Реакції йонного обміну та скорочені йонні рівняння

Реакції між розчинами електролітів — це насправді реакції між йонами. Коли ти змішуєш два розчини, катіони й аніони реагентів «обмінюються» партнерами. Така реакція відбувається до кінця (тобто практично необоротно) лише тоді, коли в результаті утворюється хоча б одна з трьох речовин: осад (↓), газ (↑) або слабкий електроліт (вода, оцтова кислота, амоніак).

Осад — тверда речовина, що випадає з розчину

Якщо при зливанні двох розчинів утворюється нерозчинна сіль або основа, вона випадає в осад. Наприклад, барій хлорид і натрій сульфат:

BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl

Барій сульфат (BaSO₄) — білий дрібнокристалічний осад, нерозчинний у воді. Ти можеш перевірити це за таблицею розчинності: на перетині Ba²⁺ і SO₄²⁻ стоїть позначка «Н» (практично нерозчинна).

Газ — летка сполука, що виділяється з розчину

Якщо серед продуктів є газ (CO₂, H₂S, NH₃, SO₂), реакція також іде до кінця. Наприклад, натрій карбонат і хлоридна кислота:

Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑

Вуглекислий газ (CO₂) виділяється у вигляді бульбашок — це добре помітна ознака реакції.

Слабкий електроліт — вода, слабка кислота чи основа

Найпоширеніший слабкий електроліт — вода. Реакція нейтралізації між лугом і кислотою:

NaOH + HCl → NaCl + H₂O

Вода — дуже слабкий електроліт, тому вона не дисоціює на йони в помітній кількості. Інші приклади слабких електролітів — оцтова кислота (CH₃COOH) та амоніак (NH₃·H₂O):

CH₃COONa + HCl → CH₃COOH + NaCl

Коли реакція НЕ відбувається

Якщо всі можливі продукти — розчинні сильні електроліти, то в розчині не утворюється ні осаду, ні газу, ні слабкого електроліту. Фактично ніякої хімічної реакції немає — йони просто перемішуються. Класичний приклад — суміш розчинів калій хлориду й натрій нітрату:

KCl + NaNO₃ ⇄ K⁺ + Na⁺ + Cl⁻ + NO₃⁻

У розчині є лише йони K⁺, Na⁺, Cl⁻, NO₃⁻. Жодна з комбінацій (KNO₃, NaCl) не дає осаду, газу чи слабкого електроліту — усі вони розчинні сильні електроліти. Тому реакція обміну не відбувається.

Як перевірити за таблицею розчинності

Алгоритм простий:

• Запиши молекулярне рівняння можливої реакції обміну (AB + CD → AD + CB).

• Склади нові сполучення: катіон першого реагенту з аніоном другого (можливий продукт 1) і катіон другого реагенту з аніоном першого (можливий продукт 2).

• Знайди кожен продукт у таблиці розчинності. Якщо хоча б один продукт має позначку «Н» (практично нерозчинний) чи «#» (існує, але реагує з водою) або є газом чи слабким електролітом — реакція відбувається. Позначка «—» означає, що такої речовини не існує: тоді утворюються інші продукти (наприклад, осад і газ), і реакція теж відбувається.

• Якщо обидва продукти мають позначку «Р» (розчинні) і є сильними електролітами — реакції немає.

Наприклад, для пари BaCl₂ + Na₂SO₄ нові сполучення: BaSO₄ (Н — осад) і NaCl (Р). Оскільки BaSO₄ нерозчинний, реакція відбувається.

Найважливіше правило йонних рівнянь: на йони розписують лише сильні розчинні електроліти. Усі інші речовини записують молекулярними формулами. Це правило визначає, як виглядатиме повне йонне рівняння.

Що розписуємо на йони

До сильних розчинних електролітів належать:

• Сильні кислоти: HCl, HNO₃, H₂SO₄, HBr, HI, HClO₄. Вони дисоціюють повністю.

• Луги (розчинні основи): NaOH, KOH, Ba(OH)₂, LiOH. Це сильні основи, які повністю дисоціюють у воді.

• Розчинні солі: усі солі, які в таблиці розчинності мають позначку «Р». Наприклад, NaCl, KNO₃, Na₂SO₄, CuSO₄, FeCl₃.

