Йонни реакции и качествен анализ — урок по химия

1. Електролити и електролитна дисоциация

О

Електролити

Електролити са веществата, чиито разтвори (или стопилки) провеждат електричен ток. При разтваряне те се разпадат на йони – това е електролитната дисоциация, например

\mathrm{NaCl \to Na^+ + Cl^-}

. Веществата, които във вода остават молекули (захар, етанол), са неелектролити.

Солите, ( $\mathrm{HCl}$ , $\mathrm{HNO_3}$ , $\mathrm{H_2SO_4}$ ) и основите на и на Ca, Sr, Ba се разпадат на почти напълно – те са силни електролити. Слабите електролити – оцетна , амоняк във вода, въглена киселина, самата вода – са дисоциирани само отчасти; повечето им частици остават молекули. Колко отчасти, показва – подробно в урока Киселини, основи и pH.

Пример

Напишете дисоциацията на $\mathrm{Al_2(SO_4)_3}$ . Каква е концентрацията на всеки йон в разтвор с $c = 0{,}1\ \mathrm{mol/L}$ ?

$\mathrm{Al_2(SO_4)_3 \to 2Al^{3+} + 3SO_4^{2-}}$ – индексите от формулата стават коефициенти пред йоните, а сулфатната група остава цяла.
$c(\mathrm{Al^{3+}}) = 2 \cdot 0{,}1 = 0{,}2\ \mathrm{mol/L}$ , $c(\mathrm{SO_4^{2-}}) = 3 \cdot 0{,}1 = 0{,}3\ \mathrm{mol/L}$
Проверка за заряда: $0{,}2 \cdot 3 = 0{,}3 \cdot 2$ – разтворът е електронеутрален.

2. Йонни уравнения

Щом солите в са йони, реакцията между два разтвора всъщност е реакция между йони. Записваме я по три начина:

Пример

Смесваме разтвори на калциев хлорид и натриев карбонат. Напишете молекулното, пълното и съкратеното йонно уравнение.

Молекулно: $\mathrm{CaCl_2 + Na_2CO_3 \to CaCO_3\downarrow + 2NaCl}$
Пълно йонно – силните електролити се пишат като йони, утайката – с формула: $\mathrm{Ca^{2+}} + \mathrm{2Cl^-} + \mathrm{2Na^+} + \mathrm{CO_3^{2-}} \to \mathrm{CaCO_3}\downarrow + \mathrm{2Na^+} + \mathrm{2Cl^-}$
Йоните $\mathrm{Na^+}$ и $\mathrm{Cl^-}$ са от двете страни – те не участват. Съкратено: $\mathrm{Ca^{2+} + CO_3^{2-} \to CaCO_3\downarrow}$

Т

Съкратено йонно уравнение

Съкратеното йонно уравнение показва само частиците, които наистина реагират. Йоните, които са еднакви от двете страни, са йони-наблюдатели и се съкращават. Като молекули (с формули) се пишат утайките, газовете, слабите електролити и водата. В изравненото уравнение и атомите, и зарядите от двете страни са равни.

Едно съкратено уравнение описва много реакции: $\mathrm{Ca^{2+} + CO_3^{2-} \to CaCO_3\downarrow}$ е и $\mathrm{Ca(NO_3)_2 + K_2CO_3}$ , и $\mathrm{CaCl_2 + (NH_4)_2CO_3}$ . Затова химиците казват „реакция за калциеви йони“, а не „реакция за калциев хлорид“.

3. Кога протича йонна реакция

Т

Условия за протичане на йонни реакции

Реакция между йоните в разтвор протича докрай, когато се образува (1) утайка – слабо разтворимо вещество; (2) газ, който напуска разтвора; или (3) слаб електролит, най-често вода. Ако нито едно от трите не става, йоните само се смесват.

Пример

Напишете съкратените йонни уравнения: а) $\mathrm{Na_2CO_3 + HCl}$ ; б) $\mathrm{NaOH + HNO_3}$ ; в) $\mathrm{KNO_3 + NaCl}$ .

а) Газ: $\mathrm{CO_3^{2-} + 2H^+ \to H_2O + CO_2\uparrow}$
б) Слаб електролит – вода: $\mathrm{H^+ + OH^- \to H_2O}$ . Това е съкратеното уравнение на всяка неутрализация между силна киселина и силна основа.
в) Всички възможни продукти ( $\mathrm{KCl}$ , $\mathrm{NaNO_3}$ ) са разтворими силни електролити – реакция няма, в разтвора има четири вида йони.

