Навчальне дослідження № 9. «Реакції йонного обміну між електролітами у водних розчинах»

• Назад до змісту

Завдання дослідження: дослідити хімічні реакції між водними розчинами солей, кислот і основ.

Обладнання: штатив із пробірками, піпетки.

Реактиви: розчини $\mathrm{HCl}$, $\mathrm{Na_2CO_3}$, $\mathrm{KCl}$, $\mathrm{CaCl_2}$, $\mathrm{BaCl_2}$, $\mathrm{MgCl_2}$, $\mathrm{KBr}$, $\mathrm{KI}$, $\mathrm{K_3PO_4}$, $\mathrm{Na_2SO_4}$, $\mathrm{Na_2SO_3}$, $\mathrm{AgNO_3}$, $\mathrm{H_2SO_4}$, $\mathrm{NaOH}$, лакмусу або метилового оранжевого.

1. Сформулюйте мету дослідження відповідно до визначеного завдання.

Дослідити хімічні реакції між водними розчинами солей, кислот і основ, навчитися складати молекулярні та йонно-молекулярні рівняння та з’ясувати умови, за яких реакції йонного обміну перебігають до кінця.

2. Виконайте досліди.

Дослід 1. У дві пробірки налийте по 1 мл розчину натрій карбонату. У першу пробірку додайте кілька крапель хлоридної кислоти, а в другу — 1 мл розчину кальцій хлориду.

Які зміни спостерігаєте?

У першій пробірці інтенсивно виділяються бульбашки безбарвного газу, а в другій випадає білий осад.

Ці реакції є оборотними чи необоротними?

Ці реакції є необоротними, тому що в результаті першої виділяється газ, а в результаті другої утворюється нерозчинна речовина (осад).

Запишіть рівняння реакцій:

Перша пробірка:
$\mathrm{Na_2CO_3 + 2HCl = 2NaCl + CO_2\uparrow + H_2O}$
$2\mathrm{Na^+} + \mathrm{CO_3^{2-}} + 2\mathrm{H^+} + 2\mathrm{Cl^-} = 2\mathrm{Na^+} + 2\mathrm{Cl^-} + \mathrm{CO_2\uparrow} + \mathrm{H_2O}$
$2\mathrm{H^+} + \mathrm{CO_3^{2-}} = \mathrm{CO_2\uparrow} + \mathrm{H_2O}$

Друга пробірка:
$\mathrm{Na_2CO_3 + CaCl_2 = CaCO_3\downarrow + 2NaCl}$
$2\mathrm{Na^+} + \mathrm{CO_3^{2-}} + \mathrm{Ca^{2+}} + 2\mathrm{Cl^-} = \mathrm{CaCO_3\downarrow} + 2\mathrm{Na^+} + 2\mathrm{Cl^-}$
$\mathrm{Ca^{2+}} + \mathrm{CO_3^{2-}} = \mathrm{CaCO_3\downarrow}$

Чи відбуватимуться реакції, якщо замість розчину натрій карбонату використати нерозчинну сіль, наприклад, магній карбонат?

З хлоридною кислотою реакція відбудеться, оскільки нерозчинні карбонати розчиняються в сильних кислотах з виділенням вуглекислого газу: $\mathrm{MgCO_3 + 2HCl = MgCl_2 + CO_2\uparrow + H_2O}$. З розчином кальцій хлориду реакція не відбуватиметься, тому що для реакції обміну між двома солями обидві вихідні солі мають бути розчинними у воді.

Дослід 2. У дві пробірки налийте по 1 мл розчину барій хлориду. У першу пробірку додайте 1 мл розчину натрій сульфату, у другу — кілька крапель розчину аргентум(1+) нітрату.

Які зміни спостерігаєте?

В обох пробірках випадають білі осади.

Чи відрізняються осади в обох пробірках на вигляд і за складом?

Так, осади відрізняються. У першій пробірці випадає тонкий дрібнокристалічний осад барій сульфату $\mathrm{BaSO_4}$, а в другій утворюється білий сирнистий осад аргентум(I) хлориду $\mathrm{AgCl}$.