Що залишаємо молекулярними формулами

Формулами (не розписуючи на йони) записують:

• Осади: BaSO₄, AgCl, Cu(OH)₂, CaCO₃, Fe(OH)₃, Al(OH)₃ — усе, що має позначку «Н» у таблиці розчинності.

• Гази: CO₂, H₂S, NH₃, SO₂, HCl (газоподібний).

• Воду: H₂O — дуже слабкий електроліт.

• Слабкі електроліти: CH₃COOH (оцтова кислота), NH₃·H₂O (амоніак), HF (флуоридна кислота), H₂CO₃ (карбонатна кислота — одразу розкладається на H₂O і CO₂), H₂SO₃ (сульфітна кислота).

• Оксиди й прості речовини: ZnO, CuO, Fe, Cu тощо.

Нерозчинний реагент теж пишемо формулою

Якщо один із реагентів — нерозчинна речовина, її також не розписують на йони. Наприклад, кальцій карбонат (крейда) реагує з хлоридною кислотою:

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑

У повному йонному рівнянні CaCO₃ залишається формулою, а HCl розписуємо:

CaCO₃ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → Ca²⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + CO₂↑

Скорочене рівняння: CaCO₃ + 2H⁺ → Ca²⁺ + H₂O + CO₂↑

Інший приклад — купрум(II) гідроксид (нерозчинна основа) і хлоридна кислота:

Cu(OH)₂ + 2HCl → CuCl₂ + 2H₂O

Повне йонне: Cu(OH)₂ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → Cu²⁺ + 2Cl⁻ + 2H₂O

Скорочене: Cu(OH)₂ + 2H⁺ → Cu²⁺ + 2H₂O

Малорозчинні речовини: особливий випадок

Малорозчинну речовину (позначка «М» у таблиці) записують по-різному залежно від ситуації:

• Якщо вона випадає в осад — пишемо формулою (наприклад, Ca(OH)₂ в осаді).

• Якщо вона в розчині (наприклад, вапняна вода — насичений розчин Ca(OH)₂) — розписуємо на йони, бо в розчині вона дисоціює.

Тому уважно читай умову: якщо малорозчинну речовину взято як розчин (наприклад, вапняна вода), її записують йонами, а якщо вона випадає в осад — формулою.

Повне йонне рівняння показує всі йони, які реально присутні в розчині до й після реакції. Скорочене йонне рівняння залишає лише ті йони, які беруть участь у реакції, — воно показує хімічну суть процесу.

Алгоритм складання йонних рівнянь

1. Молекулярне рівняння. Запиши рівняння реакції в молекулярній формі з правильними коефіцієнтами.

2. Повне йонне рівняння. Сильні розчинні електроліти розпиши на йони. Коефіцієнт перед формулою множ на індекс, щоб дістати кількість кожного йона. Осади, гази, воду, слабкі електроліти й оксиди залиш формулами.

3. Вилучи йони-спостерігачі. Знайди однакові йони в лівій і правій частинах і викресли їх.

4. Скорочене йонне рівняння. Запиши те, що залишилося. Скороти коефіцієнти, якщо є спільний множник.

5. Перевірка. Сума зарядів ліворуч має дорівнювати сумі зарядів праворуч.

Приклад 1: карбонат і кислота

Реакція натрій карбонату з хлоридною кислотою:

Молекулярне: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑

Повне йонне: 2Na⁺ + CO₃²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → 2Na⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + CO₂↑

Йони-спостерігачі: 2Na⁺ і 2Cl⁻ (однакові з обох боків). Викреслюємо їх.

Скорочене йонне: CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑

Перевірка зарядів: ліворуч (−2) + 2·(+1) = 0; праворуч усі речовини нейтральні — сума 0.

Приклад 2: сіль і луг

Реакція купрум(II) сульфату з натрій гідроксидом:

Молекулярне: CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄

Повне йонне: Cu²⁺ + SO₄²⁻ + 2Na⁺ + 2OH⁻ → Cu(OH)₂↓ + 2Na⁺ + SO₄²⁻

Сума коефіцієнтів у повному йонному рівнянні: 1 + 1 + 2 + 2 = 6 (ліворуч) + 1 + 2 + 1 = 4 (праворуч) → загалом 10.

Йони-спостерігачі: 2Na⁺ і SO₄²⁻.

