12.Химические реакции в растворах

12.1. Образование осадка

Большинство химических реакций, протекающих в природе, на заводах и в лабораториях, протекают в растворах.

Как и в других условиях, в растворах могут протекать реакции, сопровождающиеся передачей электронов (ОВР), реакции, сопровождающиеся передачей протонов (кислотно-основные реакции, КОР), и реакции, при которых не происходит ни того, ни другого. К последней группе относится большинство реакций, сопровождающихся образованием осадка.

Возьмем два вещества, сульфат натрия и хлорид бария, и растворим каждое из них в воде. Мы получим два раствора. Один из них, раствор сульфата натрия, состоит из молекул воды, гидратированных ионов натрия и гидратированных сульфат-ионов:

H₂O, Na

Другой раствор, раствор хлорида бария, состоит из молекул воды, гидратированных ионов бария и гидратированных хлорид-ионов:

H₂O, Ba²

Смешаем эти растворы. В получившемся растворе помимо молекул воды, казалось бы, должны присутствовать ионы:

Ba²

Но практически мы обнаружим, что из раствора в виде осадка выделилось какое-то твердое вещество. Откуда же оно появилось? Очевидно, оно образовалось из присутствовавших в растворе ионов.

Соединяться, образуя ионные кристаллы, могут только разноименно заряженные ионы. Следовательно, выпавшим в осадок веществом может быть BaCl₂, BaSO₄, NaCl или Na₂SO₄. Но хлорид бария и сульфат натрия содержались в исходных растворах, а при смешивании этих растворов концентрация каждого из них уменьшилась, и потому никак не могла превысить растворимость. Следовательно, BaCl₂ и Na₂SO₄ выпасть в осадок не могли. Остаются сульфат бария и хлорид натрия. Чтобы выяснить, какое из этих веществ выпало в осадок (а может быть, оба?), найдем эти вещества в таблице растворимости (приложение 11). NaCl растворим в воде, а BaSO₄ в ней нерастворим, то есть в случае сульфата бария энергетически более выгодно существование кристаллов этого вещества, чем соответствующих гидратированных ионов. Следовательно, в осадок выпал сульфат бария. Уравнение этой реакции

Ba²

Символ

Что же осталось в растворе?

Если мы взяли порции хлорида бария и сульфата натрия, равные по количеству вещества, то в растворе остались только гидратированные ионы натрия и гидратированные хлорид-ионы. Если же какое-то из исходных веществ было взято в избытке, то избыток перешедших из него в раствор ионов тоже, естественно, останется в растворе. Так, если в избытке был взят сульфат натрия, то в растворе, кроме ионов натрия и хлорид-ионов, будут еще и сульфат-ионы (естественно, гидратированные).

Допустим, что были взяты порции, равные по количеству вещества. Тогда в получившемся растворе, как мы уже выяснили, будут присутствовать только гидратированные ионы натрия и хлорид-ионы. Если отделить раствор от осадка (например, фильтрованием) и выпарить воду, то образуется кристаллический хлорид натрия

Na

Таким образом, проводя последовательно несколько химических процессов, мы из исходных веществ (Na₂SO₄ и BaCl₂) получили новые вещества (BaSO₄ и NaCl). Все это можно выразить одним (суммарным) химическим уравнением:

Na₂SO₄ + BaCl₂ = BaSO₄ + 2NaCl.

Очень похоже на это уравнение и " молекулярное " уравнение той реакции, которая непосредственно протекает в водном растворе. Так для нашей реакции (реакции образования осадка сульфата бария из ионов бария и сульфат-ионов)

Ba²

" молекулярное " уравнение реакции выглядит так:

BaCl_2p + Na₂SO_4p = BaSO₄

Оно означает, что при взаимодействии раствора хлорида бария с раствором сульфата натрия образуется осадок сульфата бария и раствор хлорида натрия. Индекс " р " в таких уравнениях показывает, что данное вещество находится в растворе. Иногда этот индекс " для краткости " не пишут, и тогда " молекулярное " уравнение перестает отличаться от суммарного уравнения нескольких химических процессов. Этого следует избегать.

