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

  _aq, SO₄²

_aq.

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

H₂O, Ba²

_aq, Cl

_aq.

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

Ba²

_aq, Cl

_aq, Na

_aq, SO₄

_aq.

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

_aq  + SO₄²

_aq  = BaSO₄

.

Символ

означает, что вещество выделилось из раствора в виде осадка.

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

_aq + Cl

 

 NaCl_кр

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

_aq  + SO₄²

_aq  = BaSO₄

 

" молекулярное " уравнение реакции выглядит так:

BaCl_2p + Na₂SO_4p = BaSO₄

+ 2NaCl_p.

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

_aq  + Cl

_aq  = AgCl

 

AgNO_3p + NaCl_p = AgCl

+ NaNO_3p;

или Zn²

_aq  + 2OH

_aq  = Zn(OH)₂

ZnSO_4p + 2NaOH_p = Zn(OH)₂

+ Na₂SO₄.

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  

 

 

 

 

в растворе после

завершения реакци и

 

 

 

 

 

 

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
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

_aq, Cl

_aq, Na

_aq, CO₃²

_aq, H₂O.

Используя таблицу растворимости, находим, что из ионов Ca²

  _aq  и CO₃²

_aq  может образоваться осадок нерастворимого в воде вещества CaCO₃. Отметив это в таблице, составляем ионное уравнение:

Ca²

_aq  + CO₃²

_aq  = CaCO₃

 

Остающиеся после завершения реакции частицы (Cl

  _aq, Na

  _aq, H₂O) между собой не реагируют и представляют собой раствор NaCl. Убедившись в этом, составляем " молекулярное " уравнение реакции:

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 aq  + CO32 aq  = CaCO3
Перечень частиц в растворе после завершения реакции
Cl aq, Na aq, H2O
Проверка
Эти частицы между собой не реагируют
" Молекулярное" уравнение
CaCl2p + Na2CO3p = 2NaCl p + CaCO3