo-molekulame równania reakcji
Jak już uczyliście się w klasie 8, reakcje wymiany między solami, kwasami i zasadami w roztworach zachodzą pod warunkiem, że w wyniku reakcji:
• powstanie woda;
• wytrąci się osad (substancja nierozpuszczalna w wodzie);
• wydzieli się gaz.
Zbadajmy, w jaki sposób zachodzą reakcje wymiany między roztworami elektrolitów, z pozycji teorii dysocjacji elektrolitycznej. W tym celu układa się równania jonowo-molekularne'. w molekularnym równaniu reakcji wzory elektrolitów mocnych zamienia sią na wzory jonów, na które dysocjują te elektrolity, a inne substancje (osady, gazy, elektrolity słabe i tlenki) -zostawia się w postaci molekularnej.
Ułóżmy równanie jonowo-molekularne reakcji zobojętnienia kwasu solnego wodorotlenkiem sodu. Na początku zapiszmy równanie molekularne tej reakcji:
Reagenty i jeden z produktów reakcji - to elektrolity mocne. W roztworze wodnym znajdują się one wyjątkowo w postaci jonów, a woda na jony prawie nie dysocjuje. Biorąc to pod uwagę, zamieniamy wzory elektrolitów mocnych na wzory jonów:
Taki zapis nazywamy pełnym równaniem jonowo-molekularnym reakcji. Są w nim zapisane wszystkie cząsteczki, które realnie znajdują się w roztworze. Z tego równania widać, że jony Cl i Na+ w reakcji nie biorą udziału - są one zapisane i w lewej, i w prawej części równania, dlatego można je pominąć (skrócić):
Otrzymaliśmy skrócone równanie reakcji jonowo-molekularnej. Pokazuje ono chemiczną istotę tej reakcji: jeżeli w roztworze jednocześnie są obecne jony H+ i OH-, oddziaływują one wzajemnie na siebie, tworząc słaby elektrolit - wodę.
W taki sposób można ułożyć równania jonowo-molekularne dla dowolnej reakcji w roztworze. Takie równania odzwierciedlają realny proces, który zachodzi w roztworze, ponieważ część jonów nie bierze udziału w reakcji.
Reakcje wymiany z powstaniem wody
Układamy równanie jonowo-molekularne reakcji kwasu siarkowego z wodorotlenkiem potasu. Zwróćcie uwagę, że trzeba brać pod uwagę współczynniki stechiometryczne:
Jak widać, pełne równanie jonowo-molekularne tej reakcji odróżnia się od równania, ułożonego w poprzednim podrozdziale. Ale skrócone równanie jonowo-molekularne jest takie samo, jak dla reakcji kwasu solnego z wodorotlenkiem sodu.
Obie te reakcje są reakcjami zobojętnienia. Tak więc, chemiczna istota reakcji zobojętnienia polega na związaniu jonów H+ i OH w molekułę słabego elektrolitu - wody.
Rozpatrzmy jeszcze przykłady oddziaływania wodorotlenków z kwasami.
Reakcja między kwasem siarkowym i nierozpuszczalnym wodorotlenkiem miedzi(II):
Oddziaływanie między słabym kwasem siarkowodorowym i wodorotlenkiem potasu:
Zwróćcie uwagę, że w tych równaniach wzory słabych elektrolitów (Cu(OH)2 Ta H2S) pozostawiliśmy w postaci molekularnej, ponieważ one prawie nie dysocjują na jony w roztworze.
Reakcje wymiany z powstaniem osadu
Rozpatrzmy reakcję wymiany między rozpuszczalnymi solami:
Obydwa reagenty i chlorek sodu - to elektrolity mocne, podczas rozpuszczania w wodzie całkowicie ulegają dysocjacji, a siarczan baru -jest nierozpuszczalny:
Skrócone równanie jonowo-molekularne otrzymujemy po wyodrębnieniu jednakowych jonów w lewej i prawej części:
Tak więc, sedno procesu polega na oddziaływaniu baru i jonów siarczanowych z wytrąceniem osadu siarczanu baru.
Jeżeli w procesie zmieszania roztworów dwóch soli rozpuszczalnych osad się nie utworzy, to reakcja nie zachodzi. Na przykład, podczas mieszania roztworów chlorku potasu i siarczanu magnezu żadne widoczne zmiany nie zachodzą. Zapiszemy równanie tej reakcji wymiany:
Wszystkie substancje - to elektrolity mocne:
Widzimy, że lewa i prawa części równania są jednakowe, czyli utworzony roztwór zawiera wszystkie jony, które były w roztworach reagentów.
