Условие задачи
Составьте уравнения практически осуществимых реакций.CuSO4 + HCl ⟶Ba(NO3)2 + H2SO4 ⟶Cu + HCl ⟶NaNO3 + HCl ⟶MgCl2 + H2SO4(конц.) ⟶Na2SO3 + H2SO4 ⟶NaOH + H2SO4 ⟶Al(OH)3 + H2SO4 ⟶
Укажите условия осуществления реакций. В тех случаях, где это возможно, составьте полные и сокращённые ионные уравнения.
Решение
Ниже представлено подробное решение задачи из неорганической химии (раздел реакций обмена, кислотно‐основных реакций и реакций с выделением газов). В условии заданы несколько систем реагентов, для которых необходимо записать уравнения реально протекающих (практически осуществимых) реакций, указать условия проведения и, где возможно, составить полные (молекулярные) и сокращённые (ионные) уравнения.
Мы рассмотрим каждую реакцию по очереди.
─────────────────────────────
1. Реакция: CuSO₄ + HCl ⟶ …
Исходно имеются медный(II) сульфат и соляная кислота. При протекании обменной реакции ионов происходит замена анионов: сульфат остаётся «перенесённым», а ионы H⁺ и Cl⁻ меняются местами с Cu²⁺ и SO₄²⁻. При правильно подобранных стехиометрических соотношениях реакция выглядит так:
CuSO₄ + 2 HCl ⟶ CuCl₂ + H₂SO₄
Проверка по атомам:
• Cu: по одному с обеих сторон
• SO₄: один
• H: 2 (из 2 HCl) → H₂SO₄ (2)
• Cl: 2 (из 2HCl) → CuCl₂ (2)
Условия: реакция проводится в водном растворе при комнатной температуре. Заметим, что в водном растворе все соли сильно диссоциируют, а обмен происходит за счёт встречных ионов.
Полное ионное уравнение (при условии полного диссоциации всех растворимых веществ):
[Cu]²⁺ + [SO₄]²⁻ + 2 H⁺ + 2 Cl⁻ ⟶ [Cu]²⁺ + 2 Cl⁻ + 2 H⁺ + [SO₄]²⁻
При исключении ионов-наблюдателей (Cu²⁺, SO₄²⁻, H⁺ и Cl⁻ остаются без изменений) сокращённое (нетто) уравнение не имеет смысловой разницы – здесь обмен происходит без образования нового диссоциирующего вещества, поэтому результат можно оставить в виде молекулярного уравнения.
─────────────────────────────
2. Реакция: Ba(NO₃)₂ + H₂SO₄ ⟶ …
В данной системе в водном растворе происходит обмен: барий с нитратом и ионы из серной кислоты. При встрече Ba²⁺ и SO₄²⁻ образуется нерастворимый сульфат бария, который выпадет в осадок, а оставшийся раствор обогащается азотной кислотой.
Молекулярное уравнение:
Ba(NO₃)₂ + H₂SO₄ ⟶ BaSO₄↓ + 2 HNO₃
Проверка:
• Ba: 1 → 1,
• NO₃: 2 → 2 (в HNO₃),
• SO₄: 1 → 1,
• H: 2 → 2 (в HNO₃).
Условия: реакция проводится в водном растворе при комнатной температуре. Выпадение белого осадка BaSO₄ является характерным признаком.
Полное ионное уравнение:
Ba²⁺ + 2 NO₃⁻ + 2 H⁺ + [SO₄]²⁻ ⟶ BaSO₄(s) + 2 H⁺ + 2 NO₃⁻
Сокращённое (нетто) ионное уравнение (исключая ионы‑наблюдатели H⁺, NO₃⁻):
Ba²⁺ + [SO₄]²⁻ ⟶ BaSO₄(s)
─────────────────────────────
3. Реакция: Cu + HCl ⟶ …
Медь в элементарном состоянии (Cu) является малореакционноспособным металлом по отношению к некислотным окислителям (HCl) – она находится ниже водорода в ряде активности металлов. Поэтому при добавлении соляной кислоты к меди практическая реакция не происходит.
Ответ: при нормальных условиях медь не реагирует с HCl.
─────────────────────────────
4. Реакция: NaNO₃ + HCl ⟶ …
В системе присутствуют соль (нитрат натрия) и соляная кислота. Происходит обмен ионов. Молекулярное уравнение:
NaNO₃ + HCl ⟶ NaCl + HNO₃
Проверка:
• Na, NO₃, H и Cl — по одному в каждом реагенте; в продуктах – те же элементы.