Запишіть рівняння реакцій:

Перша пробірка:
$\mathrm{BaCl_2 + Na_2SO_4 = BaSO_4\downarrow + 2NaCl}$
$\mathrm{Ba^{2+}} + 2\mathrm{Cl^-} + 2\mathrm{Na^+} + \mathrm{SO_4^{2-}} = \mathrm{BaSO_4\downarrow} + 2\mathrm{Na^+} + 2\mathrm{Cl^-}$
$\mathrm{Ba^{2+}} + \mathrm{SO_4^{2-}} = \mathrm{BaSO_4\downarrow}$

Друга пробірка:
$\mathrm{BaCl_2 + 2AgNO_3 = 2AgCl\downarrow + Ba(NO_3)_2}$
$\mathrm{Ba^{2+}} + 2\mathrm{Cl^-} + 2\mathrm{Ag^+} + 2\mathrm{NO_3^-} = 2\mathrm{AgCl\downarrow} + \mathrm{Ba^{2+}} + 2\mathrm{NO_3^-}$
$\mathrm{Ag^+} + \mathrm{Cl^-} = \mathrm{AgCl\downarrow}$

Дослід 3. У чотири пробірки налийте по 1 мл розчинів калій хлориду, калій броміду, калій йодиду та калій ортофосфату. У кожну пробірку додайте по кілька крапель розчину аргентум(1+) нітрату.

Які зміни спостерігаєте?

В усіх чотирьох пробірках спостерігається утворення осадів різного кольору.

Чи відрізняються осади в усіх пробірках на вигляд і за складом?

Так, осади різняться за хімічним складом і забарвленням. У першій пробірці утворився білий сирнистий осад $\mathrm{AgCl}$, у другій — блідо-жовтий (жовтувато-білий) осад $\mathrm{AgBr}$, у третій — насичено-жовтий осад $\mathrm{AgI}$, у четвертій — яскраво-жовтий осад $\mathrm{Ag_3PO_4}$.

Запишіть рівняння реакцій:

Перша пробірка:
$\mathrm{KCl + AgNO_3 = AgCl\downarrow + KNO_3}$
$\mathrm{K^+} + \mathrm{Cl^-} + \mathrm{Ag^+} + \mathrm{NO_3^-} = \mathrm{AgCl\downarrow} + \mathrm{K^+} + \mathrm{NO_3^-}$
$\mathrm{Ag^+} + \mathrm{Cl^-} = \mathrm{AgCl\downarrow}$

Друга пробірка:
$\mathrm{KBr + AgNO_3 = AgBr\downarrow + KNO_3}$
$\mathrm{K^+} + \mathrm{Br^-} + \mathrm{Ag^+} + \mathrm{NO_3^-} = \mathrm{AgBr\downarrow} + \mathrm{K^+} + \mathrm{NO_3^-}$
$\mathrm{Ag^+} + \mathrm{Br^-} = \mathrm{AgBr\downarrow}$

Третя пробірка:
$\mathrm{KI + AgNO_3 = AgI\downarrow + KNO_3}$
$\mathrm{K^+} + \mathrm{I^-} + \mathrm{Ag^+} + \mathrm{NO_3^-} = \mathrm{AgI\downarrow} + \mathrm{K^+} + \mathrm{NO_3^-}$
$\mathrm{Ag^+} + \mathrm{I^-} = \mathrm{AgI\downarrow}$

Четверта пробірка:
$\mathrm{K_3PO_4 + 3AgNO_3 = Ag_3PO_4\downarrow + 3KNO_3}$
$3\mathrm{K^+} + \mathrm{PO_4^{3-}} + 3\mathrm{Ag^+} + 3\mathrm{NO_3^-} = \mathrm{Ag_3PO_4\downarrow} + 3\mathrm{K^+} + 3\mathrm{NO_3^-}$
$3\mathrm{Ag^+} + \mathrm{PO_4^{3-}} = \mathrm{Ag_3PO_4\downarrow}$

Дослід 4. У чотири пробірки налийте по 1 мл розчину сульфатної кислоти та додайте по кілька крапель розчину індикатора. У першу пробірку краплинами додавайте розчин лугу, допоки розчин стане нейтральним. У другу пробірку додайте 1 мл розчину барій хлориду. У третю додайте 1 мл розчину натрій сульфіту. У четверту — 1 мл розчину магній хлориду. Результати спостережень зафіксуйте в таблиці.

