H2o распадается на ионы. Ионные уравнения. На катоде катионы восстанавливаются

Определение

Реакции, протекающие между ионами в растворах электролитов называются реакциями ионного обмена (РИО).

В ходе РИО не происходит изменение степеней окисления элементов, поэтому РИО не являются окислительно-восстановительными.

Критерием необратимости реакций ионного обмена служит образование слабого электролита.

Правило Бертолле

Реакции ионного обмена протекают практически необратимо в случае, если один из образующихся продуктов реакции "уходит" из сферы реакции в виде:

• газа,
• осадка
• или слабодиссоциирующего электролита (например, воды).

Если в растворе нет ионов, образующих слабый электролит, реакция обратима и в таком случае ее уравнение не пишут, ставя знак "$\ne$"

Для записи ионных уравнений используют молекулярные (1), полные ионные (2) и краткие ионные формы уравнений (3,4):

$2KOH + H_2SO_4 = K_2SO_4 + 2H_2O \hspace{3cm} (1)$

$2K^+ +2OH^- + 2H^+ + SO_4^{2-} = 2K^+ + SO_4^{2-} +2H_2O \hspace{0.2cm} (2)$

$2OH^- + 2H^+ = 2H_2O \hspace{5cm} (3)$

$OH^- + H^+ = H_2O \hspace{5.5cm} (4)$

Обратите внимание, что в кратком ионном уравнении коэффициенты должны быть минимальны. Поэтому в уравнении (3) все коэффициенты сокращаются на 2, и полученное уравнение (4) считается кратким ионным уравнением.

При составлении РИО следует помнить, что

• вода, металлы, оксиды, газы, осадки на ионы не распадаются и записываются во всех уравнениях в молекулярном виде;
• $H_2SO_3$, $H_2CO_3$, $NH_4OH$, $AgOH$ являются неустойчивыми и при образовании практически мгновенно разлагаются:

  $H_2SO_3 = H_2O + SO_2 \uparrow$

  $H_2CO_3 = H_2O + CO_2 \uparrow$

  $NH_4OH = H_2O + NH_3 \uparrow$

  $2AgOH = Ag_2O \downarrow + H_2O$

Алгоритм составления реакций ионного обмена

1. Записывают молекулярное уравнение и расставляют коэффициенты. При записи химических формул продуктов реакции важно помнить, что сумма зарядов в молекуле должна быть равна нулю.
2. Составляют полное ионное уравнение, в котором учитывают результат диссоциации и исходных веществ, и продуктов реакции обмена. В виде ионов записывают все растворимые соединения (обозначенные в таблице растворимости буквой «Р» (хорошо растворимые в воде), исключение – гидроксид кальция). Формулы нерастворимых веществ, газов, оксидов, воды записывают в молекулярном виде. Подсчитывают суммарный коэффициент реакции , для чего складывают все коэффициенты в правой и левой части уравнения.
3. Для получения сокращенной ионной формы уравнения, приводят подобные, то есть сокращают одинаковые ионы до и после знака равенства в уравнении. Коэффициенты должны быть минимальны, а суммы зарядов в левой и правой части уравнения должны быть одинаковы. Подсчитывают суммарный коэффициент в сокращенной форме (аналогично полной форме).
4. Сокращенная ионная форма уравнения отражает суть прошедшей химической реакции .

Взаимодействие основных оксидов с кислотами . Запишите молекулярное, краткое и полное ионные уравнения взаимодействия оксида кальция и соляной кислоты. Рассчитайте суммарные коэффициенты в полной и сокращенной форме.

Решение

1. Молекулярное уравнение:

$CaO + 2HCl = CaCl_2 + H_2O$

2. Полное ионное уравнение:

$CaO + 2H^+ + \underline{2Cl^-} = Ca^{2+} + \underline{2Cl^-} + H_2O$

Сумма коэффициентов равна (1+2+2+1+2+1)=9.

3. Сокращенное ионное уравнение:

$CaO + 2H^+ = Ca^{2+} + H_2O$

Суммарный коэффициент равен(1+2+1+1)=5.

4. Краткое ионное уравнение показывает, что при взаимодействии оксида кальция с сильными кислотами ($H^+$) реакция идет практически необратимо, в результате чего образуется растворимая соль кальция и малодиссоциирующее вещество (вода)

Взаимодействие солей с кислотами. Запишите молекулярное, краткое и полное ионные уравнения взаимодействия карбоната калия и азотной кислоты. Рассчитайте суммарные коэффициенты в полной и сокращенной форме.

