Алгоритми прогнозування реакцій обміну, взаємодія металів із солями за рядом активності та розв'язування генетичних ланцюжків перетворень.

• ← Назад до змісту довідника

Реакції обміну між основами та солями

Розглянемо хімічну взаємодію між алюміній сульфатом та натрій гідроксидом:

• $\mathrm{Al_2(SO_4)_3}$ — сіль;
• $\mathrm{NaOH}$ — луг (розчинна основа).

Речовини різних класів у водному розчині здатні обмінюватися своїми складовими частинами.

💡 Прийом «Овальчики» для реакцій обміну
Обведіть умовно складові частинки речовин овальчиками: металічний елемент та кислотний залишок чи гідроксильну групу. Під час реакції компоненти просто міняються партнерами: Натрій сполучається із сульфатним залишком ($\mathrm{SO_4}$), а Алюміній — із гідроксильними групами ($\mathrm{OH}$).

Складання формул продуктів за валентностями

Формулу кожної нової сполуки складаємо з нуля за валентностями:

1. Сіль $\mathrm{Na_2SO_4}$ (натрій сульфат): Натрій має постійну валентність $\mathrm{I}$ ($\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{Na}}$). Кислотний залишок $\mathrm{SO_4}$ відповідає сульфатній кислоті $\mathrm{H_2SO_4}$, тому його валентність дорівнює $\mathrm{II}$ ($\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{SO}}_4$). Переносимо валентності навхрест: $\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{Na}}_2\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{SO}}_4$.
2. Основа $\mathrm{Al(OH)_3}$ (алюміній гідроксид): Алюміній має постійну валентність $\mathrm{III}$ ($\overset{\mathrm{III}}{\mathrm{Al}}$). Гідроксильна група має валентність $\mathrm{I}$ ($\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{OH}}$). Кількість груп $\mathrm{OH}$ дорівнює валентності металічного елемента: $\overset{\mathrm{III}}{\mathrm{Al}}(\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{OH}})_3$.

Перевірка умов перебігу та розстановка коефіцієнтів

💡 Реакція обміну у водному розчині відбувається лише за умови, що хоча б один із новоутворених продуктів випадає у формі нерозчинного осаду ($\downarrow$), виділяється у вигляді газу ($\uparrow$) або утворюється вода ($\mathrm{H_2O}$).

За таблицею розчинності:

• $\mathrm{Na_2SO_4}$ — розчинна сіль (Р);
• $\mathrm{Al(OH)_3}$ — нерозчинна сполука (Н), що випадає у вигляді білого драглистого осаду ($\downarrow$).

Осад утворюється, отже реакція перебігає до кінця:

$\mathrm{Al_2(SO_4)_3} + 6\mathrm{NaOH} = 3\mathrm{Na_2SO_4} + 2\mathrm{Al(OH)_3}\downarrow$

Взаємодія між двома солями

Солі — це єдиний клас сполук, представники якого можуть взаємодіяти між собою за формулою:

$\text{сіль}_1 + \text{сіль}_2 = \text{сіль}_3 + \text{сіль}_4$

Головні умови перебігу такої взаємодії:

1. Обидві вихідні солі мають бути розчинними у воді.
2. Хоча б одна з утворених солей має випасти в осад ($\downarrow$).

Приклад перебігу реакції з випаданням осаду

Взаємодія натрій хлориду з аргентум(I) нітратом:

$\mathrm{NaCl} + \mathrm{AgNO_3} = \mathrm{AgCl}\downarrow + \mathrm{NaNO_3}$

За таблицею розчинності аргентум(I) хлорид $\mathrm{AgCl}$ є нерозчинним білим сирнистим осадом. Усі солі Натрію ($\mathrm{Na^+}$) завжди повністю розчинні у воді. Реакція відбувається повністю.

Випадок, коли реакція обміну не відбувається

Взаємодія натрій хлориду з калій нітратом:

$\mathrm{NaCl} + \mathrm{KNO_3} \neq$

Передбачувані продукти обміну — $\mathrm{KCl}$ та $\mathrm{NaNO_3}$. Обидві солі є розчинними у воді. Жоден осад, газ чи вода не утворюються; йони залишаються у розчині у вільному стані, тому реакція не відбувається.

