Реакции ионного обмена в ЕГЭ по химии: обзор всех случаев

Содержание

1. Что такое ионный обмен?  
2. Сильные и слабые электролиты.  
3. Условия протекания реакций ионного обмена.  
    3.1 Образование осадка.  
    3.2 Образование воды. 
    3.3 Образование газа.  
    3.4 Образование слабого электролита.
    3.5 Растворение исходного нерастворимого вещества.  
4. Ионный обмен с кислыми солями.  
5. Дополнительные замечания.  
 

1. Что такое ионный обмен?

На реакции ионного обмена в ЕГЭ по химии есть отдельное задание, поэтому эту тему необходимо знать. Посмотрим на само это словосочетание – «реакции ионного обмена». Во-первых, это реакция, то есть химический процесс, сопровождающийся образованием новых веществ. Значит, у нас будут исходные вещества и продукты. Во-вторых, речь идет об ионном обмене. Чтобы ионы обменивались, нужно эти ионы иметь, из чего следует, что в эту реакцию вступают ионные соединения. Таким образом процесс выглядит так: в качестве исходных веществ мы берем ионные соединения, а в качестве продуктов получаем новые вещества, которые представляют собой результат обмена ионами в исходных веществах. Схематично это можно записать так:

A⁺B^- + C⁺D^- → A⁺D^- + C⁺B^-

Отметим, что это только схема, потому что не все ионы имеют заряды + или -, бывают ионы с зарядами 2+, 3+, 2-, 3- и другие. Сейчас важно понять, как происходит обмен ионами. В приведенной схеме катион A⁺ сменил анион B^- на анион D^- из соединения C⁺D^-, а катион С⁺ сменил анион с D^- на анион B^- из соединения A⁺B^-. Старые вещества (A⁺B^- и C⁺D^-) разрушились, а новые (A⁺D^- и C⁺B^-) образовались. Это и есть ионный обмен.

Эта схема применима для описания реакций двух солей, однако бывают случаи, когда реагируют не только соли. Вещества A⁺B^- и C⁺D^- действительно необязательно должны быть солями, главное, чтобы хотя бы одно из них было ионным. Кроме того, даже для ионных соединений бывают случаи, когда эти ионы переходят в раствор, и бывают случаи, когда они в раствор не переходят. Мы подробно разберем эти примеры ниже, а пока необходимо вспомнить, какие вообще вещества могут давать ионы в водном растворе.

2. Сильные и слабые электролиты.

Распад соединения на ионы в растворе называется электролитической диссоциацией. Если такое соединение хорошо распадается на ионы, оно называется сильным электролитом, если плохо, то слабым электролитом. Перечислим классы веществ, которые являются сильными электролитами.

А) Растворимые гидроксиды металлов.

Например, это NaOH, KOH, Ba(OH)₂ и другие. В этом случае распад на ионы описывается, например, для гидроксида натрия так:

NaOH ⇆ Na⁺ + OH^- (процесс протекает хорошо, NaOH сильный электролит)

Соответственно если гидроксид металла нерастворим, то распад на ионы протекает плохо, и мы имеем дело со слабым электролитом. Возьмем для примера нерастворимый в воде гидроксид алюминия:

Al(OH)₃ ⇆ Al³⁺ + 3OH^- (процесс протекает плохо, потому что Al(OH)₃ нерастворим в воде; Al(OH)₃ слабый электролит)

Тем не менее есть реакции ионного обмена, в которые вступают нерастворимые гидроксиды.

Б) Сильные кислоты в воде.

Если взять сильную кислоту HCl или H₂SO₄ в индивидуальном виде, то в их молекулах не будет ионной связи и, соответственно, ионов. Для образования ионной связи разница электроотрицательностей между H и Сl, а также между H и O слишком мала. Однако если эти кислоты поместить в воду, то под действием воды связь H-Cl в HCl и связи H-O в H₂SO₄ становятся ионными, в результате чего кислоты распадаются на ионы:

HCl ⇆ H⁺ + Cl^- 
H₂SO₄ ⇆ 2H⁺ + SO₄^2-

По определению сильная кислота – это такая, которая хорошо распадается на ионы. Поэтому любая сильная кислота – это автоматически сильный электролит, который подходит для участия в реакциях ионного обмена.

