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
Ca2aq  + CO32aq  = 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