Формально описанная реакция образования сульфата бария является реакцией обмена (судя по " молекулярному" уравнению), но по существу это скорее реакция соединения. Ведь во время этой реакции ионы бария и сульфат-ионы, теряя гидратные оболочки, соединяются в кристаллы сульфата бария (смотри ионное уравнение).

С помощью таких реакций можно получить самые разнообразные нерастворимые или малорастворимые вещества, и не только соли, но и, например, гидроксиды:(На самом деле, реакция образования малорастворимых гидроксидов - более сложные процессы. Они относятся к кислотно-основным реакциям (см.§8). Здесь дается их сильно упрощенное описание)

Ag

AgNO_3p + NaCl_p = AgCl

или Zn²

ZnSO_4p + 2NaOH_p = Zn(OH)₂

На первых порах составлять уравнения реакций нам поможет логический шаблон, который представлен в виде таблицы (табл. 32).

Таблица 32. Логический шаблон для составления уравнений реакций, протекающих в растворах

Исходные вещества

Формула вещества 1

Формула вещества 2

Взаимодействие их

с водой

Уравнение растворения вещества 1 в воде

Уравнение растворения вещества 2 в воде

Перечень частиц

в растворе

(и не реагирующих

с водой веществ)

до начала реакции

Здесь перечисляем формулы ионов и молекул, оказавшихся в одном растворе после сливания исходных растворов (до начала реакции), а также формулы исходных веществ, нерастворимых в воде и с ней не реагирующих. Подчеркиваем формулы частиц и веществ, которые будут между собой реагировать, и указываем причину реакции.

Ионное уравнение

Ионное уравнение реакции

Перечень частиц

в растворе после

завершения реакции

Здесь перечисляем формулы ионов и молекул, оставшихся в растворе после завершения реакции и оказавшихся в растворе в результате реакции.

Проверка

Проверяем, не вступают ли в реакцию эти частицы.

" Молекулярное" уравнение

" Молекулярное" уравнение реакции

Пусть нам надо составить уравнение реакции, протекающей при сливании растворов хлорида кальция и карбоната натрия.Исходными веществами I и II здесь являются CaCl₂ и Na₂CO₃.

Взаимодействие их с водой (химическое растворение) может быть описано следующими уравнениями:

.

Таким образом до начала реакции в растворе оказываются следующие частицы:

Ca²

Используя таблицу растворимости, находим, что из ионов Ca²

Ca²

Остающиеся после завершения реакции частицы ( Cl

CaCl_2p + Na₂CO_3p = 2NaCl_p + CaCO₃

Заполненная для этой реакции таблица выглядит следующим образом:

Исходные вещества

CaCl₂

Na₂CO₃

Взаимодействие их с водой

Перечень частиц в растворе

(и не реагирующих

с водой веществ)

до начала реакции

Ионное уравнение

Ca²

Перечень частиц в растворе после завершения реакции

Cl

Проверка

Эти частицы между собой не реагируют

" Молекулярное" уравнение

CaCl_2p + Na₂CO_3p = 2NaCl _p + CaCO₃

2.Составьте " молекулярные" уравнения реакций по следующим ионным уравнениям:

а) Pb²

б) Fe³

в) Mg²

3.Предложите способы получения следующих веществ: а) гидроксида марганца, б) карбоната кальция, в) сульфида железа(II), г) силиката цинка, используя метод осаждения из раствора. Запишите ионные и " молекулярные " уравнения соответствующих реакций.

4.Как а) из сульфата железа(II) получить гидроксид железа(II), б) из хлорида магния получить фторид магния, в) из фосфата натрия получить фосфат алюминия? Используйте метод осаждения из раствора. Составьте ионные и " молекулярные" уравнения соответствующих реакций.

5.Восстановите левые части молекулярных уравнений:

а) ... = NiS + Na₂SO₄,

б) ... =BaSO₄ + 2LiNO₃,

в) ... = MgCO₃ + 2KBr,

г) ... = CaSO₄ +CuCl₂.

6.Составьте уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

а) Na

б) Ca

в) Mg

7.Определите массу осадка бромида серебра, образовавшегося при сливании 50 мл 0,1М раствора нитрата серебра с 200 мл 0,05М раствора бромида калия

12.2. Реакции металлов с растворами солей и кислот (ОВР)

В водных растворах протекает множество ОВР. Простейшие из них – реакции металлов с растворами солей и кислот.