Однако если кислота слабая или нерастворимая в воде, то распад на ионы протекает плохо и ионов в растворе мало. Например:

H₂S ⇆ 2H⁺ + S^2- (процесс протекает плохо, H₂S слабый электролит)

H₂SiO₃ ⇆ 2H⁺ + SiO₃^2- (процесс протекает плохо, к тому же H₂SiO₃ нерастворима в воде, поэтому эта кислота слабый электролит).

CH₃COOH ⇆ H⁺ + CH₃COO^- (процесс протекает плохо, CH₃COOH слабый электролит)

Тем не менее слабые кислоты тоже могут участвовать в реакциях ионного обмена, просто в полном и кратком ионных уравнениях (о которых мы поговорим ниже) их нельзя будет записывать в виде ионов.

В) Растворимые соли.

Все соли имеют ионное строение, поэтому, если они растворимы, они распадаются на ионы. Например:

NaCl ⇆ Na⁺ + Cl^-
K₃PO₄ ⇆ 3K⁺ + PO₄^3-

Это сильные электролиты. Если соль в воде нерастворима, то распад на ионы не протекает и перед нами слабый электролит.

BaSO₄ ⇆ Ba²⁺ + SO₄^2- (процесс не протекает, потому что BaSO₄ нерастворим в воде).

И снова следует сказать, что требование растворимости для соли необязательно, потому что в реакции ионного обмена могут вступать и нерастворимые соли.

Итак, мы видим, что по каждому пункту у нас есть исключения. Нерастворимые гидроксиды и соли, а также слабые кислоты, будучи слабыми электролитами, вполне могут вступать в реакции ионного обмена. Получается, что свойство сильного электролита не является необходимым требованием к веществу, вступающему в реакцию ионного обмена. Может вообще создаться впечатление, что в такую реакцию вступает любая пара ионных веществ вне зависимости от того, сильные они или слабые электролиты. Тем не менее это не так. Для того, чтобы ионный обмен произошел, должны выполняться определенные условия. А информация о сильных и слабых электролитах нам потребуется, когда мы будем составлять полные и краткие ионные уравнения.

3. Условия протекания реакций ионного обмена.

Итак, для реакции ионного обмена нам необходимо как минимум одно вещество ионного строения. Однако, чтобы реакция протекала, требуется выполнение хотя бы одного из условий ниже. Итак, реакция ионного обмена протекает если:

1) В продуктах реакции есть осадок.
2) В продуктах реакции есть вода.
3) В продуктах реакции есть газ.
4) В продуктах реакции есть слабый электролит (то есть слабая кислота)
5) В исходных веществах есть нерастворимое вещество, которое в ходе реакции растворяется.

Повторим, что при выполнении хотя бы одного из этих условий реакция ионного обмена протекает. Иногда бывает, что выполняются сразу два условия, например, в продуктах есть одновременно осадок и вода. Такие реакции ионного обмена, разумеется, тоже протекают. Если не выполняется ни одно условие, то реакция ионного обмена не идет.

Эти условия можно назвать движущей силой ионного обмена. Осадок, вода, газ или слабая кислота, которые должны образоваться, - это все, если говорить одним словом, слабые электролиты. Слабые электролиты – это то же самое, что малодиссоциирующие вещества, то есть вещества, которые плохо распадаются на ионы. Получается, что образование слабых электролитов связывает ионы исходных веществ, выводя их из реакционной смеси. Например, если в реакции образуется осадок Ag₃PO₄, то значит происходит процесс:

3Ag⁺ + PO₄^3- → Ag₃PO₄↓

Ионы Ag⁺ и PO₄^3- появились в растворе после диссоциации исходных веществ (например, солей AgNO₃ и K₃PO₄), в ходе реакции они связались в нерастворимый осадок Ag₃PO₄, который, будучи слабым электролитом, на ионы уже не распадается, следовательно, ионы Ag_⁺ и PO₄^3- исчезли из реакционной смеси. Вот такое «исчезновение» ионов из раствора за счет связывания их в осадок, воду, газ или слабую кислоту и позволяет реакции протекать. Фактически смысл этой движущей силы состоит в том, что равновесие в реакции ионного обмена смещается сильно вправо (то есть в сторону продуктов), что превращает реакцию в необратимую. Такой же смысл у пятого условия, когда в ходе реакции растворяется нерастворимое вещество.