Скорочене йонне: Cu²⁺ + 2OH⁻ → Cu(OH)₂↓

Сума коефіцієнтів у скороченому рівнянні: 1 + 2 + 1 = 4.

Суть реакції — у скороченому рівнянні

Скорочене йонне рівняння показує, що насправді відбувається в розчині. Ось кілька важливих прикладів:

Реакції заміщення в йонній формі

Не лише реакції обміну, а й деякі реакції заміщення в розчині записують у йонній формі. Наприклад, занурення залізного цвяха в розчин купрум(II) сульфату:

Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu

Повне йонне: Fe + Cu²⁺ + SO₄²⁻ → Fe²⁺ + SO₄²⁻ + Cu

Скорочене: Fe + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cu

Тут залізо (проста речовина) і мідь (проста речовина) записані формулами, а йони сульфату — спостерігачі.

Один із найскладніших типів завдань НМТ — за заданим скороченим йонним рівнянням дібрати пару реагентів, взаємодія яких йому відповідає. Тут потрібно врахувати два головні правила.

Правило добору реагентів

• Правило 1: Кожен йон у скороченому рівнянні має походити з розчинного сильного електроліту. Якщо джерело йона — нерозчинна речовина, її не можна розписати на йони, і скорочене рівняння не відповідатиме заданому.

• Правило 2: Другий йон кожного електроліту (той, що не фігурує в скороченому рівнянні) не повинен утворювати додаткового осаду, газу чи слабкого електроліту. Інакше скорочене рівняння матиме зайві продукти.

Приклад: Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓

Які пари реагентів підходять?

Приклад: H⁺ + OH⁻ → H₂O

Це рівняння нейтралізації. Які пари підходять?

• Підходять: HNO₃ + KOH (H⁺ з кислоти, OH⁻ з лугу); H₂SO₄ + 2NaOH (2H⁺ + 2OH⁻ → 2H₂O, скорочуємо на 2).

• Не підходять: CH₃COOH + NaOH — оцтова кислота слабка, її пишуть формулою, а не H⁺; 2HCl + Cu(OH)₂ — купрум(II) гідроксид нерозчинний, не дає OH⁻ у розчині; H₂SO₄ + Ba(OH)₂ — утворюється ще й осад BaSO₄.

Приклад: CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑

Які пари підходять?

• Підходять: K₂CO₃ + 2HNO₃ (K₂CO₃ → 2K⁺ + CO₃²⁻; HNO₃ → H⁺ + NO₃⁻); Na₂CO₃ + H₂SO₄ (Na₂CO₃ → 2Na⁺ + CO₃²⁻; H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄²⁻).

• Не підходять: CaCO₃ + 2HCl — CaCO₃ нерозчинний, не дає CO₃²⁻ у розчині; NaHCO₃ + HCl — реагує гідрогенкарбонат-йон HCO₃⁻, а не CO₃²⁻: HCO₃⁻ + H⁺ → H₂O + CO₂↑.

Запам'ятай: скорочене йонне рівняння — це «хімічний рецепт». Якщо ти візьмеш неправильні інгредієнти (нерозчинну речовину замість розчинної або речовину, що дає зайвий продукт), страва не вийде.

Розгляньмо типові завдання НМТ на тему йонних рівнянь — від простих до складніших.

Приклад 1. Добір реагентів за скороченим рівнянням

Завдання: Взаємодії яких речовин у розчині відповідає скорочене йонне рівняння Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓?

Варіанти:

• Ba(OH)₂ і H₂SO₄

• Ba(NO₃)₂ і K₂SO₄

• BaCO₃ і H₂SO₄

• BaCl₂ і ZnO

Розв'язання:

1. Ba(NO₃)₂ — розчинна сіль, дисоціює на Ba²⁺ + 2NO₃⁻. K₂SO₄ — розчинна сіль, дисоціює на 2K⁺ + SO₄²⁻. У скороченому рівнянні залишаються Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓. Інші йони (K⁺, NO₃⁻) — спостерігачі. Це правильна відповідь.

2. Ba(OH)₂ + H₂SO₄ дають не лише BaSO₄, а й воду: Ba²⁺ + 2OH⁻ + 2H⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ + 2H₂O. Скорочене рівняння мало б вигляд Ba²⁺ + 2OH⁻ + 2H⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ + 2H₂O, а не задане.