Решение

1. Молекулярное уравнение:

$K_2CO_3 + 2HNO_3 = 2KNO_3 + CO_2\uparrow + H_2O$

2. Полное ионное уравнение:

$\underline{2K^+} + CO_3^{2-} + 2H^+ + \underline{2NO_3^-} = \underline{2K^+} + \underline{2NO_3^-} + CO_2\uparrow + H_2O$

Сумма коэффициентов равна (2+1+2+2+2+2+1+1)=13.

3. Краткое ионное уравнение:

$ CO_3^{2-} + 2H^+ = CO_2\uparrow + H_2O$

Сумма коэффициентов равна (1+2+1+1)=5.

4. Краткое ионное уравнение показывает, что при взаимодействии растворимых карбонатов (щелочных металлов) с сильными кислотами ($H^+$) реакция идет практически необратимо, в результате чего всегда образуется углекислый газ ($CO_2\uparrow$) и малодиссоциирующее вещество (вода)

Инструкция

Прежде чем приступать к ионных уравнений, необходимо усвоить некоторые правила. Нерастворимые в воде, газообразные и малодиссоциирующие вещества (например, вода) на ионы не распадаются, а значит, записывайте их в молекулярном виде. Также сюда относятся слабые электролиты, такие как H2S, H2CO3, H2SO3, NH4OH. Растворимость соединений можно узнать по таблице растворимости, которая является разрешенным справочным материалом на всех видах контроля. Там же указаны все заряды, которые присущи катионам и анионам. Для полноценного выполнения задания необходимо написать молекулярное, полное и ионное сокращенное уравнения.

Пример № 1. реакцию нейтрализации между серной кислотой и гидроксидом калия, рассмотрите ее с точки зрения ТЭД (теории электролитической диссоциации). Сначала запишите уравнение реакции в молекулярном виде и .H2SO4 + 2KOH = K2SO4 + 2H2OПроанализируйте полученные вещества на их растворимость и диссоциацию. Все соединения растворимы в воде, а значит на ионы. Исключение только вода, которая на ионы не распадается, следовательно, останется в молекулярном виде.Напишите ионное полное уравнение, найдите одинаковые ионы в левой и правой части и . Чтобы сократить одинаковые ионы, зачеркните их.2H+ +SO4 2- +2K+ +2OH- = 2K+ +SO4 2- + 2H2OВ результате получится ионное сокращенное уравнение:2H+ +2OH- = 2H2OКоэффициенты в виде двоек также можно сократить:H+ +OH- = H2O

Пример № 2. Напишите реакцию обмена между хлоридом меди и гидроксидом натрия, рассмотрите ее с точки зрения ТЭД. Запишите уравнение реакции в молекулярном виде и расставьте коэффициенты. В результате, образовавшийся гидроксид меди выпал в осадок голубого цвета. CuCl2 + 2NaOH = Cu(OH) 2↓ +2NaClПроанализируйте все вещества на их растворимость в воде – растворимы все, кроме гидроксида меди, который на ионы диссоциировать не будет. Запишите ионное полное уравнение, подчеркните и сократите одинаковые ионы:Cu2+ +2Cl- + 2Na+ +2OH- = Cu(OH) 2↓+2Na+ +2Cl-Остается ионное сокращенное уравнение:Cu2+ +2OH- = Cu(OH) 2↓

Пример № 3. Напишите реакцию обмена между карбонатом натрия и соляной кислотой, рассмотрите ее с точки зрения ТЭД. Запишите уравнение реакции в молекулярном виде и расставьте коэффициенты. В результате реакции образуется хлорид натрия и выделяется газообразное вещество СО2 (углекислый газ или оксид углерода (IV)). Оно образуется за счет разложения слабой угольной кислоты, распадающейся на оксид и воду. Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + CO2+H2OПроанализируйте все вещества на их растворимость в воде и диссоциацию. Углекислый газ уходит из системы, как газообразное соединение, вода – это малодиссоциирующее вещество. Все остальные вещества на ионы распадаются. Запишите ионное полное уравнение, подчеркните и сократите одинаковые ионы:2Na+ +СO3 2- +2H+ +2Cl- =2Na+ +2Cl- +CO2+H2OОстается ионное сокращенное уравнение:СO3 2- +2H+ =CO2+H2O

оксиды в т.ч. H 2 O, осадки (таблица растворимости), слабодиссоциирующие соединения: H 2 S; HNO 2 , H 2 SO 3 → SO 2 + H 2 O, H 2 CO 3 → CO 2 + H 2 O, NH 4 OH → NH 3 + H 2 O; CH 3 COOH; HMnO 4 H 2 SiO 3 , H 3 PO 4

Постоянную степень окисления имеют:

I группа главная подгруппа +1, II группа главная подгруппа +2, Н + , О –2 , ОН – , Al 3+ , Zn 2+ .

Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) – это реакции в которых элементы меняют степень окисления (СО) за счет передачи электронов.

Алгоритм решения окислительно-восстановительных реакций

Проставляем степень окисления (СО) у каждого элемента в реакции.

Находим элементы, которые меняют степень окисления.

Выделяем ионы или молекулы, в которых находятся элементы с изменившейся степенью окисления.

Подписываем окислитель, восстановитель.

Кислая среда: добавляем nН 2 О, где недостаток О → 2nН +

Щелочная среда: добавляем nН 2 О, где избыток О → 2nОН –

Каждую полуреакцию уравниваем (левая часть полуреакции = правой), записываем число отданных и принятых электронов.

Уравниваем число принятых и отданных электронов, выставляем коэффициенты перед полуреакциями.

Подписываем процесс окисления и процесс восстановления.

Записываем суммарное ионное уравнение с учетом коэффициентов.

Переносим коэффициенты из ионного в молекулярное уравнение, приводим подобные (левая часть реакции = правой)

http://ru.wikipedia.org/wiki/%DD%EB%E5%EA%F2%F0%EE%EB%E8%E7

По закону Фарадея: m = ЭIt/96 500, Q = It, Кл (израсходовано электричества)

где m – масса вещества, окисленного или восстановленного на электроде; Э- эквивалентная масса вещества; I – сила тока, А; t – продолжительность электролиза, с. Vэ Н 2 =11,2 л, Vэ О 2 = 5,6 л

Для запоминания катодных и анодных процессов в электрохимии существует следующее мнемоническое правило:

У анода анионы окисляются.

На катоде катионы восстанавливаются.

В первой строке все слова начинаются с гласной буквы, во второй - с согласной.

Или проще:

КАТод - КАТионы (ионы у катода)

АНод - АНионы (ионы у анода)

Реакции ионного обмена — реакции в водных растворах между электролитами, протекающие без изменений степеней окисления образующих их элементов.

Необходимым условием протекания реакции между электролитами (солями, кислотами и основаниями) является образование малодиссоциирующего вещества (вода, слабая кислота, гидроксид аммония), осадка или газа.

Расcмотрим реакцию, в результате которой образуется вода. К таким реакциям относятся все реакции между любой кислотой и любым основанием. Например, взаимодействие азотной кислоты с гидроксидом калия:

HNO 3 + KOH = KNO 3 + H 2 O (1)

Исходные вещества, т.е. азотная кислота и гидроксид калия, а также один из продуктов, а именно нитрат калия, являются сильными электролитами, т.е. в водном растворе они существуют практически только в виде ионов. Образовавшаяся вода относится к слабым электролитам, т.е. практически не распадается на ионы. Таким образом, более точно переписать уравнение выше можно, указав реальное состояние веществ в водном растворе, т.е. в виде ионов:

H + + NO 3 − + K + + OH ‑ = K + + NO 3 − + H 2 O (2)

Как можно заметить из уравнения (2), что до реакции, что после в растворе находятся ионы NO 3 − и K + . Другими словами, по сути, нитрат-ионы и ионы калия никак не участвовали в реакции. Реакция произошла только благодаря объединению частиц H + и OH − в молекулы воды. Таким образом, произведя алгебраически сокращение одинаковых ионов в уравнении (2):

H + + NO 3 − + K + + OH ‑ = K + + NO 3 − + H 2 O

мы получим:

H + + OH ‑ = H 2 O (3)

Уравнения вида (3) называют сокращенными ионными уравнениями , вида (2) — полными ионными уравнениями , а вида (1) — молекулярными уравнениями реакций .