Теперь можно привести примеры реакций для каждого из перечисленных выше условий.

3.1 Образование осадка.

В качестве примера для этого случая можно привести реакцию взаимодействия Ba(NO₃)₂ и Na₂SO₄. У нас две соли, продуктом их взаимодействия будут соли, в которых ионы поменялись местами. То есть анион SO₄^2- из Na₂SO₄ идет к катиону Ba²⁺, а анион NO₃^- из Ba(NO₃)₂ идет к катиону Na⁺. Можно записать:

Ba(NO₃)₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaNO₃

При написании продуктов важно учитывать заряды ионов, помня о том, что суммарный заряд формульной единицы всегда равен нулю. Поэтому для катиона Ba²⁺ с зарядом 2+ нужен один анион SO₄^2- с зарядом 2-, а для катиона Na⁺ с зарядом + нужен один анион NO₃^- с зарядом -.

Также всегда нужно помнить о том, что протекают далеко не все реакции ионного обмена. Поэтому продукты реакции, получившиеся после того, как в исходных веществах мы поменяли ионы местами, нужно проверить на соответствие хотя бы одному из условий выше. И заодно посмотреть, не происходило ли растворение исходного нерастворимого вещества. В нашем случае у нас нет растворения исходного нерастворимого вещества, потому что обе исходные соли Ba(NO₃)₂ и Na₂SO₄ растворимы в воде. Также в продуктах у нас нет воды, газа или слабой кислоты. Поэтому остается взять получившиеся в реакции соли и проверить их в таблице растворимости (на ЕГЭ она всегда дается). Сделав так, мы увидим, что NaNO₃ растворим, а вот BaSO₄ нет. Таким образом, у нас есть осадок, значит, одно из условий выполняется и наша реакция протекает.

В задании ЕГЭ на ионный обмен необходимо не только составить реакцию, но также написать так называемые полные и краткие (или сокращенные) ионные уравнения. Полное ионное уравнение – это то же самое исходное уравнение, которые мы записали выше и которое называется уравнением в молекулярной форме. Только теперь мы все вещества, которые могут распасться на ионы, записываем в виде ионов. Вот здесь нам и помогут знания о сильных и слабых электролитах. В виде ионов мы записываем только сильные электролиты, потому что только они могут распадаться на ионы, а слабые электролиты мы переписываем в молекулярной форме.

В нашем случае соли Ba(NO₃)₂, Na₂SO₄ и NaNO₃ растворимы в воде, значит, они сильные электролиты и мы их записываем в виде ионов. А вот осадок BaSO₄ нерастворим, он является слабым электролитом и его мы переписываем в молекулярной форме. Получим:

Ba²⁺ + 2NO₃^- + 2Na⁺ + SO₄^2- → BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2NO₃^-

Это и есть полное ионное уравнение. Краткое или сокращенное уравнение, как можно догадаться из названия, это результат сокращения полного ионного уравнения. Что же можно сократить? Сократить можно ионы, которые повторяются до и после реакции. До и после реакции у нас есть ионы Na⁺ и NO₃^-, их мы и сократим.

Ba²⁺ + 2NO₃^-+ 2Na⁺ + SO₄^2- → BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2NO₃^-

Теперь перепишем то, что осталось после сокращения повторяющихся ионов:

Ba²⁺ + SO₄^2- → BaSO₄↓

Это и есть краткое или сокращенное ионное уравнение. Важно понимать, что краткое ионное уравнение всегда отражает движущую силу ионообменного процесса, то есть одно из пяти условий выше. В нашем случае это образование осадка.