Jest rzeczą jasną, że w tym przypadku żadne jony wzajemnie się nie łączą, nie zachodzą zmiany w roztworze. Oznacza to, że reakcja jest niemożliwa:
Reakcje wymiany w wydzieleniem gazu
Substancje gazowe, które wydzielają się w reakcjach wymiany, najczęściej są nieelektrolitami albo słabymi elektrolitami. Dlatego podczas układania równań jonowo-molekularnych ich wzory zostawiamy w formie molekularnej.
Rozpatrzymy reakcję siarczku sodu z kwasem solnym:
Siarkowodór chociaż jest również kwasem, ale bardzo słabym. Ponadto siarkowodór źle rozpuszcza się w wodzie, dlatego w przypadku utworzenia wydziela się z roztworu pod postacią gazu, o czym świadczy pojawienie się specyficznego zapachu siarkowodoru - zapachu zgniłych jajek. Równanie jonowo-molekularne tej reakcji jest następujące:
Reakcje wymiany mogą zachodzić nawet między solami nierozpuszczalnymi w wodzie, jeżeli są utworzone przez słabe kwasy: węglany, siarczyny i niektóre siarczki. Jest to możliwe dlatego, że kwas mocny wypycha słaby z jego soli, nawet z osadu.
Ułóżmy równanie oddziaływania węglanu wapnia z kwasem solnym:
We wszystkich przypadkach w wyniku reakcji wymiany niektóre jony łączą się między sobą, przy czym tworzą się nieelektrolity (gazy) oraz słabe elektrolity (woda lub substancje nierozpuszczalne).
Reakcje wymiany jonowej zachodzą w roztworach, jeżeli w wyniku reakcji tworzy się słaby elektrolit albo nieelektrolit.
Odtworzenie równań molekularnych
przy pomocy skróconego równania jonowo-molekularnego
Często spotykamy się z sytuacją, kiedy znamy tylko skrócone równanie jonowo-molekularne, a trzeba określić reagenty i ułożyć równanie w formie molekularnej.
Na przykład, musimy wykonać reakcję chemiczną, której odpowiada poniższe równanie jonowo-molekularne:
Aby odtworzyć równanie molekularne musimy przypomnieć sobie substancje, podczas dysocjacji których tworzą się jony z podanego równania skróconego. Jony siarczkowe S2- tworzą sią podczas dysocjacji siarczków rozpuszczalnych: Na2S, K2S i BaS.
Drugi reagent ma dysocjować z powstaniem jonów H+. Temu warunkowi odpowiada dowolny kwas mocny. Tak więc, jeden z wariantów równania molekularnego to:
Oczywiście, że jest to nie jedyny możliwy wariant. Dlatego jednemu skróconemu równaniu jonowo-molekularnemu może odpowiadać kilka molekularnych. Taka umiejętność określania reagentów będzie dla was pomocna podczas wykonania doświadczeń laboratoryjnych.
Reakcje wymiany jonowej w roztworach zachodzą do końca w stronę wiązania jonów, kiedy jeden z produktów reakcji zostaje wyodrębniony ze środowiska reakcyjnego. Rozpatrzmy reakcję między roztworami chlorku sodu i kwasu siarkowego:
Ponieważ wszystkie reagenty i produkty reakcji są dobrze rozpuszczalne oraz są mocnymi elektrolitami, to w roztworach rozcieńczonych ta reakcja nie zajdzie. Ale jeżeli reakcję przeprowadzić w warunkach niedoboru rozpuszczalnika, czyli użyć chlorku sodu nie w formie roztworu, to reakcja jest niemożliwa. Chlorowodór, chociaż dobrze rozpuszcza się w wodzie, ale w sposób ograniczony:
DOŚWIADCZENIA LABORATORYJNE nr 4-6
Wyposażenie: statyw z probówkami, pipetki, łopatka.
Reaktywy: roztwór CaCl2, Ca(N03)2, Na2C03, NaCl, KNOg, NaOH, fenoloftaleina, HC1, proszek CaCOg.
Zasady bezpieczeństwa:
• do doświadczeń wykorzystujcie niewielkie ilości reaktywów;
• uważajcie, żeby reaktywy nie trafiły na skórę, w oczy; w przypadku dostania się substancji żrącej zmyjcie ją obfitą ilością wody.