Взаємодія простих неметалів

Під час взаємодії неметалів із киснем утворюються кислотні або несолетворні оксиди. Горіння сірки в кисні:

$\mathrm{S} + \mathrm{O_2} = \mathrm{SO_2}$

Сульфур у цій реакції проявляє валентність $\mathrm{IV}$ ($\overset{\mathrm{IV}}{\mathrm{S}}$), Оксиген — валентність $\mathrm{II}$ ($\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{O}}$). Утворюється сульфур(IV) оксид.

Взаємодія металів із солями в розчині

💡 Правило ряду активності металів
Простий метал витісняє інший метал із розчину його солі лише тоді, коли він розташований лівіше (є активнішим) у ряді металів:

$\text{Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, } \mathbf{Fe} \text{, Ni, Sn, Pb, (H), } \mathbf{Cu} \text{, Hg, Ag, Pt, Au}$

Залізний цвях у розчині купрум(II) сульфату: Ферум ($\mathrm{Fe}$) розташований лівіше за Купрум ($\mathrm{Cu}$), тому Ферум витісняє мідь:

$\mathrm{Fe} + \mathrm{CuSO_4} = \mathrm{FeSO_4} + \mathrm{Cu}$

Мідна пластинка в розчині ферум(II) сульфату: Купрум розташований правіше за Ферум, тому реакція неможлива:

$\mathrm{Cu} + \mathrm{FeSO_4} \neq$

Розв’язування словесних генетичних ланцюжків

💡 Алгоритм аналізу словесного ланцюжка

1. Запишіть хімічну формулу кожної названої речовини, використовуючи валентності елементів і кислотних залишків.
2. Складіть окреме хімічне рівняння для кожного переходу.
3. Допишіть необхідні реагенти та урівняйте атоми за допомогою коефіцієнтів.

Розглянемо генетичний ланцюжок:

$\text{Фосфор} \to \text{фосфор(V) оксид} \to \text{ортофосфатна кислота} \to \text{кальцій ортофосфат}$

Крок 1. Складання формул сполук

$\mathrm{P \xrightarrow{(1)} \overset{\mathrm{V}}{\mathrm{P}}_2\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{O}}_5 \xrightarrow{(2)} \overset{\mathrm{I}}{\mathrm{H}}_3\overset{\mathrm{III}}{\mathrm{PO}}_4 \xrightarrow{(3)} \overset{\mathrm{II}}{\mathrm{Ca}}_3(\overset{\mathrm{III}}{\mathrm{PO}}_4)_2}$

Крок 2. Написання рівнянь реакцій

1. Одержання кислотного оксиду спалюванням фосфору:
   $4\mathrm{P} + 5\mathrm{O_2} = 2\mathrm{P_2O_5}$
2. Взаємодія кислотного оксиду з водою:
   $\mathrm{P_2O_5} + 3\mathrm{H_2O} = 2\mathrm{H_3PO_4}$
3. Одержання солі взаємодією кислоти з основним оксидом:
   $2\mathrm{H_3PO_4} + 3\mathrm{CaO} = \mathrm{Ca_3(PO_4)_2}\downarrow + 3\mathrm{H_2O}$

Складання рівнянь реакцій за словесними назвами реагентів

1. Сульфатна кислота + натрій оксид

Реакція між кислотою та основним оксидом завжди приводить до утворення солі та води:

• Формули реагентів: $\mathrm{H_2SO_4}$ та $\mathrm{Na_2O}$.
• Формули продуктів: сіль натрій сульфат $\mathrm{Na_2SO_4}$ та вода $\mathrm{H_2O}$.

$\mathrm{H_2SO_4} + \mathrm{Na_2O} = \mathrm{Na_2SO_4} + \mathrm{H_2O}$

Коефіцієнти не потрібні, кількості атомів усіх елементів зліва та справа однакові.

2. Барій гідроксид + нітратна кислота

Реакція нейтралізації між розчинною основою (лугом) та кислотою:

• Барій гідроксид: $\mathrm{Ba(OH)_2}$.
• Нітратна кислота: $\mathrm{HNO_3}$.
• Продукти: барій нітрат $\mathrm{Ba(NO_3)_2}$ та вода $\mathrm{H_2O}$.