Рассмотрим, что произойдет, если поместить металл в раствор, уже содержащий ионы другого металла, например, кусочек железа поместить в раствор сульфата меди?

Склонность отдавать электроны у атома меди существенно меньше, чем у атома железа, поэтому ионы меди оказываются способными оторвать электроны у атомов железа, превратив их таким образом в ионы железа. Сами же ионы меди превращаются при этом в нейтральные атомы:

Ионы железа(II) гидратируются, а атомы меди соединяются металлической связью в кристаллы меди, которые и образуются на поверхности железа:

Fe_кр + Cu²

Убедимся в том, что это ОВР, составив уравнения электронного баланса:

Fe⁰ – 2e^– = Fe^+II

Cu^+II + 2e^– = Cu⁰.

Таким образом, атомы железа в этой реакции окисляются, а ионы меди(II) восстанавливаются.

По виду " молекулярного" уравнения эта реакция относится к реакциям замещения.

Часто говорят, что железо " вытесняет" медь из раствора ее соли. А будет ли, например, железо вытеснять магний из раствора его соли, или, наоборот, магний вытеснит железо? Для ответа на этот и подобные вопросы удобно выстроить атомы металлов в ряд по уменьшению их способности отдавать электроны и переходить в раствор в виде ионов. На первый взгляд, для составления такого ряда достаточно было бы воспользоваться значениями молярной энергии ионизации атомов элементов, образующих металлы. Но здесь нам придется вспомнить, что атомы металлов не просто переходят в раствор в виде ионов, но при этом еще и гидратируются, а при гидратации выделяется энергия. Чем больше энергия гидратации, тем устойчивее такой гидратированный ион и тем легче атомы такого металла образуют ионы и переходят в раствор.

Построенный с учетом всего этого ряд называется электрохимическим рядом напряжений металлов или просто рядом активности металлов. Пользуясь последним названием следует помнить, что здесь под словом " активность" понимается только способность атомов металла отдавать свои валентные электроны и переходить при этом в раствор в виде ионов. Никакого отношения к активности металлов в других условиях этот ряд не имеет. Поэтому в ряду активности металлов обычно приводят и формулы ионов, образующихся при переходе атомов металла в раствор. Электрохимический ряд напряжений металлов приведен в приложении 12. Как видите, в этих условиях наиболее активным металлом является литий, а наименее активным – золото.

Металл, стоящий в ряду напряжений левее, " вытесняет " из раствора соли любой металл, стоящий в этом ряду правее.

Но так происходит только в том случае, если оба металла не реагируют с водой. Следовательно, магний без побочных реакций " вытеснит " любой металл, стоящий правее него в ряду напряжений, из раствора его соли, а при взаимодействии кальция с тем же раствором прежде всего будет выделяться водород (кроме того, будут протекать и другие реакции; какие?).

В качестве примера составим уравнение реакции магния с раствором нитрата свинца (заполненный шаблон – см дальше).

Напротив, если мы поместим кусочек меди в раствор нитрата цинка, то никакой реакции протекать не будет, так как медь в ряду напряжений стоит правее цинка и не может " вытеснить" его из раствора.Внимательно рассмотрев ряд напряжений, вы обнаружите в нем водород и ион оксония. Вот с чем это связано.

Исходные вещества

Mg

Pb(NO₃)₂

Взаимодействие их с водой

Не реагирует

Pb(NO₃)₂ Pb²_aq + 2NO_3aq

Перечень частиц, оказавшихся в растворе (и не реагирующих с водой веществ)

до начала реакции

Mg, Pb²

(Магний в ряду напряжений стоит левее свинца, следовательно он " активнее" , чем свинец)

Ионное уравнение

Mg + Pb²

Перечень частиц в растворе после завершения реакции

Mg²

Проверка

Эти частицы между собой не реагируют

" Молекулярное" уравнение

Mg + Pb(NO₃)_2р = Mg(NO₃)_2р + Pb

Вы знаете, что наиболее активные металлы, то есть металлы, атомы которых с особой легкостью отдают электроны, окисляются водой (§ 11.4). Свои электроны атомы металлов отдают атомам водорода молекул воды, так как эти атомы водорода несут частичный заряд Δ

Ионы цинка гидратируются

2H· = H₂

В итоге ионное уравнение этой реакции:

Zn + 2H₃O

а " молекулярное " : Zn + 2(H₃O)Cl_р = ZnCl_2р + H₂

Zn + 2HCl_р = ZnCl_2р + H₂

Электронный баланс:

Zn⁰ –2e^– = Zn^+II

2H^+I +2e^– = H⁰₂.