Reakcje wymiany między elektrolitami w roztworach wodnych,
którym towarzyszy wytrącanie się osadu
1. Do pierwszej probówki nalejcie roztwór chlorku wapnia o objętości 1 ml, do drugiej - taką samą ilość roztworu azotanu wapnia. Do obu probówek dodajcie po 1 ml roztworu węglanu sodu. Co zaobserwujecie?
Ułóżcie molekularne i jonowo-mołekularne równania reakcji. Czy można stwierdzić, że w obu przypadkach zachodzi jedna i ta sama reakcja?
2. Do roztworu chlorku sodu o objętości 1 ml dolejcie taką samą ilość roztworu azotanu potasu. Czy zauważyliście jakieś zmiany? Dlaczego w tym przypadku reakcja jest niemożliwa? Jak można to udowodnić, wykorzystując pełne jonowo-molekularne równanie reakcji? Jakie jony są obecne w utworzonym roztworze?
Reakcje wymiany między elektrolitami w roztworach wodnych,
którym towarzyszy wydzielenie się gazu
Do pierwszej probówki nalejcie roztwór węglanu sodu o objętości 1 ml, do drugiej probówki wsypcie łopatką niewielką ilość węglanu wapnia (na końcu łopatki). Do obu probówek ostrożnie dolejcie kwas solny o objętości 1 ml. Co zachodzi?
Ułóżcie molekularne i jonowo-molekularne równania rekcji. Czy można stwierdzić, że w obu przypadkach zaszła ta sama reakcja?
Reakcje wymiany między elektrolitami w roztworach wodnych,
którym towarzyszy powstanie wody
Nalejcie do probówki 1 ml roztworu wodorotlenku sodu, dodajcie kilka kropli fenoloftaleiny. Jakie jest zabarwienie roztworu?
Dodawajcie kwas solny po kropli do pełnego zniknięcia zabarwienia.
Ułóżcie molekularne i jonowo-molekularne równania reakcji.
Myśl główna
Reakcje wymiany między roztworami elektrolitów zachodzą, jeżeli w wyniku reakcji tworzy się słaby elektrolit (woda albo substancja nierozpuszczalna) albo nieelektrolit (gaz).
Pytania kontrolne
146. W jakich warunkach zachodzą reakcje wymiany jonowej w roztworze? Podajcie po jednym przykładzie dla każdego przypadku.
147. Jakie reakcje nazywamy reakcjami zobojętnienia?
Zadania utrwalające wiedzę
148. Ułóżcie molekularne i jonowo-molekularne równania dla schematów:
149. Podajcie po dwa przykłady molekularnych równań reakcji, które odpowiadają następującym skróconym jonowo-molekularnym równaniom:
150. Podajcie po jednym równaniu reakcji, które odpowiada każdemu schematowi przekształceń. Ułóżcie molekularne i jonowo-molekularne równania.
151. Podajcie przykład soli rozpuszczalnej w wodzie, podczas oddziaływania której zarówno z siarczanem potasu, jak i z azotanem(l) srebra utworzy się osad. Ułóżcie równania tych reakcji w postaci molekularnej i jonowo-mo-lekularnej.
152. Nazwijcie dwa roztwory soli różnych kwasów w wodzie, podczas oddziaływania których z mocnym kwasem wydzielają się produkty gazowe.
153. Uzupełnijcie równania reakcji, ułóżcie równania jonowo-molekularne.
154. Z podanego spisu wypiszcie wzory substancji, z którymi oddziaływuje wodorotlenek potasu w roztworze wodnym. Ułóżcie molekularne i jonowo-molekularne równania reakcji. HCI, NaN03, Ca(OH)2, MgCI2.
155. Z podanego spisu wypiszcie wzory soli, które oddziaływują z kwasem solnym. Ułóżcie molekularne i jonowo-molekularne równania reakcji.
KBr, AgN03, CaC03, MgS04.
156. Do roztworu azotanu(l) srebra o masie 200 g z cząstką masową soli 0,85 % dodawano kwas solny do zaprzestania wytrącania się osadu. Obliczcie masę osadu, który się utworzył.