Изпробвай в лабораторията: избери сол на и сол на , промени обемите и концентрациите и виж кога има утайка, какво е съкратеното уравнение и колко грама утайка се получават. Някои двойки ще те изненадат – там протича не обменна, а окислително-редукционна реакция.

Разтвор 1 – сол на катиона

Разтвор 2 – сол на аниона

V₁, mL50c₁, mol/L0,2V₂, mL50c₂, mol/L0,2

уравнение:AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃съкратено йонно:Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓йони:Ag⁺ – 10 mmol, Cl⁻ – 10 mmolутайка AgCl:10 mmol · 143,5 g/mol = 1,435 gв излишък:няма – йоните са точно в отношението от уравнението

Бялата „сиренеста“ утайка AgCl на светлина бавно потъмнява. Тя не се разтваря в HNO₃, но се разтваря в амоняк.

💡 Реакцията между йоните протича, когато се образува утайка, газ или слаб електролит (например вода). Йоните, които не участват – тук NO₃⁻ и Na⁺ – остават в разтвора и не се пишат в съкратеното уравнение.

4. Таблица на разтворимостта

Как да знаем дали ще има утайка? От таблицата на разтворимостта на основите и солите във вода. „Неразтворимо“ в нея означава приблизително под 0,01 g в 100 g вода – съвсем неразтворими вещества няма. Количественото описание е $K_{sp}$ от урока Химично равновесие.

	$\mathrm{OH}^{-}$	$\mathrm{Cl}^{-}$	$\mathrm{Br}^{-}$	$\mathrm{I}^{-}$	$\mathrm{NO_{3}}^{-}$	$\mathrm{SO_{4}}^{2-}$	$\mathrm{CO_{3}}^{2-}$	$\mathrm{PO_{4}}^{3-}$
$\mathrm{Na}^{+}$	р	р	р	р	р	р	р	р
$\mathrm{K}^{+}$	р	р	р	р	р	р	р	р
$\mathrm{NH_{4}}^{+}$	р	р	р	р	р	р	р	р
$\mathrm{Ag}^{+}$	–	н	н	н	р	м	н	н
$\mathrm{Ba}^{2+}$	р	р	р	р	р	н	н	н
$\mathrm{Ca}^{2+}$	м	р	р	р	р	м	н	н
$\mathrm{Mg}^{2+}$	н	р	р	р	р	р	н	н
$\mathrm{Zn}^{2+}$	н	р	р	р	р	р	н	н
$\mathrm{Cu}^{2+}$	н	р	р	–	р	р	–	н
$\mathrm{Fe}^{2+}$	н	р	р	р	р	р	н	н
$\mathrm{Pb}^{2+}$	н	м	м	н	р	н	н	н
$\mathrm{Fe}^{3+}$	н	р	р	–	р	р	–	н
$\mathrm{Al}^{3+}$	н	р	р	р	р	р	–	н

р – разтворимо, м – слабо разтворимо, н – практически неразтворимо, „–“ – във вода не съществува (разлага се или реагира с водата, например $\mathrm{Fe_2(CO_3)_3}$ и $\mathrm{Al_2(CO_3)_3}$ ). Таблиците в различните учебници се различават в някои клетки – границата между „м“ и „н“ е условна.

Полезни правила: всички соли на натрия, калия и амония и всички нитрати са разтворими. Повечето хлориди са разтворими (без $\mathrm{AgCl}$ и отчасти $\mathrm{PbCl_2}$ ), повечето сулфати – също (без бариевия и оловния, калциевият е слабо разтворим). Карбонатите, фосфатите и са обикновено неразтворими – освен на алкалните метали и амония.

5. Откриване на катиони

О

Качествен анализ

Качественият анализ отговаря на въпроса какво има в пробата, а количественият – колко. За всеки йон се търси характерна реакция: такава, която дава лесно видим признак (утайка с определен цвят, газ, оцветяване на разтвора или на пламъка) и не се получава с другите йони в пробата.