Приведем еще пару примеров реакций ионного обмена, в которых образуется осадок.

Пример 1.

CaCl₂ + K₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2KCl (молекулярная форма)

Ca²⁺ + 2Cl^- + 2K⁺ + CO₃^2- → CaCO₃↓ + 2K⁺ + 2Cl^- (полная ионная форма)

Ca²⁺ + CO₃^2- → CaCO₃↓ (краткая ионная форма)

 

Пример 2.

MgBr₂ + 2NaOH → Mg(OH)₂↓ + 2NaBr (молекулярная форма)

Mg²⁺ + 2Br^- + 2Na⁺ + 2OH^- → Mg(OH)₂↓ + 2Na⁺ + 2Br^- (полная ионная форма)

Mg²⁺ + 2OH^- → Mg(OH)₂↓ (краткая ионная форма)

3.2 Образование воды.

Типичный случай, когда в результате ионного обмена образуется вода, - это реакция нейтрализации, то есть взаимодействие кислоты и основания. Возьмем простейший пример – реакцию соляной кислоты и натриевой щелочи. В результате, как и в любой реакции нейтрализации, мы получим соль и воду. Запишем уравнение сначала в молекулярном виде:

HCl + NaOH → NaCl + H₂O (молекулярная форма)

Все соединения, кроме воды, являются сильными электролитами, потому что HCl сильная кислота, NaOH растворимое основание, а NaCl растворимая соль. Вода на ионы не распадается, она слабый электролит. Теперь при написании полного ионного уравнения все сильные электролиты мы записываем в виде ионов, а воду как слабый электролит переписываем в молекулярном виде.

H⁺ + Cl^- + Na⁺ + OH^- → Na⁺ + Cl^- + H₂O (полная ионная форма)

Далее мы сокращаем ионы, повторяющиеся до и после реакции, и получаем уравнение в краткой ионной форме.

H⁺ + Cl^- + Na⁺ + OH^- → Na⁺ + Cl^- + H₂O 

H⁺ + OH^- → H₂O (краткая ионная форма)

Снова краткая ионная форма отражает движущую силу процесса ионного обмена, то есть в нашем случае образование воды.

Приведем еще пару примеров.

Пример 3.

2KOH + H₂SO₄ → K₂SO₄ + 2H₂O (молекулярная форма)

2K⁺ + 2OH^- + 2H⁺ + SO₄^2- → 2K⁺ + SO₄^2- + 2H₂O (полная ионная форма)

OH^- + H⁺ → H₂O (краткая ионная форма)

 

Пример 4.

CsOH + HNO₃ → CsNO₃ + H₂O (молекулярная форма)

Cs⁺ + OH^- + H⁺ + NO₃^- → Cs⁺ + NO₃^- + H₂O (полная ионная форма)

OH^- + H⁺ → H₂O (краткая ионная форма)

3.3 Образование газа.

Газы, которые могут образоваться в результате ионного обмена в курсе ЕГЭ, - это CO₂, SO₂ и H₂S. СО₂ – это результат распада образующейся неустойчивой слабой кислоты H₂CO₃, а SO₂ – это результат распада тоже неустойчивой слабой кислоты H₂SO₃. Учитывая, что H₂S тоже слабая кислота, получается, что случай образования газа в качестве движущей силы ионного обмена повторяет случай образования слабой кислоты (мы помним, что слабые кислоты – это слабые электролиты). Соответственно при составлении уравнений в ионной форме газы мы записываем в молекулярной форме.

В качестве примера можно привести реакцию сульфида натрия с соляной кислотой. Запишем ее в молекулярной форме:

Na₂S + 2HCl → 2NaCl + H₂S↑ (молекулярная форма)

Сильных электролитов в этой реакции три, это растворимая соль Na₂S, сильная кислота HCl и растворимая соль NaCl. В полном ионном уравнении их мы запишем в виде ионов. Газ H₂S, который является слабым электролитом, запишем в молекулярной форме.