Чи змінюється кислотність середовища в пробірці 2?

Кислотність середовища істотно не змінюється, розчин залишається сильнокислим, оскільки йони $\mathrm{H^+}$ не зв’язуються в ході реакції й залишаються у розчині у вигляді хлоридної кислоти.

Визначте запах у пробірці 3 (обережно!).

Відчувається різкий, ядучий запах сірчистого газу (сульфур(IV) оксиду $\mathrm{SO_2}$), схожий на запах запаленого сірника.

Запишіть рівняння реакцій:

Пробірка 1:
$\mathrm{H_2SO_4 + 2NaOH = Na_2SO_4 + 2H_2O}$
$2\mathrm{H^+} + \mathrm{SO_4^{2-}} + 2\mathrm{Na^+} + 2\mathrm{OH^-} = 2\mathrm{Na^+} + \mathrm{SO_4^{2-}} + 2\mathrm{H_2O}$
$\mathrm{H^+} + \mathrm{OH^-} = \mathrm{H_2O}$

Пробірка 2:
$\mathrm{H_2SO_4 + BaCl_2 = BaSO_4\downarrow + 2HCl}$
$2\mathrm{H^+} + \mathrm{SO_4^{2-}} + \mathrm{Ba^{2+}} + 2\mathrm{Cl^-} = \mathrm{BaSO_4\downarrow} + 2\mathrm{H^+} + 2\mathrm{Cl^-}$
$\mathrm{Ba^{2+}} + \mathrm{SO_4^{2-}} = \mathrm{BaSO_4\downarrow}$

Пробірка 3:
$\mathrm{H_2SO_4 + Na_2SO_3 = Na_2SO_4 + SO_2\uparrow + H_2O}$
$2\mathrm{H^+} + \mathrm{SO_4^{2-}} + 2\mathrm{Na^+} + \mathrm{SO_3^{2-}} = 2\mathrm{Na^+} + \mathrm{SO_4^{2-}} + \mathrm{SO_2\uparrow} + \mathrm{H_2O}$
$2\mathrm{H^+} + \mathrm{SO_3^{2-}} = \mathrm{SO_2\uparrow} + \mathrm{H_2O}$

Пробірка 4:
$\mathrm{H_2SO_4 + MgCl_2 \neq}$ (реакція не відбувається, тому що не випадає осад, не виділяється газ і не утворюється слабкий електроліт).

Якщо реакцію сульфатної кислоти з лугом проводити без використання індикатора, чи будуть помітними зміни протягом реакції?

Зовнішні видимі зміни будуть непомітними, тому що вихідні розчини та утворені продукти є безбарвними і прозорими.

Чи відбуватиметься реакція?

Так, реакція нейтралізації відбуватиметься, тому що катіони $\mathrm{H^+}$ зв’язуються з аніонами $\mathrm{OH^-}$ в молекули води.

Підбиваємо підсумки

1. За яких умов відбуваються реакції йонного обміну в розчинах?

Реакції йонного обміну у водних розчинах відбуваються до кінця (є необоротними), якщо хоча б один із продуктів реакції випадає в осад, виділяється у вигляді газу або є малодисоційованою речовиною (наприклад, водою).

2. За якими ознаками ви зробили висновок про перебіг реакцій у кожному досліді?

Висновок зроблено за такими спостережуваними ознаками: утворення осадів різного кольору і структури ($\mathrm{CaCO_3}$, $\mathrm{BaSO_4}$, $\mathrm{AgCl}$, $\mathrm{AgBr}$, $\mathrm{AgI}$, $\mathrm{Ag_3PO_4}$), виділення газу ($\mathrm{CO_2}$, $\mathrm{SO_2}$) та зміна забарвлення кислотно-основного індикатора в реакції нейтралізації.