Катион	Реактив	Какво се вижда
$\mathrm{Li^+}$ , $\mathrm{Na^+}$ , $\mathrm{K^+}$ , $\mathrm{Ca^{2+}}$ , $\mathrm{Sr^{2+}}$ , $\mathrm{Ba^{2+}}$ , $\mathrm{Cu^{2+}}$	пламък	характерен цвят на пламъка (лабораторията по-долу)
$\mathrm{NH_4^+}$	$\mathrm{NaOH}$ , затопляне	амоняк: мирис и посиняване на влажна червена лакмусова хартия
$\mathrm{Ag^+}$	$\mathrm{Cl^-}$ ( $\mathrm{HCl}$ или $\mathrm{NaCl}$ )	бяла утайка $\mathrm{AgCl}$ , разтворима в амоняк
$\mathrm{Ba^{2+}}$	$\mathrm{SO_4^{2-}}$ ( $\mathrm{H_2SO_4}$ )	бяла утайка $\mathrm{BaSO_4}$ , неразтворима в киселини
$\mathrm{Cu^{2+}}$	$\mathrm{NaOH}$	синя утайка $\mathrm{Cu(OH)_2}$
$\mathrm{Fe^{2+}}$	$\mathrm{NaOH}$	бледозелена утайка $\mathrm{Fe(OH)_2}$ , която на въздуха покафенява
$\mathrm{Fe^{3+}}$	$\mathrm{NaOH}$ или $\mathrm{KSCN}$	червено-кафява утайка $\mathrm{Fe(OH)_3}$ ; с тиоцианат – кървавочервен разтвор
$\mathrm{Al^{3+}}$ , $\mathrm{Zn^{2+}}$	$\mathrm{NaOH}$ на капки	бяла утайка, която се разтваря в излишък от основата

Най-бързият начин да се открият металите от първа и втора група е оцветяването на пламъка: на тел от платина или нихром се взема малко от солта и се внася в пламъка на горелката. В горещия пламък атомите на метала се възбуждат и излъчват светлина с точно определени дължини на вълната – същото явление като линейните спектри от физиката.

открива се:Li⁺цвят на пламъка:карминеночервен

Литият оцветява пламъка карминеночервено – главно от линията при 671 nm.

💡 В горещия пламък йоните на метала се превръщат в атоми (или малки молекули), електроните им се възбуждат и при връщането си излъчват светлина с точно определени дължини на вълната. Цветовете тук са приблизителни – истинските зависят от горелката и концентрацията. Защо атомите излъчват линии, е в урока по физика „Атомът“.

6. Откриване на аниони

Анион	Реактив	Какво се вижда
$\mathrm{Cl^-}$	$\mathrm{AgNO_3}$ + $\mathrm{HNO_3}$	бяла „сиренеста“ утайка $\mathrm{AgCl}$
$\mathrm{Br^-}$	$\mathrm{AgNO_3}$ + $\mathrm{HNO_3}$	бледожълта утайка $\mathrm{AgBr}$
$\mathrm{I^-}$	$\mathrm{AgNO_3}$ + $\mathrm{HNO_3}$	жълта утайка $\mathrm{AgI}$
$\mathrm{SO_4^{2-}}$	$\mathrm{BaCl_2}$	бяла утайка $\mathrm{BaSO_4}$ , неразтворима в $\mathrm{HCl}$ и $\mathrm{HNO_3}$
$\mathrm{CO_3^{2-}}$	$\mathrm{HCl}$	газ без мирис ( $\mathrm{CO_2}$ ), който размътва варната вода
$\mathrm{PO_4^{3-}}$	$\mathrm{AgNO_3}$	жълта утайка $\mathrm{Ag_3PO_4}$ , разтворима в $\mathrm{HNO_3}$
$\mathrm{NO_3^-}$	$\mathrm{Cu}$ + конц. $\mathrm{H_2SO_4}$ , затопляне	кафяв газ $\mathrm{NO_2}$
$\mathrm{OH^-}$	фенолфталеин	малинов цвят

Защо при откриването на халогениди към сребърния нитрат се добавя азотна киселина? Без нея с йоните на сребро ще се утаят и карбонатите, и фосфатите. В кисела среда тези утайки се разтварят, а $\mathrm{AgCl}$ , $\mathrm{AgBr}$ и $\mathrm{AgI}$ – не. По същата причина сулфатът се доказва с бариев хлорид в присъствие на солна киселина: $\mathrm{BaCO_3}$ се разтваря, а $\mathrm{BaSO_4}$ остава.

Пример

Как да докажем, че варовикът е карбонат? Напишете уравненията.

