Задание 30: реакции ионного обмена

Задание 30 идёт в связке с заданием 29: даётся один перечень веществ, из него надо выбрать пару для окислительно-восстановительной реакции (29) и другую пару — для реакции ионного обмена (30). Повторно брать вещества из первой пары нельзя, и это первое, о чём забывают.

В самом условии всегда есть подсказка о признаке реакции: «сопровождающаяся образованием осадка белого цвета», «осадка бурого цвета», «с выделением газа», «осадка амфотерного гидроксида». Подсказка эта не декоративная — она однозначно указывает на продукт, а значит, и на пару веществ.

Разберём, как читать такие формулировки:

• • «осадок белого цвета (амфотерный гидроксид)» — значит, продукт Al(OH)₃, Zn(OH)₂, Be(OH)₂ или Cr(OH)₃ (последний серо-зелёный). Слово «амфотерный» отсекает Mg(OH)₂ и BaSO₄, которые тоже белые;
• • «осадок бурого цвета» — почти наверняка Fe(OH)₃;
• • «осадок зеленоватого цвета» — Fe(OH)₂;
• • «осадок голубого цвета» — Cu(OH)₂;
• • «с выделением газа с резким запахом» — NH₃ (соль аммония и щёлочь) или SO₂;
• • «с выделением газа без цвета и запаха» — CO₂ из карбоната.

Что оценивает эксперт. Критериев два, по одному баллу: первый — правильно выбраны вещества и записано молекулярное уравнение; второй — правильно записаны полное и сокращённое ионные уравнения. Балл за ионные уравнения снимают целиком, если хотя бы одно из них неверно, поэтому проверять надо оба.

И предупреждение о формате: если реакция между выбранными веществами не идёт или не даёт названного признака, ноль ставится сразу за оба критерия — дальше эксперт не смотрит.

В задании 30 требуются три уравнения — молекулярное, полное ионное и сокращённое ионное, — и за каждое даётся балл. Львиная доля потерь приходится на второй шаг: неверно решают, что расписывать на ионы.

На ионы расписывают только сильные электролиты, находящиеся в растворе. Практически это три группы:

• • сильные кислоты: HCl, HBr, HI, HNO₃, H₂SO₄;
• • щёлочи: NaOH, KOH, LiOH, Ca(OH)₂, Ba(OH)₂;
• • растворимые соли (сверяйтесь с таблицей растворимости — её выдают на экзамене).

Молекулами (то есть целиком) записывают всё остальное:

• • осадки — всё, что помечено в таблице как нерастворимое;
• • газы: CO₂, SO₂, H₂S, NH₃;
• • слабые электролиты: H₂O, CH₃COOH, H₂CO₃, H₂S, H₂SO₃, NH₃·H₂O;
• • оксиды и простые вещества — они вообще не электролиты.

Ионы-«зрители». Те, что стоят и слева, и справа в неизменном виде, в реакции не участвуют. Их вычёркивают, и остаётся сокращённое ионное уравнение — суть процесса. Именно за него чаще всего и теряют балл: либо забывают вычеркнуть, либо вычёркивают лишнее.

Проверка сокращённого уравнения. Сумма зарядов слева должна равняться сумме зарядов справа. В уравнении Ba²⁺ + SO₄²⁻ = BaSO₄↓ слева (+2) + (−2) = 0, справа 0 — сходится.

Как выбрать пару веществ из перечня. Реакция обмена идёт, только если образуется осадок, газ или слабый электролит. Берите вещества, у которых при обмене партнёрами получается что-то из этого списка. Если все четыре продукта растворимы и сильны — реакции нет, и такая пара в ответ не годится.

Половина потерянных баллов в задании 30 — это вещество, записанное ионами там, где надо было записать молекулой, или наоборот. Таблицу растворимости на экзамене выдают, а вот список слабых электролитов надо помнить самому.

Слабые кислоты — всегда молекулой: CH₃COOH, H₂S, H₂CO₃, H₂SO₃, H₂SiO₃, HF, HNO₂, HCN. Сюда же H₃PO₄ — кислота средней силы, в ионных уравнениях её принято записывать молекулой.