Таким образом, атомы водорода в степени окисления +I, входящие в состав ионов оксония, являются в этой реакции окислителями, а нейтральные атомы цинка – восстановителями.

Аналогичное поведение ионов оксония и ионов металлов, участвующих в таких реакциях, дает возможность поместить водород в ряд напряжений в соответствии с окислительной активностью иона оксония.

Таким образом, все металлы, стоящие в ряду напряжений левее водорода, реагируют с растворами кислот, " вытесняя " водород, из них металлы от лития до натрия, кроме того, реагируют и с водой (это не относится к азотной кислоте – с ней реакции протекают по-другому).

Металлы, стоящие в этом ряду правее водорода, с водой не реагируют и водород из растворов кислот не " вытесняют" . С некоторыми кислотами или смесями кислот эти металлы все же реагируют, но водород при этом все равно не выделяется.

Обратите внимание: с безводными кислотами металлы или не реагируют (например, с фосфорной), или реагируют совсем по-другому (например, с серной). С некоторыми такими реакциями вы познакомитесь при изучении химических свойств конкретных веществ.

В качестве примера использования шаблона для составления уравнения реакции рассмотрим реакцию алюминия с раствором бромоводорода (бромоводородной кислотой):

Исходные вещества

Al

HBr

Взаимодействие их с водой

Не реагирует

HBr + H₂O = H₃O

Перечень частиц, оказавшихся в растворе (и не реагирующих с водой веществ)

до начала реакции

Al, H₃O

(Алюминий стоит в ряду напряжений левее водорода, следовательно, он окисляется ионами оксония.)

Ионное уравнение

2Al + 6H₃O

Перечень частиц в растворе после завершения реакции

Al³

Проверка

Эти частицы между собой не реагируют

" Молекулярное" уравнение

2Al + 6HBr_p = 2AlBr_3p + 3H₂

Вспомните, что энергия ионизации каждого последующего электрона больше энергии ионизации предыдущего электрона примерно в два раза. Так, для атома цинка молярные энергии ионизации первого и второго электронов равны соответственно 906 и 1730 кДж/моль. Почему же атом цинка, реагируя с кислотой, теряет сразу два своих электрона? Иными словами, почему при взаимодействии цинка с кислотой не образуются ионы Zn

2.С растворами каких из следующих веществ будет реагировать хром: а) AgNO₃; б) NaCl; в) NiSO₄; г) Cu(NO₃)₂; д) CaBr₂; е) Al₂(SO₄)₃?

3.Какие вещества вступили в реакцию, если в результате реакции образовались а) Ag и Pb(NO₃)_2p; б) H₂ и MgSO_4p; в) Pb и Al(NO₃)_3p; г) H₂ и FeCl_2p; д) CaCO₃ и NaCl_p; е) Fe(OH)₃ и Rb₂SO_4p?

4.Осуществите превращения:

а) Mg

б) S

5. С избытком соляной кислоты прореагировали равные по массе кусочки магния и марганца. Не прибегая к вычислениям, определите, в каком случае выделилось больше водорода.

6.С избытком раствора серной кислоты прореагировали равные по количеству вещества кусочки алюминия и цинка. Не прибегая к вычислениям, определите, в каком случае выделилось больше водорода.

12.3. Кислотно-основные реакции (КОР)

Чаще всего кислотно-основные реакции протекают в растворах.(Одним из немногих примеров кислотно-основных реакций, протекающих не в растворах - образование кристаллического хлорида аммония из газообразного хлороводорода и аммиака: HCl(г)+NH₃(г)=NH₄Cl(кр) ).С некоторыми из них вы уже знакомы (см. § 11.4). В 9-м классе вы будете изучать только те кислотно-основные реакции, которые протекают в водных растворах.