Капваме солна киселина – вещество „кипи“: $\mathrm{CaCO_3 + 2H^+ \to Ca^{2+} + H_2O + CO_2\uparrow}$
Прекарваме газа през варна вода (разтвор на $\mathrm{Ca(OH)_2}$ ) – тя се размътва: $\mathrm{Ca^{2+} + 2OH^- + CO_2 \to CaCO_3\downarrow + H_2O}$
Газ без мирис, който размътва варната вода, е $\mathrm{CO_2}$ . (Серният диоксид също размътва варната вода, но има остра миризма.)

7. Шишета без етикети

Класическа олимпиадна задача: имате няколко шишета с известни вещества, но етикетите са паднали, а други реактиви няма. Решението е да смесвате пробите по двойки и да запишете наблюденията в таблица. Всяко вещество дава свой „отпечатък“ – колко утайки, газове и „нищо“ дава с останалите.

Пример

В три шишета без етикети има разтвори на NaCl, Na₂CO₃ и Na₂SO₄. Как да ги разпознаем само с разтвор на BaCl₂ и солна киселина?

Към проба от всяко шише добавяме $\mathrm{BaCl_2}$ . Където няма утайка – това е $\mathrm{NaCl}$ .
В другите две се образуват бели утайки: $\mathrm{BaCO_3}$ и $\mathrm{BaSO_4}$ .
Добавяме солна киселина: утайката, която се разтваря с отделяне на газ, е $\mathrm{BaCO_3}$ – значи там е $\mathrm{Na_2CO_3}$ . Тази, която остава, е $\mathrm{BaSO_4}$ .

В шишетата са HCl, Na₂CO₃, BaCl₂, AgNO₃, NaCl – но не знаем кое къде е. Докосни две шишета, за да смесиш проби от тях.

	А	Б	В	Г	Д
А		?	?	?	?
Б	?		?	?	?
В	?	?		?	?
Г	?	?	?		?
Д	?	?	?	?

А:Б:В:Г:Д:

💡 Подсказка: за всяко вещество преброй колко утайки, газове и „нищо“ дава с останалите четири – получава се „отпечатък“, по който веществата се различават. Ако искаш, попълни първо на лист очакваната таблица и после я сравни с наблюденията.

8. Колко? Гравиметричен анализ

Утайките служат не само за откриване, но и за измерване. При гравиметричния (тегловния) анализ търсеният йон се утаява напълно с излишък от реактив, утайката се филтрува, промива, изсушава и претегля. От масата ѝ по формулата се пресмята колко е бил йонът.

Т

Пресмятане по масата на утайката

Ако в една формулна единица на утайката има

k

атома (или йона) X, то

m(\mathrm{X}) = m_{\text{утайка}} \cdot \frac{k \cdot M(\mathrm{X})}{M_{\text{утайка}}}

. Например за сяра, утаена като

\mathrm{BaSO_4}

:

m(\mathrm{S}) = m(\mathrm{BaSO_4}) \cdot \frac{32}{233}

.

Пример

Проба от 0,5 g тор се разтваря и сулфатът в нея се утаява с излишък от BaCl₂. Утайката BaSO₄ тежи 0,699 g. Каква е масовата част на сярата в тора?

$n(\mathrm{BaSO_4}) = \frac{0{,}699}{233} = 0{,}003\ \mathrm{mol}$ – толкова е и $n(\mathrm{S})$
$m(\mathrm{S}) = 0{,}003 \cdot 32 = 0{,}096\ \mathrm{g}$
$w(\mathrm{S}) = \frac{0{,}096}{0{,}5} = 19{,}2\%$

9. Тренажор

Маса на утайка, концентрация на йони в разтвор, смесване на разтвори и обем на отделен газ. Десетичните отговори въвеждай като 1,435.

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0

11{,}7\ \mathrm{g\ NaCl} + \mathrm{AgNO_3}\ \text{(излишък)}

Колко грама AgCl се утаяват?

10. Анализи около нас

Минерална вода, болница, чайник, фойерверки и яйчени черупки – навсякъде, където трябва да разберем какво има в една проба.

0 / 6

💧 Хлорид в минералната вода

Към 200 mL минерална вода се добавя излишък от разтвор на AgNO₃, подкислен с азотна киселина. Утайката се филтрува, изсушава и тежи 0,1435 g. Колко милиграма хлоридни йони има в литър от водата?