3. BaCO₃ — нерозчинна сіль, її не можна розписати на йони. Реакція з H₂SO₄ дає CO₂: BaCO₃ + 2H⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ + H₂O + CO₂↑.

4. ZnO — оксид, не є джерелом сульфат-йонів у розчині. Реакція не відповідає заданому рівнянню.

Відповідь: Ba(NO₃)₂ і K₂SO₄.

Приклад 2. Логічні пари: реагенти — скорочене йонне рівняння

Завдання: Установіть відповідність між реагентами (1–3) і скороченими йонними рівняннями (А–Д).

Реагенти:

1. Na₂CO₃ і HNO₃

2. FeCl₃ і KOH

3. AgNO₃ і NaCl

Скорочені йонні рівняння:

• А. Fe³⁺ + 3OH⁻ → Fe(OH)₃↓

• Б. Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓

• В. CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑

• Г. H⁺ + OH⁻ → H₂O

• Д. Na⁺ + NO₃⁻ → NaNO₃

Розв'язання:

• 1 → В. Na₂CO₃ дисоціює на 2Na⁺ + CO₃²⁻; HNO₃ — на H⁺ + NO₃⁻. Утворюються H₂O і CO₂. Скорочене: CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑.

• 2 → А. FeCl₃ дисоціює на Fe³⁺ + 3Cl⁻; KOH — на K⁺ + OH⁻. Утворюється осад Fe(OH)₃↓. Скорочене: Fe³⁺ + 3OH⁻ → Fe(OH)₃↓.

• 3 → Б. AgNO₃ дисоціює на Ag⁺ + NO₃⁻; NaCl — на Na⁺ + Cl⁻. Утворюється осад AgCl↓. Скорочене: Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓.

Відповідь: 1В, 2А, 3Б.

Приклад 3. Чи відбувається реакція?

Завдання: Між розчинами яких речовин реакція йонного обміну НЕ відбувається?

• K₂CO₃ і HCl

• CuCl₂ і NaOH

• KNO₃ і NaCl

• Na₂S і HCl

Розв'язання:

• K₂CO₃ + 2HCl → 2KCl + H₂O + CO₂↑ — виділяється газ, реакція відбувається.

• CuCl₂ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + 2NaCl — випадає осад Cu(OH)₂, реакція відбувається.

• KNO₃ + NaCl → можливі продукти KCl і NaNO₃ — обидва розчинні сильні електроліти. Жодного осаду, газу чи слабкого електроліту не утворюється. Реакція НЕ відбувається.

• Na₂S + 2HCl → 2NaCl + H₂S↑ — виділяється газ H₂S, реакція відбувається.

Відповідь: KNO₃ і NaCl.

Приклад 4. Сума коефіцієнтів у скороченому рівнянні

Завдання: Укажіть суму коефіцієнтів у скороченому йонному рівнянні реакції між розчинами алюміній хлориду й натрій гідроксиду (без надлишку лугу).

Варіанти: 4; 5; 8; 17.

Розв'язання:

1. Молекулярне рівняння: AlCl₃ + 3NaOH → Al(OH)₃↓ + 3NaCl

2. Повне йонне: Al³⁺ + 3Cl⁻ + 3Na⁺ + 3OH⁻ → Al(OH)₃↓ + 3Na⁺ + 3Cl⁻

3. Вилучаємо спостерігачі (3Na⁺ і 3Cl⁻).

4. Скорочене йонне: Al³⁺ + 3OH⁻ → Al(OH)₃↓

5. Сума коефіцієнтів: 1 (Al³⁺) + 3 (3OH⁻) + 1 (Al(OH)₃) = 5.

Відповідь: 5.

Чому інші варіанти неправильні?

• 8 — сума коефіцієнтів у молекулярному рівнянні (1 + 3 + 1 + 3 = 8).

• 17 — сума коефіцієнтів у повному йонному рівнянні (1 + 3 + 3 + 3 + 1 + 3 + 3 = 17).

• 4 — не враховано коефіцієнт 1 перед Al(OH)₃ (1 + 3 = 4 замість 1 + 3 + 1 = 5).

Розберімо найпоширеніші помилки, яких припускаються учні на НМТ. Уникаючи їх, ти одразу підвищиш свій бал.

• Розписують на йони те, що не можна. Найчастіша помилка — розписувати на йони CaCO₃, BaSO₄, Cu(OH)₂, H₂O, CO₂ чи CH₃COOH. Запам'ятай: осади, гази, воду й слабкі електроліти завжди пишемо формулами!