157. Do roztworu, który zawiera mieszaninę siarczynu potasu i chlorku sodu, najpierw dodano roztwór kwasu solnego do zaprzestania wydzielania się gazu, a potem - roztwór azotanu(l) srebra. Jakie jony pozostały w roztworze? Odpowiedź podtwierdźcie równaniami reakcji.
158. Do kwasu solnego dodawano węglan wapnia do zaprzestania wydzielania się gazu. W rezultacie tworzy się roztwór chlorku wapnia o masie 500 g z masą cząsteczkową soli 0,333 %. Obliczcie masę chlorowodoru w roztworze początkowym.
PRACA PRAKTYCZNA nr 1
Reakcje wymiany jonowej między elektrolitami w rotworach wodnych
Wyposażenie: statyw z probówkami, pipetki.
Reaktywy: HC1, roztwory Na2C03, KC1, CaCl2, BaCl2, MgCl2, KBr, KI, KgP04, Na2S04, Na2S03, AgN03, H2S04, NaOH, lakmus albo oranż metylowy.
Zasady bezpieczeństwa:
• do doświadczeń wykorzystujcie niewielkie ilości substancji;
• uważajcie, żeby substancje nie trafiły na skórę, w oczy; w przypadku dostania się substancji żrącej zmyjcie ją obfitą ilością wody;
• aby określić zapach substancji nie podnoście probówki do twarzy, a skierujcie powietrze ruchami rąk do siebie.
Doświadczenie 1. Do dwóch probówek nalejcie po 1 ml roztworu węglanu sodu. Do pierwszej probówki dolejcie kilka kropli kwasu solnego, a do drugiej - 1 ml roztworu chlorku wapnia. Jakie zmiany zaobserwujecie? Czy te reakcje są odwracalne, czy nieodwracalne? Ułóżcie równania reakcji w postaci molekularnej, pełnej i skróconej postaci jonowo-molekularnej. Czy zajdzie reakcja, jeżeli zamiast roztworu węglanu sodu wykorzystać sól nierozpuszczalną, na przykład węglan magnezu?
Doświadczenie 2. Do dwóch probówek nalejcie po 1 ml roztworu chlorku baru. Do pierwszej dolejcie 1 ml roztworu siarczanu sodu, do drugiej - kilka kropel roztworu azotanu® srebra. Jakie zmiany zauważycie? Czy będą się różnić osady w obu probówkach wyglądem i
składem? Ułóżcie równania reakcji w molekularnej, pełnej i skróconej postaci jonowo-molekularnej.
Doświadczenie 3. Do czterech probówek nalejcie po 1 ml roztworów chlorku potasu, bromku potasu, jodku potasu i ortofosforanu potasu. Do każdej probówki dolejcie 1 ml roztworu azotanu® srebra. Jakie zmiany zaobserwujecie? Czy będą się różnić osady we wszystkich probówkach wyglądem i składem? Ułóżcie równania reakcji w molekularnej, pełnej i skróconej postaci jonowo-molekularnej.
Doświadczenie 4. Do czterech probówek nalejcie po 1 ml roztworu kwasu siarkowego i dodajcie po kilka kropel roztworu wskaźnika (lakmusu albo oranżu metylowego). Do pierwszej probówki po kropli dodawajcie roztwór zasady do zobojętnienia roztworu. Do drugiej probówki dolejcie 1 ml roztworu chlorku baru. Czy zajdzie reakcja? Czy zmieni się kwasowość środowiska w probówce? Do trzeciej probówki dolejcie 1 ml roztworu siarczynu sodu. Co zaobserwujecie? Określcie zapach w probówce. Czy zaszła reakcja? Według jakiej cechy można to określić? Do czwartej dolejcie 1 ml roztworu chlorku magnezu. Czy zaszła reakcja? Według jakich cech można to określić? Ułóżcie równania reakcji w molekularnej, pełnej i skróconej postaci jonowo-molekularnej.
Jeżeli reakcję kwasu siarkowego z zasadą przeprowadzić bez wykorzystania wskaźnika pH, czy będą zauważalne zmiany w czasie reakcji? Czy zajdzie reakcja?
Wniosek. Zróbcie wniosek uogólniający do pracy praktycznej. W tym celu wykorzystajcie odpowiedzi na pytania:
1. W jakich warunkach zachodzą reakcje wymiany jonowej w roztworach?
2. Według jakich cech wysnuliście wniosek o przebiegu reakcji w każdym doświadczeniu?
Źródło: Chemia podręcznik dla klasy 9 Hryhorowycz