Условия: реакция протекает в однородном водном растворе при обычной температуре. Так как все соли и кислоты являются сильными электролитами, в растворе происходит полная диссоциация, а обмен идёт по принципу случайного столкновения ионов.
Полное ионное уравнение:
Na⁺ + NO₃⁻ + H⁺ + Cl⁻ ⟶ Na⁺ + Cl⁻ + H⁺ + NO₃⁻
После исключения одинаковых ионов (Na⁺, Cl⁻, H⁺, NO₃⁻) получаем тождественное равенство – обмен носит характер переноса ионов без изменения состава, поэтому сокращённое уравнение здесь не представлено.
─────────────────────────────
5. Реакция: MgCl₂ + H₂SO₄ (конц.) ⟶ …
При взаимодействии хлорида магния с концентрированной серной кислотой (аналогично известной реакции с NaCl) возможен вариант, при котором кислотой протекает реакция с выделением HCl(g). Для щёлочноземельных хлоридов характерно образование соответствующих кислотных солей. С учётом стехиометрии реакцию можно записать следующим образом:
MgCl₂ + 2 H₂SO₄ (конц.) ⟶ Mg(HSO₄)₂ + 2 HCl↑
Пояснения:
• При использовании концентрированной H₂SO₄ вместо водного раствора реакция протекает с выделением газообразного HCl.
• Mg(HSO₄)₂ остаётся в растворе, а HCl уходит в виде паров.
Полное ионное уравнение здесь записывать нецелесообразно, так как происходит образование газа (HCl↑), и выделенная фаза отделяется от растворённой.
Условия: реакция проводится при нагревании (или при комнатной температуре, но с использованием концентрированной серной кислоты) в условиях, способствующих выделению HCl в газообразном виде.
─────────────────────────────
6. Реакция: Na₂SO₃ + H₂SO₄ ⟶ …
Натриевая сульфит (Na₂SO₃) при добавлении серной кислоты может прореагировать с образованием сульфата натрия с выделением диоксида серы. При полной реакции с избытком кислоты происходит окислительно-восстановительная реакция, в ходе которой сульфит (SO₃²⁻) реагирует с протонами:
Молекулярное уравнение можно записать так:
Na₂SO₃ + H₂SO₄ ⟶ Na₂SO₄ + SO₂↑ + H₂O
Проверка по атомам:
Левая сторона: Na₂, S (из Na₂SO₃) и S (из H₂SO₄) → 2S; O: 3 + 4 = 7; H: 2
Правая сторона: Na₂SO₄ даёт Na₂, S и 4 O; SO₂ – S и 2 O; H₂O – H₂, O; суммарно S: 1+1 = 2, O: 4+2+1=7, H:2.
Условия: реакция проводится при контролируемом добавлении кислоты (может идти с выделением SO₂(g)); температура не обязательно высока, но выделение газа ускоряется при нагревании.
Полное ионное уравнение:
Na₂SO₃ (→ 2 Na⁺ + SO₃²⁻) + H₂SO₄ (→ 2 H⁺ + SO₄²⁻) ⟶ Na₂SO₄ (→ 2 Na⁺ + SO₄²⁻) + SO₂↑ + H₂O
Сокращённое (нетто) ионное уравнение (для основной части превращения):
SO₃²⁻ + 2 H⁺ ⟶ SO₂↑ + H₂O
─────────────────────────────
7. Реакция: NaOH + H₂SO₄ ⟶ …
Реакция между гидроксидом натрия и серной кислотой – классическая кислотно-основная нейтрализация. В зависимости от соотношения реагентов возможны два варианта:
а) При соотношении 1∶1 (избыточная кислота) образуется натрий бисульфат:
NaOH + H₂SO₄ ⟶ NaHSO₄ + H₂O
б) При избытке щёлочи (2 mol NaOH на 1 mol H₂SO₄) происходит полная нейтрализация:
2 NaOH + H₂SO₄ ⟶ Na₂SO₄ + 2 H₂O
Оба варианта практически осуществимы. Обычно для нейтрализации применяют в избытке щёлочь, поэтому предпочтительно в лабораторных условиях записывать полный вариант (b).