• Вважають, що реакція обміну відбувається завжди. Це не так. Якщо всі продукти — розчинні сильні електроліти (наприклад, KCl + NaNO₃), реакції немає. Завжди перевіряй за таблицею розчинності!

• Не скорочують спільний множник. Наприклад, пишуть 2Ag⁺ + 2Cl⁻ → 2AgCl↓ замість правильного Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓. Коефіцієнти в скороченому рівнянні мають бути найменшими цілими числами.

• Добирають реагенти, що дають зайвий продукт. До рівняння Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ пропонують Ba(OH)₂ і H₂SO₄, забуваючи, що утворюється ще й вода. Перевіряй, чи немає додаткового осаду, газу чи слабкого електроліту!

• Переносять індекс у заряд. Пишуть Na₂⁺ замість 2Na⁺ або (SO₄)₃⁶⁻ замість 3SO₄²⁻. Індекс показує кількість атомів у формулі, а заряд йона — це окрема характеристика. Коефіцієнт перед йоном множиться на кількість йонів, а не на заряд.

• Не перевіряють баланс зарядів. У скороченому йонному рівнянні сума зарядів ліворуч має дорівнювати сумі зарядів праворуч. Наприклад, у рівнянні Cu²⁺ + 2OH⁻ → Cu(OH)₂↓: ліворуч (+2) + 2·(−1) = 0, праворуч 0 — усе правильно.

Тема «Реакції йонного обміну» входить до розділу 1.6 програми НМТ з хімії. Від тебе вимагають уміти складати йонно-молекулярні й молекулярні рівняння, а також визначати можливість реакцій обміну в розчині.

Формати завдань

Довідкові матеріали

Під час НМТ ти отримаєш довідку, яка містить таблицю розчинності (позначки: Р — розчинна речовина (понад 1 г у 100 г води), М — малорозчинна (від 0,001 до 1 г), Н — практично нерозчинна (менше 0,001 г), «—» — речовина не існує, «#» — речовина існує, але реагує з водою, тому її розчинність визначити не можна). Це твій головний інструмент:

• За таблицею визначаєш, чи утворюється осад (Н або М у продуктах).

• За таблицею визначаєш, які реагенти можна розписати на йони (позначка Р).

• У демоваріанті 2026 року таблиця розчинності була потрібна для розв'язання завдання № 12.

Стратегія виконання

1. Для кожного варіанта відповіді склади в чернетці повне йонне рівняння.

2. Викресли йони-спостерігачі — дістанеш скорочене рівняння.

3. Порівняй із заданим скороченим рівнянням.

4. Якщо в рівнянні з'являється зайвий продукт (осад, газ, вода) — варіант неправильний.

5. Перевір, чи всі реагенти розчинні (позначка Р у таблиці). Нерозчинний реагент не дасть потрібних йонів.

Пам'ятай: на НМТ час обмежений, тому тренуйся складати йонні рівняння швидко. Для типових реакцій (нейтралізація, осадження аргентум хлориду, виділення CO₂) скорочені рівняння варто знати напам'ять.

• Реакція йонного обміну в розчині відбувається, якщо утворюється осад (↓), газ (↑) або слабкий електроліт (H₂O, CH₃COOH, NH₃·H₂O).

• На йони розписуємо лише сильні розчинні електроліти: сильні кислоти (HCl, HNO₃, H₂SO₄), луги (NaOH, KOH, Ba(OH)₂) і розчинні солі (позначка Р у таблиці розчинності).

• Осади, гази, воду, слабкі електроліти, оксиди й прості речовини завжди пишемо молекулярними формулами.

• Скорочене йонне рівняння — це повне йонне рівняння без йонів-спостерігачів, з коефіцієнтами, скороченими до найменших цілих чисел.

• До скороченого йонного рівняння добираємо розчинні реагенти, що не дають зайвих продуктів (додаткового осаду, газу чи слабкого електроліту).

• Таблиця розчинності в довідці НМТ — твій головний інструмент: за нею визначаєш і осади, і те, які речовини можна розписувати на йони.

• Завжди перевіряй баланс зарядів у скороченому йонному рівнянні: сума зарядів ліворуч має дорівнювати сумі зарядів праворуч.