Урівнюємо нітратні залишки і атоми Гідрогену:

$\mathrm{Ba(OH)_2} + 2\mathrm{HNO_3} = \mathrm{Ba(NO_3)_2} + 2\mathrm{H_2O}$

Завдання для самоконтролю (Домашнє завдання)

Завдання 1. Допишіть схеми можливих хімічних реакцій та урівняйте їх. Якщо реакція не відбувається, вкажіть знак $\neq$:

1. $\mathrm{Zn} + \mathrm{Hg(NO_3)_2} =$
2. $\mathrm{FeCl_3} + \mathrm{KOH} =$
3. $\mathrm{Ag} + \mathrm{Cu(NO_3)_2} =$
4. $\mathrm{NaOH} + \mathrm{MgCl_2} =$
5. $\mathrm{CuCl_2} + \mathrm{Al} =$
6. $\mathrm{KNO_3} + \mathrm{Na_2CO_3} =$
7. $\mathrm{AgNO_3} + \mathrm{HBr} =$

🔍 Показати розв'язок та відповіді до Завдання 1

1. $\mathrm{Zn} + \mathrm{Hg(NO_3)_2} = \mathrm{Zn(NO_3)_2} + \mathrm{Hg}$
   (Цинк активніший за ртуть, реакція заміщення відбувається).

2. $\mathrm{FeCl_3} + 3\mathrm{KOH} = \mathrm{Fe(OH)_3}\downarrow + 3\mathrm{KCl}$
   (Утворюється бурий осад нерозчинного ферум(III) гідроксиду).

3. $\mathrm{Ag} + \mathrm{Cu(NO_3)_2} \neq$
   (Срібло розташоване в ряді активності правіше за мідь, заміщення не відбувається).

4. $2\mathrm{NaOH} + \mathrm{MgCl_2} = \mathrm{Mg(OH)_2}\downarrow + 2\mathrm{NaCl}$
   (Випадає білий осад магній гідроксиду).

5. $3\mathrm{CuCl_2} + 2\mathrm{Al} = 2\mathrm{AlCl_3} + 3\mathrm{Cu}$
   (Алюміній активніший за мідь, витісняє її з хлориду).

6. $\mathrm{KNO_3} + \mathrm{Na_2CO_3} \neq$
   (Обидва передбачувані продукти $\mathrm{K_2CO_3}$ та $\mathrm{NaNO_3}$ розчинні, осад не утворюється).

7. $\mathrm{AgNO_3} + \mathrm{HBr} = \mathrm{AgBr}\downarrow + \mathrm{HNO_3}$
   (Випадає жовтуватий осад аргентум(I) броміду).

Завдання 2. Складіть рівняння реакцій, що відповідають таким ланцюжкам перетворень:

1. $\text{Сульфур} \to \text{сульфур(IV) оксид} \to \text{сульфітна кислота} \to \text{натрій сульфіт}$
2. $\text{Барій} \to \text{барій оксид} \to \text{барій гідроксид} \to \text{барій ортофосфат}$

🔍 Показати розв'язок та відповіді до Завдання 2

Ланцюжок 1:

1. $\mathrm{S} + \mathrm{O_2} = \mathrm{SO_2}$
2. $\mathrm{SO_2} + \mathrm{H_2O} = \mathrm{H_2SO_3}$
3. $\mathrm{H_2SO_3} + 2\mathrm{NaOH} = \mathrm{Na_2SO_3} + 2\mathrm{H_2O}$
   (або $\mathrm{H_2SO_3} + \mathrm{Na_2O} = \mathrm{Na_2SO_3} + \mathrm{H_2O}$)

Ланцюжок 2:

1. $2\mathrm{Ba} + \mathrm{O_2} = 2\mathrm{BaO}$
2. $\mathrm{BaO} + \mathrm{H_2O} = \mathrm{Ba(OH)_2}$
3. $3\mathrm{Ba(OH)_2} + 2\mathrm{H_3PO_4} = \mathrm{Ba_3(PO_4)_2}\downarrow + 6\mathrm{H_2O}$
   (або взаємодія з розчинною сіллю: $3\mathrm{Ba(OH)_2} + 2\mathrm{Na_3PO_4} = \mathrm{Ba_3(PO_4)_2}\downarrow + 6\mathrm{NaOH}$)

• ← Назад до змісту довідника