Фактически ионное уравнение реакции максимально отражает ее суть, именно то, благодаря чему становится возможным ее протекание. Следует отметить, что одному сокращенному ионному уравнению могут соответствовать множество различных реакций. Действительно, если взять, к примеру, не азотную кислоту, а соляную, а вместо гидроксида калия использовать, скажем, гидроксид бария, мы имеем следующее молекулярное уравнение реакции:

2HCl+ Ba(OH) 2 = BaCl 2 + 2H 2 O

Соляная кислота, гидроксид бария и хлорид бария являются сильными электролитами, то есть существуют в растворе преимущественно в виде ионов. Вода, как уже обсуждалось выше, – слабый электролит, то есть существует в растворе практически только в виде молекул. Таким образом, полное ионное уравнение данной реакции будет выглядеть следующим образом:

2H + + 2Cl − + Ba 2+ + 2OH − = Ba 2+ + 2Cl − + 2H 2 O

Сократим одинаковые ионы слева и справа и получим:

2H + + 2OH − = 2H 2 O

Разделив и левую и правую часть на 2, получим:

H + + OH − = H 2 O,

Полученное сокращенное ионное уравнение полностью совпадает с сокращенными ионным уравнением взаимодействия азотной кислоты и гидроксида калия.

При составлении ионных уравнений в виде ионов записывают только формулы:

1) сильных кислот (HCl, HBr, HI, H 2 SO 4 , HNO 3 , HClO 4) (список сильных кислот надо выучить!)

2) сильных оснований (гидроксиды щелочных (ЩМ) и щелочно-земельных металлов(ЩЗМ))

3) растворимых солей

В молекулярном виде записывают формулы:

1) Воды H 2 O

2) Слабых кислот (H 2 S, H 2 CO 3 , HF, HCN, CH 3 COOH (и др. практически все органические)).

3) Слабых оcнований (NH 4 OH и практически все гидроксиды металлов кроме ЩМ и ЩЗМ.

4) Малорастворимых солей (↓) («М» или «Н» в таблице растворимости).

5) Оксидов (и др. веществ, не являющихся электролитами).

Попробуем записать уравнение между гидроксидом железа (III) и серной кислотой. В молекулярном виде уравнение их взаимодействия записывается следующим образом:

2Fe(OH) 3 + 3H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O

Гидроксиду железа (III) соответствует в таблице растворимости обозначение «Н», что говорит нам о его нерастворимости, т.е. в ионном уравнении его надо записывать целиком, т.е. как Fe(OH) 3 . Серная кислота растворима и относится к сильным электролитам, то есть существует в растворе преимущественно в продиссоциированном состоянии. Сульфат железа (III), как и практически все другие соли, относится к сильным электролитам, и, поскольку он растворим в воде, в ионном уравнении его нужно писать в виде ионов. Учитывая все вышесказанное, получаем полное ионное уравнение следующего вида:

2Fe(OH) 3 + 6H + + 3SO 4 2- = 2Fe 3+ + 3SO 4 2- + 6H 2 O

Сократив сульфат-ионы слева и справа, получаем:

2Fe(OH) 3 + 6H + = 2Fe 3+ + 6H 2 O

разделив обе части уравнения на 2 получаем сокращенное ионное уравнение:

Fe(OH) 3 + 3H + = Fe 3+ + 3H 2 O

Теперь давайте рассмотрим реакцию ионного обмена, в результате которой образуется осадок. Например, взаимодействие двух растворимых солей:

Все три соли – карбонат натрия, хлорид кальция, хлорид натрия и карбонат кальция (да-да, и он тоже) – относятся к сильным электролитам и все, кроме карбоната кальция, растворимы в воде, т.е. есть участвуют в данной реакции в виде ионов:

2Na + + CO 3 2- + Ca 2+ + 2Cl − = CaCO 3 ↓+ 2Na + + 2Cl −

Сократив одинаковые ионы слева и справа в данном уравнении, получим сокращенное ионное:

CO 3 2- + Ca 2+ = CaCO 3 ↓

Последнее уравнение отображает причину взаимодействия растворов карбоната натрия и хлорида кальция. Ионы кальция и карбонат-ионы объединяются в нейтральные молекулы карбоната кальция, которые, соединяясь друг с другом, порождают мелкие кристаллы осадка CaCO 3 ионного строения.

Примечание важное для сдачи ЕГЭ по химии

Чтобы реакция соли1 с солью2 протекала, помимо базовых требований к протеканиям ионных реакций (газ, осадок или вода в продуктах реакции), на такие реакции накладывается еще одно требование – исходные соли должны быть растворимы. То есть, например,

CuS + Fe(NO 3) 2 ≠ FeS + Cu(NO 3) 2

реакция не идет, хотя FeS – потенциально мог бы дать осадок, т.к. нерастворим. Причина того что реакция не идет – нерастворимость одной из исходных солей (CuS).