2Na⁺ + S^2- + 2H⁺ + 2Cl^- → 2Na⁺ + 2Cl^- + H₂S↑ (полное ионное уравнение)

Сократим повторяющиеся ионы и получим краткое ионное уравнение.

2Na⁺ + S^2- + 2H⁺ + 2Cl^- → 2Na⁺ + 2Cl^- + H₂S↑

S^2- + 2H⁺ → H₂S↑ (краткое ионное уравнение)

Снова краткое ионное отражает движущую силу процесса ионного обмена, то есть образование газа.

Приведем еще два примера.

Пример 5.

K₂CO₃ + H₂SO₄ → K₂SO₄ + CO₂↑ + H₂O (молекулярная форма)

2K⁺ + CO₃^2- + 2H⁺ + SO₄^2- → 2K⁺ + SO₄^2- + CO₂↑ + H₂O (полная ионная форма)

CO₃^2- + 2H⁺ → CO₂↑ + H₂O (краткая ионная форма)

 

Пример 6.

Na₂SO₃ + 2HBr → 2NaBr + SO₂↑ + H₂O (молекулярная форма)

2Na⁺ + SO₃^2- + 2H⁺ + 2Br^- → 2Na⁺ + 2Br^- + SO₂↑ + H₂O (краткая ионная форма)

SO₃^2- + 2H⁺ → SO₂↑ + H₂O (краткая ионная форма)

3.4 Образование слабого электролита.

На самом деле, осадки, газы и вода – это тоже слабые электролиты. Поэтому в данном разделе, чтобы не повторяться, мы рассмотрим последней оставшийся случай, а именно образование слабой кислоты, не являющейся ни осадком, ни газом. Возможно, единственная такая ситуация в ЕГЭ по химии может встретиться, если продуктом ионного обмена будет уксусная кислота. Например, в реакции ниже.

HNO₃ + CH₃COONa → NaNO₃ + CH₃COOH (молекулярная форма)

Здесь у нас три сильных электролита. Это сильная азотная кислота HNO₃ и растворимые соли CH₃COONa и NaNO₃. Их в ионных уравнениях мы запишем в виде ионов. Уксусная кислота является слабой и, соответственно, слабым электролитом. Ее перепишем в молекулярном виде.

H⁺ + NO₃^- + CH₃COO^- + Na⁺ → Na⁺ + NO₃^- + CH₃COOH (полная ионная форма)

Как обычно, сокращаем ионы, повторяющиеся до и после реакции.

H⁺ + NO₃^- + CH₃COO^- + Na⁺ → Na⁺ + NO₃^- + CH₃COOH

И получим краткое ионное уравнение:

H⁺ + CH₃COO^- → CH₃COOH (краткое ионное уравнение)

Оно, как и положено, отражает образование слабого электролита, то есть движущую силу ионообменного процесса.

3.5 Растворение исходного нерастворимого вещества.

Этой случай важно отделить от ситуации, когда нерастворимые гидроксиды металлов растворяются в кислотах, потому что в таких реакциях выполняется другое условие, а именно образуется вода. Так что в этом пункте мы объединим только случаи растворения амфотерных гидроксидов в щелочах. Посмотрим, например, на растворение гидроксида алюминия в NaOH. Реакция протекает следующим образом:

Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄] (молекулярная форма)

Al(OH)₃ представляет собой нерастворимый гидроксид, значит, его в ионных уравнениях мы запишем в молекулярной форме. NaOH растворим, это сильный электролит, а вот комплексная соль Na[Al(OH)₄] тоже представляет собой растворимое ионное соединение. Оно в воде распадается на ионы Na⁺ и [Al(OH)₄]^-. Учитывая все вышесказанное, можем записать полное ионное уравнение:

Al(OH)₃ + Na⁺ + OH^- → Na⁺ + [Al(OH)₄]^- (полное ионное уравнение)

Ионы натрия сокращаются:

Al(OH)₃ + Na⁺ + OH^- → Na⁺ + [Al(OH)₄]- 

То, что остается после сокращения, и есть краткое ионное уравнение:

Al(OH)₃ + OH^- → [Al(OH)₄]^- (краткое ионное уравнение)

Приведем еще пару примеров.