Сильные кислоты — всегда ионами: HCl, HBr, HI, HNO₃, H₂SO₄, а также HClO₄ и HMnO₄.

Слабые основания — молекулой: NH₃·H₂O (гидрат аммиака) и все нерастворимые гидроксиды.

Щёлочи — ионами: NaOH, KOH, LiOH, Ba(OH)₂, а также Ca(OH)₂, если сказано «раствор» (известковая вода). Если же в условии «известковое молоко» — это взвесь, и тогда молекулой.

Вода — всегда молекулой, хотя формально она и электролит: диссоциирует она ничтожно.

Оксиды, простые вещества, газы — всегда молекулой. Оксид не диссоциирует, потому что не растворён в виде ионов: CuO в уравнении остаётся CuO.

Кислые и основные соли расписывают частично. NaHCO₃ в растворе даёт Na⁺ и HCO₃⁻: первая ступень идёт полностью, вторая практически нет. Поэтому писать «Na⁺ + H⁺ + CO₃²⁻» — ошибка. То же и с Ca(HCO₃)₂ → Ca²⁺ + 2HCO₃⁻, и с гидросульфатами: NaHSO₄ — исключение, он сильный электролит и даёт Na⁺ + H⁺ + SO₄²⁻.

Прежде чем писать три уравнения, надо убедиться, что реакция вообще возможна. Обмен в растворе идёт только при выполнении одного из трёх условий, и других не бывает.

Условие 1. Выпадает осадок. Проверяется по таблице растворимости, которую выдают на экзамене. Пример: BaCl₂ + Na₂SO₄ = BaSO₄↓ + 2NaCl.

Условие 2. Выделяется газ. Чаще всего это CO₂ (из карбонатов), SO₂ (из сульфитов), H₂S (из сульфидов) и NH₃ (из солей аммония при действии щёлочи). Пример: Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + H₂O + CO₂↑.

Условие 3. Образуется слабый электролит, чаще всего вода. Это реакция нейтрализации: NaOH + HCl = NaCl + H₂O. Сюда же относится образование слабых кислот: уксусной, сероводородной, угольной.

Если ни одно условие не выполнено, реакции нет. Смешав растворы NaCl и KNO₃, вы получите в стакане четыре сорта ионов, которые как плавали, так и плавают. Записать такое уравнение — грубая ошибка, и в задании 30 пары веществ подбирают так, чтобы проверить именно это понимание.

Отдельный случай — реакция с образованием комплекса. Избыток щёлочи с солью амфотерного металла даёт растворимый гидроксокомплекс: AlCl₃ + 4NaOH(изб.) = Na[Al(OH)₄] + 3NaCl. Формально осадок не образуется, но реакция идёт, потому что комплексный ион — прочная частица, и равновесие смещается вправо.

Практический порядок работы с перечнем. Возьмите пару веществ, мысленно обменяйте их частями, посмотрите на оба продукта и спросите: есть ли среди них осадок, газ или вода? Есть — пара подходит. Нет — берите следующую. На перебор пяти веществ уходит меньше минуты.

Второй критерий задания 30 — полное и сокращённое ионные уравнения. Ошибки здесь повторяются из года в год, и все четыре механические.

Ошибка 1. Коэффициент не перенесён на ионы. Записывая AlCl₃ ионами, надо получить Al³⁺ + 3Cl⁻, а не «Al³⁺ + Cl⁻». Коэффициент перед формулой умножается на индексы: 3NaOH → 3Na⁺ + 3OH⁻. Проверка простая: суммарное число атомов каждого элемента в ионной записи должно совпадать с молекулярной.

Ошибка 2. Не сошёлся заряд. Сумма зарядов слева обязана равняться сумме справа. Для Al³⁺ + 3OH⁻ = Al(OH)₃↓ считаем: слева (+3) + 3·(−1) = 0, справа 0 — сходится. Если не сходится, где-то потерян ион или коэффициент.