Полное ионное уравнение для полного нейтрализующего варианта:
2 Na⁺ + 2 OH⁻ + 2 H⁺ + SO₄²⁻ ⟶ Na₂SO₄ + 2 H₂O
Сокращённое (нетто) ионное уравнение:
2 OH⁻ + 2 H⁺ ⟶ 2 H₂O
─────────────────────────────
8. Реакция: Al(OH)₃ + H₂SO₄ ⟶ …
Алюминий гидроксид – амфотерное нерастворимое вещество, которое при кислом воздействии превращается в растворимые соли. При полном протекании реакции с избытком кислоты образуется сульфат алюминия.
Молекулярное уравнение (при полной нейтрализации):
2 Al(OH)₃ + 3 H₂SO₄ ⟶ Al₂(SO₄)₃ + 6 H₂O
Проверка:
• Al: 2 с обеих сторон,
• OH и H₂O: 2×3 = 6 гидроксидных групп → 6 молекул воды,
• H: 3×2 = 6;
• SO₄: 3 с обеих сторон.
Условия: реакция протекает при нагревании и перемешивании, поскольку Al(OH)₃ плохо растворим в воде, но в присутствии избытка кислоты он растворяется с образованием прозрачного раствора.
Полное ионное уравнение можно представить с участием нерастворимого осадка Al(OH)₃ (в исходном состоянии):
2 Al(OH)₃(s) + 3 [2 H⁺ + SO₄²⁻] ⟶ 2 Al³⁺ + 3 SO₄²⁻ + 6 H₂O
Соединяя Al³⁺ и SO₄²⁻, получаем Al₂(SO₄)₃.
Аналогичное сокращённое (нетто) уравнение для процесса растворения можно записать так:
2 Al(OH)₃(s) + 6 H⁺ ⟶ 2 Al³⁺ + 6 H₂O (при условии, что анионы SO₄²⁻ являются «наблюдателями», соединяясь с Al³⁺ для образования Al₂(SO₄)₃)
─────────────────────────────
Вывод:
Для каждого набора реагентов получаем следующие практически осуществимые реакции с указанием условий и (где возможно) полных и сокращённых ионных уравнений.
1. CuSO₄ + 2 HCl ⟶ CuCl₂ + H₂SO₄
(Водный раствор, комнатная температура)
Полное ионное уравнение эквивалентно исходному, так как все ионы остаются в растворе.
2. Ba(NO₃)₂ + H₂SO₄ ⟶ BaSO₄↓ + 2 HNO₃
(Водный раствор, выделяется нерастворимый белый осадок BaSO₄)
Нетто: Ba²⁺ + SO₄²⁻ ⟶ BaSO₄↓.
3. Cu + HCl – реакция не проходит, так как медь не реагирует с HCl при нормальных условиях.
4. NaNO₃ + HCl ⟶ NaCl + HNO₃
(Растворённые вещества; обмен происходит без образования осадка)
Полное ионное уравнение тривиально, так как все ионы остаются в растворе.
5. MgCl₂ + 2 H₂SO₄ (конц.) ⟶ Mg(HSO₄)₂ + 2 HCl↑
(Проводится с применением концентрированной H₂SO₄; выделяется HCl в виде газа)
6. Na₂SO₃ + H₂SO₄ ⟶ Na₂SO₄ + SO₂↑ + H₂O
(При контролируемой кислотности выделяется диоксид серы)
Нетто: SO₃²⁻ + 2 H⁺ ⟶ SO₂↑ + H₂O.
7. Нейтрализация:
а) При 1∶1 соотношении: NaOH + H₂SO₄ ⟶ NaHSO₄ + H₂O
б) При избытке щёлочи: 2 NaOH + H₂SO₄ ⟶ Na₂SO₄ + 2 H₂O
Полное ионное (для b): 2 OH⁻ + 2 H⁺ ⟶ 2 H₂O.
8. Al(OH)₃ + H₂SO₄ ⟶
2 Al(OH)₃ + 3 H₂SO₄ ⟶ Al₂(SO₄)₃ + 6 H₂O
(При нагревании с избытком кислоты нерастворимый Al(OH)₃ растворяется с образованием соли)
Таким образом, используя правила записи реакций обмена и кислотно-основного нейтрализации, а также учитывая явления осаждения и выделения газа, получаем вышеописанные уравнения, записанные с применением символов Unicode вместо LaTeX.