Пример 7.

Zn(OH)₂ + 2KOH → K₂[Zn(OH)₄] (молекулярная форма)

Zn(OH)₂ + 2K⁺ + 2OH^- → 2K⁺ + [Zn(OH)₄]^2- (полная ионная форма)

Zn(OH)₂ + 2OH^- → [Zn(OH)₄]^2- (краткая ионная форма)

 

Пример 8.

Cr(OH)₃ + 3NaOH → Na₃[Cr(OH)₆] (молекулярная форма)

Cr(OH)₃ + 3Na⁺ + 3OH^- → 3Na⁺ + [Cr(OH)₆]^3- (полная ионная форма)

Cr(OH)₃ + 3OH^- → [Cr(OH)₆]^3- (краткая ионная форма)

4. Ионный обмен с кислыми солями.

В реакциях ионного обмена могут участвовать кислые соли. Здесь возникает вопрос в правильном написании ионов кислой соли. Впрочем, правила достаточно просты. Если кислая соль образована слабой кислотой (H₂S, H₂CO₃) или кислотой средней силы (H₂SO₃, H₃PO₄), то анион кислой соли мы записываем вместе с водородом, исключая его дальнейшую диссоциацию на катион водорода и анион средней соли. То есть распад на ионы запишется так:

NaHS ⇆ Na⁺ + HS^-
KHCO₃ ⇆ K⁺ + HCO₃^-
NaHSO₃ ⇆ Na⁺ + HSO₃^-
Na₂HPO₄ ⇆ 2Na⁺ + HPO₄^2-
NaH₂PO₄ ⇆ Na⁺ + H₂PO₄^-

В том случае, если кислая соль образована сильной кислотой, то, строго говоря, такой кислый анион может диссоциировать дальше на катион водорода и анион средней соли. Тем не менее современные требования к ЕГЭ по химии разрешают в ионных уравнениях писать как кислый, так и средний анион. Для гидросульфата натрия два этих варианта выглядят так:

NaHSO₄ ⇆ Na⁺ + HSO₄^-
NaHSO₄ ⇆ Na⁺ + H⁺ + SO₄^-

Теперь можно посмотреть, в какие именно реакции ионного обмена вступают кислые соли. Прежде всего это, конечно, нейтрализация. Кислые соли легко реагируют с щелочами, превращаясь в средние соли. Приведем пример.

KHCO₃ + KOH → K₂CO₃ + H₂O (молекулярная форма)

Запишем полное ионное уравнение, помня о сказанном выше.

K_⁺ + HCO₃^- + K⁺ + OH^- → 2K⁺ + CO₃^2- + H₂O (полная ионная форма)

Сократим повторяющиеся ионы и получим краткое ионное уравнение:

K⁺ + HCO₃^- + K⁺ + OH^- → 2K⁺ + CO₃^2- + H₂O (полная ионная форма)

HCO₃^- + OH^- → CO₃^2- + H₂O (краткая ионная форма)

Если взять дигидрофосфат, то его можно нейтрализовать частично с превращением с гидрофосфат и можно нейтрализовать полностью с превращением в средний фосфат. То, как пойдет реакция, зависит от мольного соотношения щелочи и дигидрофосфата. Если взят избыток щелочи, то нейтрализация будет полной, его недостаток, то нет. Ниже показаны оба случая.