А вот, например,

Na 2 CO 3 + CaCl 2 = CaCO 3 ↓+ 2NaCl

протекает, так как карбонат кальция нерастворим и исходные соли растворимы.

То же самое касается взаимодействия солей с основаниями. Помимо базовых требований к протеканию реакций ионного обмена, для того чтобы соль с основанием реагировали необходима растворимость их обоих. Таким образом:

Cu(OH) 2 + Na 2 S – не протекает,

т.к. Cu(OH) 2 нерастворим, хотя потенциальный продукт CuS был бы осадком.

А вот реакция между NaOH и Cu(NO 3) 2 протекает, так оба исходных вещества растворимы и дают осадок Cu(OH) 2:

2NaOH + Cu(NO 3) 2 = Cu(OH) 2 ↓+ 2NaNO 3

Внимание! Ни в коем случае не распространяйте требование растворимости исходных веществ дальше реакций соль1+ соль2 и соль + основание.

Например, с кислотами выполнение этого требования не обязательно. В частности, все растворимые кислоты прекрасно реагируют со всеми карбонатами, в том числе нерастворимыми.

Другими словами:

1) Соль1+ соль2 — реакция идет если исходные соли растворимы, а в продуктах есть осадок

2) Соль + гидроксид металла – реакция идет, если в исходные вещества растворимы и в продуктах есть осадок или гидроксид аммония.

Рассмотрим третье условие протекания реакций ионного обмена – образование газа. Строго говоря, только в результате ионного обмена образование газа возможно лишь в редких случаях, например, при образовании газообразного сероводорода:

K 2 S + 2HBr = 2KBr + H 2 S

В большинстве же остальных случаев газ образуется в результате разложения одного из продуктов реакции ионного обмена. Например, нужно точно знать в рамках ЕГЭ, что с образованием газа в виду неустойчивости разлагаются такие продукты, как H 2 CO 3 , NH 4 OH и H 2 SO 3:

H 2 CO 3 = H 2 O + CO 2

NH 4 OH = H 2 O + NH 3

H 2 SO 3 = H 2 O + SO 2

Другими словами, если в результате ионного обмена образуются угольная кислота, гидроксид аммония или сернистая кислота, реакция ионного обмена протекает благодаря образованию газообразного продукта:

Запишем ионные уравнения для всех указанных выше реакций, приводящих к образованию газов. 1) Для реакции:

K 2 S + 2HBr = 2KBr + H 2 S

В ионном виде будут записываться сульфид калия и бромид калия, т.к. являются растворимыми солями, а также бромоводородная кислота, т.к. относится к сильным кислотам. Сероводород же, являясь малорастворимым и плохо диссоциирцющим на ионы газом, запишется в молекулярном виде:

2K + + S 2- + 2H + + 2Br — = 2K + + 2Br — + H 2 S

Сократив одинаковые ионы получаем:

S 2- + 2H + = H 2 S

2) Для уравнения:

Na 2 CO 3 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + H 2 O + CO 2

В ионном виде запишутся Na 2 CO 3 , Na 2 SO 4 как хорошо растворимые соли и H 2 SO 4 как сильная кислота. Вода является малодиссоциирующим веществом, а CO 2 и вовсе неэлектролит, поэтому их формулы будут записываться в молекулярном виде:

2Na + + CO 3 2- + 2H + + SO 4 2- = 2Na + + SO 4 2 + H 2 O + CO 2

CO 3 2- + 2H + = H 2 O + CO 2

3) для уравнения:

NH 4 NO 3 + KOH = KNO 3 + H 2 O + NH 3

Молекулы воды и аммиака запишутся целиком, а NH 4 NO 3 , KNO 3 и KOH запишутся в ионном виде, т.к. все нитраты являются хорошо растворимыми солями, а KOH является гидроксидом щелочного металла, т.е. сильным основанием:

NH 4 + + NO 3 − + K + + OH − = K + + NO 3 − + H 2 O + NH 3

NH 4 + + OH − = H 2 O + NH 3

Для уравнения:

Na 2 SO 3 + 2HCl = 2NaCl + H 2 O + SO 2

Полное и сокращенное уравнение будут иметь вид:

2Na + + SO 3 2- + 2H + + 2Cl − = 2Na + + 2Cl − + H 2 O + SO 2