Катион водорода отличается от всех остальных ионов тем, что это – нехимическая частица. Это протон – ядро атома водорода, полностью лишенное электронной оболочки. Из-за отсутствия электронной оболочки катион водорода не может существовать в химических системах как отдельная частица, а может только передаваться от одной частицы к другой.

Следует различать кислоты-частицы (молекулы или ионы) и кислоты-вещества, а также основания-частицы (молекулы или ионы) и основания-вещества.

Кислоты-частицы – молекулы и ионы, способные отдавать протоны. Основания-частицы – молекулы и ионы, способные принимать протоны.

Для соответствующих веществ можно дать пока только предварительные определения.

Кислоты-вещества – вещества, в состав которых входят частицы-кислоты. Основания-вещества – вещества, в состав которых входят частицы-основания.

Если и кислота (НА, кислота I) и основание (В, основание I) представляют собой молекулы, то их взаимодействие можно описать следующим уравнением:

.

Частица-кислота I (НА), отдав протон, превращается в анион (A

Так как реакция обратима, может установиться равновесие:

которое называется кислотно-основным равновесием.

Пример такого равновесия – равновесие в растворе азотистой кислоты:

Как видно из уравнения, в приведенном примере молекулы воды являются частицами-основаниями. Схема механизма этой реакции

Примечание. Все молекулы и ионы в водном растворе гидратированы, поэтому индексы " aq " в уравнениях реакций, протекающих в водных растворах, в дальнейшем мы ставить не будем за исключением тех случаев, когда их отсутствие может вызвать недоразумение.

Другие примеры кислотно-основных равновесий:

HA

H₃O

HA

HSO₄

HA + B

HNO₂ + OH

H₂O + NO₂

В последней реакции молекулы воды являются частицами-кислотами.

Возможны и иные сочетания исходных частиц.

Носителем кислотных свойств в водном растворе является ион оксония – именно он образуется из молекулы воды при взаимодействии с кислотой. Носителем основных свойств в водных растворах является гидроксид-ион – именно этот ион образуется из молекулы воды при взаимодействии с основанием.

Присутствие именно этих ионов в растворе определяется с помощью кислотно-основных индикаторов, а ионы оксония придают раствору кислый вкус. Поэтому, когда о веществе говорят " кислота " , то имеют в виду, что при взаимодействии этого вещества с водой в растворе появляются ионы оксония. Точно также, когда о веществе говорят " основание" , то имеют в виду, что при взаимодействии этого вещества с водой в растворе появляются гидроксид-ионы. Если индивидуальное вещество уже содержит ионы оксония или гидроксид-ионы, то такое вещество тоже называют кислотой или основанием.

Кислоты-вещества – вещества, содержащие в своем составе ионы оксония, или при взаимодействии с водой образующие в качестве катионов только ионы оксония.

Например, (H₃O)Cl или (H₃O)₂SO₄ содержат в своем составе ионы оксония, а HCl, H₂SO₄, HNO₂ образуют эти ионы при взаимодействии с водой. И в том, и в другом случае при растворении этих веществ в воде в растворе появляются ионы оксония:

Основания-вещества – вещества, содержащие в своем составе гидроксид-ионы или при взаимодействии с водой образующие в качестве анионов только гидроксид-ионы.

Например, NaOH или Ba(OH)₂ содержат в своем составе гидроксид-ионы, а NH₃ (аммиак) или CH₃NH₂ (метиламин) при взаимодействии с водой образуют гидроксид-ионы. При растворении этих веществ в воде в растворе появляются гидроксид-ионы:

.

Для вещества-основания использование предварительного определения (см. предыдущую страницу) невозможно. Причина в том, что существует довольно много веществ, в состав которых входят частицы, способные принимать протон и даже очень к этому склонные, то есть частицы-основания (H

[Zn(H₂O)₄]²

[Al(H₂O)₆]³

и т. д. (подробнее см. § 12.7).

2.Для кислотно-основных реакций, уравнения которых приведены в этом параграфе, укажите направление передачи протонов, частицы-кислоты и частицы-основания.

3.Составьте молекулярные уравнения реакций, рассмотренных вами в п. 1 и 2. К каким классам химических веществ относятся вещества-участники этих реакций?

4.Определите массовую долю кислоты в растворе, образовавшемся в результате плавления а) хлорида оксония, б) сульфата оксония.