NaH₂PO₄ + NaOH (недостаток) → Na₂HPO₄ + H₂O (молекулярная форма)

Na⁺ + H₂PO₄^- + Na⁺ + OH^- → 2Na⁺ + HPO₄^2- + H₂O (полная ионная форма)

H₂PO₄^- + OH^- → HPO₄^2- + H₂O (краткая ионная форма)

NaH₂PO₄ + 2NaOH (избыток) → Na₃PO₄ + 2H₂O (молекулярная форма)

Na⁺ + H₂PO₄^- + 2Na⁺ + 2OH^- → 3Na⁺ + PO₄^3- + 2H₂O (полная ионная форма)

H₂PO₄^- + 2OH^- → PO₄^3- + 2H₂O (краткая ионная форма)

Есть еще одна ситуация, когда соотношение щелочи и кислоты влияет на то, как протекает реакция. Речь идет о том случае, когда катионы в кислой соли и щелочи разные. Рассмотрим взаимодействие гидрокарбоната калия с гидроксидом бария, взятым в недостатке.

2KHCO₃ + Ba(OH)₂ (недостаток) → K₂CO₃ + BaCO₃↓ + 2H₂O (молекулярная форма)

2K⁺ + 2HCO₃^- + Ba²⁺ + 2OH^- → 2K⁺ + CO₃^2- + BaCO₃↓ + 2H₂O (полная ионная форма)

2HCO₃^- + Ba²⁺ + 2OH^- → CO₃^2- + BaCO₃↓ + 2H₂O (краткая ионная форма)

Здесь происходит обычная нейтрализация гидрокарбоната калия, завершающаяся его превращением в средний карбонат. Катион бария при этом тоже связывается с карбонат-ионом в осадок соли.

Однако если взять избыток гидроксида бария, то образующийся на первом этапе растворимый карбонат калия может с ним прореагировать:

K₂CO₃ + Ba(OH)₂ → 2KOH + BaCO₃↓

Тогда суммарно в избытке гидроксида бария реакция запишется так:

KHCO₃ + Ba(OH)₂ (избыток) → KOH + BaCO₃↓ + H₂O (молекулярная форма)

K⁺ + HCO₃^- + Ba²⁺ + 2OH^- → K⁺ + OH^- + BaCO₃↓ + H₂O (полное ионное уравнение)

HCO₃^- + Ba²⁺ + OH^- → BaCO₃↓ + H₂O (краткое ионное уравнение)

Важно понимать, что продукты реакции в избытке гидроксида могут измениться только в том случае, если с этим гидроксидом может реагировать средняя соль, образующая на первом этапе при его недостатке. Поэтому реакция Ba(HCO₃)₂ с KOH в избытке щелочи протекает так же, как и при его недостатке. Это связано с тем, что продукт нейтрализации Ва(HCO₃)₂, образующийся на первом этапе, а именно средняя соль BaCO₃ является осадком и далее с КОН не реагирует. А значит, мы в любом случае получим следующие уравнения:

Ba(HCO₃)₂ + 2KOH → BaCO₃↓ + K₂CO₃ + 2H₂O (молекулярная форма)

Ba²⁺ + 2HCO₃^- + 2K⁺ + 2OH^- → BaCO₃↓ + 2K⁺ + CO₃^2- + 2H₂O (полное ионное уравнение)

Ba²⁺ + 2HCO₃^- + 2OH^- → BaCO₃↓ + CO₃^2- + 2H₂O (краткое ионное уравнение)

Также кислые соли, образованные слабыми кислотами, могут вступать в реакции с сильными кислотами. В этом случае слабая кислота вытесняется из своей кислой соли в индивидуальном виде. Ниже приведен пример:

KHS + HCl → KCl + H₂S↑ (молекулярная форма)

K⁺ + HS^- + H⁺ + Cl^- → K⁺ + Cl^- + H₂S↑ (полная ионная форма)

HS^- + H⁺ → H₂S↑ (полная ионная форма)

И в заключении этого раздела приведем пример с участием кислой соли сильной кислоты. Это взаимодействие ацетата бария и гидросульфата калия.

Ba(CH₃COO)₂ + KHSO₄ → BaSO₄↓ + CH₃COOK + CH₃COOH (молекулярная форма)

Ba²⁺ + 2CH₃COO^- + K⁺ + HSO₄^- → BaSO₄↓ + CH₃COO^- + K⁺ + CH₃COOH (полная ионная форма)

Ba²⁺ + CH₃COO^- + HSO₄^- → BaSO₄↓ + CH₃COOH (краткая ионная форма)

Напомним, что в ионных уравнениях допустимо писать вместо иона HSO₄^- сумму ионов H⁺ и SO₄^2-.