Ошибка 3. Сокращено не то. Убирать можно только те ионы, которые стоят в обеих частях уравнения и в одинаковом количестве. Если слева 3Na⁺, а справа 2Na⁺, сокращается два, а один остаётся — значит, где-то ошибка в молекулярном уравнении, потому что в правильной реакции обмена зрители сокращаются нацело.

Ошибка 4. Пропущены знаки ↓ и ↑. Эксперт читает уравнение как утверждение: без стрелки не показано, что вещество ушло из раствора, а значит, не показана и причина, по которой реакция идёт до конца. Ставьте их и в молекулярном, и в обоих ионных уравнениях.

Есть и пятая, содержательная: сокращённое уравнение получилось пустым. Если после вычёркивания зрителей не осталось ничего, значит, реакция не идёт: ни осадка, ни газа, ни слабого электролита не образовалось, и все ионы остались в растворе. Пустое сокращённое уравнение — сигнал, что пара веществ выбрана неверно.

Самая частая формулировка банка — «образование осадка белого цвета (амфотерный гидроксид)». Речь об Al(OH)₃, Zn(OH)₂, Be(OH)₂, а также о серо-зелёном Cr(OH)₃. У этих осадков есть особенность, которая и делает задание непростым.

Они растворяются в избытке щёлочи, образуя комплексные соли:

Al(OH)₃ + NaOH(изб., р-р) → Na[Al(OH)₄]

Zn(OH)₂ + 2NaOH(изб., р-р) → Na₂[Zn(OH)₄]

Поэтому в задании принципиально, какое соотношение реагентов подразумевается. Если в условии сказано «образуется осадок», значит, щёлочь взята в недостатке или в стехиометрическом количестве, и писать надо обычный обмен:

AlCl₃ + 3KOH → Al(OH)₃↓ + 3KCl

Al³⁺ + 3OH⁻ → Al(OH)₃↓

Если же написать реакцию с избытком щёлочи, осадка в ответе не будет, признак из условия не выполнится и балл снимут за оба критерия сразу.

Обратная сторона той же медали: амфотерный гидроксид растворяется и в кислоте, как обычное основание: Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O. Именно способность реагировать и с кислотой, и со щёлочью называется амфотерностью, и её часто проверяют мысленным экспериментом в задании 31.

И полезное наблюдение про Cu(OH)₂: голубой осадок в избытке щёлочи не растворяется (в школьном курсе), зато растворяется в водном аммиаке, давая ярко-синий комплекс. Гидроксид меди — не амфотерный, и путать его с Al(OH)₃ нельзя.

Два случая, в которых обычный обмен не работает, а ответ требуется всё равно.

Совместный (взаимный) гидролиз. Соль сильно гидролизующегося катиона и соль гидролизующегося аниона усиливают гидролиз друг друга, и вместо ожидаемой соли получаются гидроксид и газ. Карбоната алюминия Al₂(CO₃)₃ в водном растворе не существует:

2AlCl₃ + 3Na₂CO₃ + 3H₂O → 2Al(OH)₃↓ + 3CO₂↑ + 6NaCl

То же с сульфидами и с солями хрома(III) и железа(III). Признак сразу двойной — и осадок, и газ. Если в перечне стоят растворимая соль алюминия (или железа(III)) и карбонат либо сульфид щелочного металла, ждать надо именно такой реакции.

Кислые соли. Гидрокарбонат ведёт себя и как кислота, и как основание:

• • с кислотой: NaHCO₃ + HCl → NaCl + H₂O + CO₂↑, сокращённо HCO₃⁻ + H⁺ → H₂O + CO₂↑;
• • со щёлочью: NaHCO₃ + NaOH → Na₂CO₃ + H₂O, сокращённо HCO₃⁻ + OH⁻ → CO₃²⁻ + H₂O;
• • с гидроксидом кальция: Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O — реакция, на которой основано устранение временной жёсткости воды.

Во всех трёх случаях ион HCO₃⁻ остаётся целым в левой части: расписывать его на H⁺ и CO₃²⁻ нельзя.