Полные и сокращённые ионные уравнения

Обычное молекулярное уравнение отвечает на вопрос, какие вещества смешали и что получилось. Ионное уравнение позволяет увидеть, какие частицы действительно изменились в растворе. Это особенно полезно в реакциях обмена: иногда в записи участвуют четыре вещества, а химическое превращение сводится к соединению двух ионов в осадок, воду или газ.

Работа состоит из трёх записей. Сначала составляют и уравнивают молекулярное уравнение. Затем сильные растворимые электролиты заменяют ионами, получая полное ионное уравнение. Наконец, одинаковые частицы по обе стороны стрелки сокращают. Оставшаяся запись называется сокращённым ионным уравнением.

Что показывает ионное уравнение

Вода хорошо растворяет многие соли, кислоты и основания. Например, при растворении нитрата натрия NaNO₃ его кристаллическая решётка разрушается, а в растворе находятся катионы Na⁺ и анионы NO₃⁻. Если добавить к этому раствору хлорид калия KCl, новых веществ с осадком, газом или водой не возникнет. В пробирке просто окажутся четыре вида ионов: Na⁺, NO₃⁻, K⁺ и Cl⁻.

Иная картина получается при смешивании растворов хлорида бария и сульфата натрия. Ионы Ba²⁺ и SO₄²⁻ образуют нерастворимый сульфат бария. Он выпадает в осадок, поэтому из раствора исчезают именно эти два иона. Натрий и хлор остаются в воде без изменений. Сокращённое уравнение фиксирует это ядро реакции: Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓.

Какие вещества распадаются на ионы

На ионы записывают сильные электролиты, если они находятся в водном растворе: растворимые соли, сильные кислоты и щёлочи. В школьных задачах к сильным кислотам обычно относят HCl, HBr, HI, HNO₃, H₂SO₄ и HClO₄. Сильные основания, такие как NaOH, KOH и Ba(OH)₂, тоже расписывают на катионы металла и гидроксид-ионы.

Не ставят ионы вместо осадка, газа, воды, слабых кислот и слабых оснований. Так, AgCl↓ в ионном уравнении остаётся формулой твёрдого вещества, H₂O остаётся молекулой воды, а углекислый газ записывают CO₂↑. Уксусная кислота CH₃COOH является слабым электролитом, поэтому её обычно не разделяют на H⁺ и CH₃COO⁻. Состояние вещества удобно помечать значками: ↓ для осадка, ↑ для газа.

С индексами и зарядами нужно быть внимательным. Из CaCl₂ образуются один ион Ca²⁺ и два иона Cl⁻, поэтому в уравнении пишут Ca²⁺ + 2Cl⁻. Коэффициент 2 относится к хлорид-иону, а не к заряду. Связь состава веществ и коэффициентов полезно повторить в материале о расстановке коэффициентов в химических уравнениях.

Алгоритм составления полного и сокращённого уравнения

1. Составьте молекулярное уравнение и расставьте коэффициенты. Без этого этапа легко потерять число ионов.
2. Определите, какие вещества находятся в растворе и являются сильными электролитами. Разделите только их на ионы.
3. Проверьте заряд левой и правой частей полного ионного уравнения. Суммарный заряд должен совпадать.
4. Найдите одинаковые ионы слева и справа. Сократите их вместе с одинаковыми коэффициентами.
5. Убедитесь, что в сокращённой записи сохранены число атомов и общий заряд.

Полезно не торопиться с сокращением. Сначала полностью распишите все растворимые сильные электролиты. Если сделать это выборочно, станет трудно понять, какие частицы были наблюдателями. После сокращения коэффициенты в сокращённом уравнении должны быть наименьшими целыми числами.

Пошаговый пример: образование осадка хлорида серебра

Смешаем растворы нитрата серебра и хлорида натрия. По таблице растворимости известно, что AgCl нерастворим. Молекулярное уравнение уже уравнено: AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃.

Теперь раскроем сильные растворимые электролиты. Нитрат серебра даёт Ag⁺ и NO₃⁻, хлорид натрия даёт Na⁺ и Cl⁻, а нитрат натрия даёт Na⁺ и NO₃⁻. Осадок AgCl не расписываем: Ag⁺ + NO₃⁻ + Na⁺ + Cl⁻ → AgCl↓ + Na⁺ + NO₃⁻. Это полное ионное уравнение.

Ионы Na⁺ и NO₃⁻ стоят с обеих сторон и не меняются. Их сокращают. Остаётся Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓. Заряды слева в сумме равны нулю, а справа находится нейтральное вещество. Проверка пройдена.

Пошаговый пример: нейтрализация кислоты щёлочью

Возьмём соляную кислоту и гидроксид натрия: HCl + NaOH → NaCl + H₂O. В этой реакции нет осадка, но образуется вода, которая является слабым электролитом. Именно образование малодиссоциирующей воды движет реакцию.

HCl, NaOH и NaCl в растворе распадаются на ионы. Полная ионная запись выглядит так: H⁺ + Cl⁻ + Na⁺ + OH⁻ → Na⁺ + Cl⁻ + H₂O. Натрий и хлор не участвовали в превращении, поэтому после сокращения получится H⁺ + OH⁻ → H₂O.

Это сокращённое уравнение подходит не только для NaOH и HCl. Если смешать KOH с HNO₃ или Ba(OH)₂ с HCl, химическая суть останется той же: ионы водорода соединятся с гидроксид-ионами. Однако коэффициенты в молекулярном уравнении могут отличаться. Например, для одной формулы Ba(OH)₂ нужны две формулы HCl.

Пошаговый пример: выделение углекислого газа

Рассмотрим реакцию карбоната натрия с соляной кислотой. Молекулярное уравнение: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑. Карбонат натрия, HCl и NaCl растворимы, поэтому их записывают в виде ионов.

Полное ионное уравнение: 2Na⁺ + CO₃²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → 2Na⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + CO₂↑. Ионы натрия и хлорида сокращаются. В итоге остаётся CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑.

Проверим запись. Слева и справа по одному атому углерода и по три атома кислорода. Водорода по два, общий заряд левой части равен нулю: заряд карбонат-иона −2 компенсируют два иона H⁺. Продукты нейтральны. Уравнение составлено верно.

Частые ошибки и проверка результата

Первая ошибка, расписывать на ионы всё подряд. Вода, осадки и газы не существуют в растворе как набор свободных ионов, поэтому их формулы сохраняют. Вторая ошибка, забывать коэффициент при раскрытии формулы. Из 2Na₂SO₄ получится 4Na⁺ + 2SO₄²⁻, а не один натрий и один сульфат.

Также нельзя сократить ионы, которые только похожи по записи, но имеют разный коэффициент или заряд. Сокращают одинаковые частицы в равном количестве. Наконец, не стоит писать ионное уравнение для реакции, которая в водном растворе фактически не идёт. Если после смешивания все вещества остаются растворимыми сильными электролитами, сокращённая запись исчезнет полностью: это означает, что нет нетто-реакции.

Полное ионное уравнение показывает состав раствора до и после реакции, а сокращённое выделяет само химическое изменение. Начинайте с молекулярной записи, опирайтесь на таблицу растворимости и не разделяйте на ионы воду, газ, осадок и слабые электролиты. Тогда даже длинная задача распадается на понятные шаги.