5. Дополнительные замечания.

В указанных выше примерах реакций всегда так или иначе фигурировали ионы. Тем не менее бывают реакции ионного обмена, которые протекают как бы без ионов. Это означает, что для них нельзя записать полное и краткое ионные уравнения. Единственный способ представить такую реакцию – это записать ее в молекулярной форме. В качестве примера можно привести взаимодействие гидроксида магния и фтороводородной кислоты:

Mg(OH)₂ + 2HF → MgF₂↓ + H₂O

Ни одно из исходных веществ и ни один из продуктов реакции не являются сильными электролитами. Гидроксид и фторид магния нерастворимы в воде, фтороводородная кислота слабая и вода тоже не диссоциирует на ионы. Поэтому ионов в растворе просто нет, а значит, ионные уравнения записать нельзя.

Также бывает, что по реакции ионного обмена получаются вещества, которые вступают в дальнейшие реакции. Можно рассмотреть три таких случая. Первый – это когда образующаяся в реакции ионного обмена соль подвергается частичному гидролизу. Хорошим примером является взаимодействие нитрата меди с карбонатом натрия. Казалось бы, по всем правилам должен образоваться средний карбонат меди, ведь он в воде нерастворим. Но это неверно.

Cu(NO₃)₂ + Na₂CO₃ → CuCO₃↓ + 2NaNO₃  (неверно)

В действительности образуется продукт частичного гидролиза карбоната меди, а именно основная соль.

2Cu(NO₃)₂ + 2Na₂CO₃ + H₂O → (CuOH)₂CO₃↓ + 4NaNO₃ + CO₂↑ (верно)

Второй случай мы наблюдаем, когда продукт ионного обмена гидролизуется необратимо и полностью. Такие реакции бывают очень часто в заданиях ЕГЭ, в них как раз проверяется знание гидролиза. Необратимо гидролизуются сульфиды, сульфиты, карбонаты алюминия, хрома (III), железа (III). Поэтому если они образуются в водном растворе по реакции ионного обмена, мы записываем не их, а продукты их гидролиза.

2Al(NO₃)₃ + 3K₂S → Al₂S₃ + 6KNO₃  (неверно)

2Al(NO₃)₃ + 3K₂S + 6H₂O → 2Al(OH)₃↓ + 3H₂S↑ + 6KNO₃  (верно)

Наконец третий случай бывает, когда продукт реакции ионного обмена претерпевает окислительно-восстановительное превращение, например, распад. В курсе ЕГЭ нужно знать три таких реакции. Первая связана с распадом неустойчивого йодида железа (III) на йодид железа (II) и молекулярный йод.

FeCl₃ + KI → FeI₃ + 3KCl (неверно)

2FeCl₃ + 6KI → 2FeI₂ + I₂↓ + 6KCl (верно)

Фактически движущей силой этого процесса снова является осадок, то есть I2, но это уже не только реакция ионного обмена, но и окислительно-восстановительная реакция (ОВР). А требования движущей силы на ОВР не распространяются.

Вторая реакция такого типа связана с распадом неустойчивого йодида меди (II) на йодид меди (I) и молекулярный йод.

Cu(NO₃)₂ + KI → CuI₂ + 2KNO₃ (неверно)

2Cu(NO₃)₂ + 4KI → 2CuI↓ + I₂↓ + 4KNO₃ (верно)

Третья реакция связана с разложением образующегося нитрита аммония в горячем растворе.

NH₄Cl + NaNO₂ → N₂↑ + 2H₂O + NaCl (верно) 

В первой записи эта реакция просто не идет, так как нет движущей силы. А вот во второй записи она идет, потому что превращается в ОВР.

Итак, в данном материале мы постарались охватить все, что может встретиться в ЕГЭ по химии в связи с реакциями ионного обмена.