🏥 Бариева каша за рентген

Преди рентгенова снимка на стомаха пациентът пие суспензия на BaSO₄ – барият задържа рентгеновите лъчи. Колко грама BaSO₄ могат да се получат от 41,6 g BaCl₂ с излишък от Na₂SO₄?

🚿 Омекотяване на твърда вода

Водата съдържа 80 mg/L калциеви йони. Колко грама сода Na₂CO₃ са нужни, за да се утаи калцият от 1 m³ вода, и колко грама CaCO₃ ще се получат?

🎆 Червените фойерверки

Червеният цвят във фойерверките се дължи на стронциеви соли, например Sr(NO₃)₂. Каква е масовата част на стронция в тази сол? Колко грама Sr(NO₃)₂ съдържат 0,05 mol стронций?

🧂 Каква е тази смес?

Смес от NaCl и Na₂SO₄ с маса 10 g се разтваря във вода. С излишък от BaCl₂ се получават 11,65 g утайка. Каква е масовата част на натриевия сулфат в сместа?

🥚 Колко варовик има в черупката

Към 10 g натрошени яйчени черупки се добавя излишък от солна киселина. Отделят се 2,016 L CO₂ (н.у.). Каква е масовата част на CaCO₃ в черупките? (Приемете, че само той отделя газ.)

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

11. ⚠️ Чести грешки

Утайка в йонен вид

✗ $\displaystyle \mathrm{Ca^{2+} + CO_3^{2-} \to Ca^{2+} + CO_3^{2-}}$

✓ Утайките, газовете, слабите електролити и водата се пишат с формули: $\displaystyle \mathrm{CaCO_3\downarrow}$ .

Индекс и коефициент

✗ $\displaystyle \mathrm{Na_2SO_4 \to Na_2^+ + SO_4^{2-}}$

✓ $\displaystyle \mathrm{Na_2SO_4 \to 2Na^+ + SO_4^{2-}}$ – индексът става коефициент.

Разпадане на сложния йон

✗ $\displaystyle \mathrm{SO_4^{2-} \to S^{6+} + 4O^{2-}}$

✓ Сулфатната, нитратната, карбонатната група остават цели йони.

Слабата киселина като йони

✗ $\displaystyle \mathrm{CH_3COOH}$ се пише като $\displaystyle \mathrm{H^+ + CH_3COO^-}$

✓ Слабите електролити се пишат като молекули: $\displaystyle \mathrm{CH_3COOH + OH^- \to CH_3COO^- + H_2O}$ .

Всяко смесване е реакция

✗ $\displaystyle \mathrm{KNO_3 + NaCl \to KCl + NaNO_3}$

✓ Няма утайка, газ или слаб електролит – йоните само се смесват.

Жълт пламък = натрий

✗ Пламъкът на калиевата сол е жълт, значи има само натрий.

✓ Следи от натрий скриват калия; гледай през кобалтово стъкло.

12. 🎯 Бърз тест

1 / 9

✓ 0

Кое от тези вещества е слаб електролит?

Избери отговор (или натисни 1–4)

13. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

14. Обобщение

✓ Електролитите във вода се разпадат на йони; силните – почти напълно, слабите – отчасти
✓ В съкратеното йонно уравнение остават само реагиращите частици; утайките, газовете, слабите електролити и водата се пишат с формули
✓ Йонна реакция протича, когато се образува утайка, газ или слаб електролит
✓ Таблицата на разтворимостта казва кога ще има утайка; соли на Na⁺, K⁺, NH₄⁺ и нитратите са разтворими
✓ Характерни реакции: пламък за металите от 1. и 2. група, NaOH за Cu²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺ и NH₄⁺, AgNO₃ за халогенидите, BaCl₂ за сулфатите, киселина за карбонатите
✓ Гравиметрия: $n(\text{утайка}) = m/M$ , а по формулата на утайката – количеството на търсения йон

💡 Интересен факт

„Златен дъжд“: оловният йодид $\mathrm{PbI_2}$ е много по-разтворим в гореща вода, отколкото в студена. Ако жълтата утайка се разтвори при кипене и разтворът се остави бавно да изстине, от него започват да падат блестящи златисти шестоъгълни люспички – като златен дъжд в епруветката. Опитът е красив, но се прави само от учител: оловните съединения са отровни.