Ионы и ионные пары щелочных солей карбанионов — получение структуры

Винильные и другие алкенильные анионы щелочных металлов известны много десятков лет и выполняют роль важных реагентов в органическом синтезе. Однако до сих пор ни для одной такой молекулы не были выделены и охарактеризованы одновременно и контактная, и сольватноразделённая ионные пары. Исследователям из Хайфы удалось это сделать для необычного силенильного аниона — молекулы с двойной связью кремний-углерод (Si=C), кремниевого аналога винильного аниона. Два типа ионных пар различаются цветом и, потенциально, реакционной способностью. Работа представляет особый интерес, так как соединения с двойной связью кремний-углерод, как правило, чрезвычайно нестабильны, и синтез силенильных анионов — важный шаг к получению неограниченного числа таких соединений.Ионы и ионные пары щелочных солей карбанионов - Студенческий портал

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

Соединения с двойной связью углерод-углерод (С=С) — олефины, или алкены — везде и повсюду. Самый простой олефин — этилен (H2C=CH2) — открыли еще в XVII веке и научились полимеризовать в полиэтилен в конце XIX века. В ХХ веке начали интенсивно использовать олефины как источник пластика.

Причем оказалось, что если водороды (даже всего один водород) в этилене заменить на другие группы, то свойства вещества поменяются кардинальным образом.

Множество продуктов химической промышленности с разнообразными свойствами, от тефлонового покрытия сковородок до полистирольного пенопласта, появились в результате «игр» исследователей с группами на олефинах.

А что будет, если заменить в олефине один из углеродов, связанных двойной связью, на кремний, который всего на одну клетку ниже углерода в таблице Менделеева? Ведь если это удастся, то можно будет получать аналоги пластмасс с кремнием, то есть вещества с иными химическими, физическими (и электронными) свойствами. К удивлению и разочарованию химиков начала ХХ века, доступными на тот момент методами вещества с двойной связью кремний-углерод получить не удалось. До 60-х годов ХХ века многие в научном сообществе думали, что такие вещества не могут существовать в принципе. Ситуация изменилась в 1967 году, когда Леонид Евгеньевич Гусельников в Москве доказал существование таких молекул (силаолефинов, или силенов; см. Silenes) в газовой фазе. Оказалось, что, в отличие от двойных связей углерод-углерод, двойные связи кремний-углерод димеризуются, образуя четырехугольные кольца (рис. 2).

Ионы и ионные пары щелочных солей карбанионов - Студенческий портал

Можно ли как-то помешать димеризации? Самая простая идея — нагромоздить большие группы вокруг двойной связи. Эксплуатируя эту идею, удалось синтезировать первые силены, стабильные при комнатной температуре (при отсутствии кислорода и воды). Впервые такой силен синтезировал и исследовал в Торонто Адриан Брук — через 14 лет после открытия Гусельникова.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  Законы Кеплера - орбиты планет Солнечной системы и правила применения

Оценим за полчаса!

Однако синтез первых стабильных силенов был сложным и дорогим, из-за чересчур громоздкого строения было трудно синтезировать ряд подобных молекул с разными боковыми группами, которые привели бы к новым свойствам, как в углеродных аналогах. Нужен был метод, который позволил бы «промышленно» производить молекулы с двойными связями Si=C и делать с ними химию.

В начале 90-х в Хайфской группе Ицхака Апелоига появилась возможность использовать для получения силенов реакцию Петерсона (рис. 3).

После нескольких лет поиска оптимальных реагентов и условий была найдена реакция кремний-литиевых соединений с адамантаноном (кетоном адамантана), которая привела к получению недорогих стабильных силенов с большим выходом.

С ними было проделано много фундаментальных исследований, включая интересную полимеризацию.

Ионы и ионные пары щелочных солей карбанионов - Студенческий портал

Несмотря на определенные успехи, одна небольшая проблема по-прежнему оставалась: все силены, получаемые в этой реакции, были похожи между собой. Получалось лишь поменять метилы на боковых группах силена на другие (и то — далеко не любые) алкильные группы. Не было возможности для «игр» с группами на двойной связи, как в олефинах.

Как добиться возможности получать почти любую группу при двойной связи в силене? Неплохо бы для этого сначала получить силен с группой, которую легко заменить, и чтобы сам силен с ней не реагировал. Одна из таких групп — катион (например, литий, натрий, калий). Такая молекула, аналог винильного аниона, называется силенил-анион, и ее долго не могли получить.

В 2010 году этот рубеж был пройден. Сначала была опубликована статья, описывающая синтез особенного силена — силенолята (silenolate, аналог енола, или алкенола), агрегированного с кремний-литиевым соединением (рис. 4).

А еще через два года ученые обнаружили, что этот силенолят всего лишь при добавлении тетрагидрофурана (ТГФ) превращался в желанный силенил лития (silenyllithium).

Ионы и ионные пары щелочных солей карбанионов - Студенческий портал

Реакция настолько необычна для органической химии, что стоит рассказать о ней подробнее.

Оказалось, что при добавлении ТГФ силаэнолят проходит через аналог реакции Петерсона до образования силина (silyne) — молекулы с тройной связью кремний-углерод (на тот момент невиданного соединения — только позже в 2010 году группа Антуана Басиердо из Тулузы хитроумным способом получила первый и единственный на сегодняшний день стабильный силин), кремниевого аналога алкина. Надо отметить, что в углеродной химии реакция Петерсона для получения тройных связей неизвестна. Это вещество с тройной связью нестабильно, и мгновенно перегруппировывается до получения силилидена (silylidene) — молекулы с двухвалентным кремнием и двойной связью с углеродом (см. Silanylidene group) — это тоже невиданная молекула, существование которой только предполагалось и не было зафиксировано до этой публикации. Силилиден внедряется в связь кремний-литий присутствующего в растворе кремний-литиевого соединения, давая окончательный продукт — силенил лития.

В первой публикации силенил лития был получен как контактная ионная пара (Intimate ion pair): литий привязан к кремнию (см. классификацию ионных пар). Имея на руках одну молекулу, трудно изучать реакционную способность и тем более рассуждать о закономерностях.

Ионные пары состоят из двух противоположно заряженных ионов, удерживаемых электростатическими силами, дисперсионными, ион-дипольными или некоторыми другими взаимодействиями. При диссоциации образуют свободные ионы, которые, в отличие от ионных пар, проводят ток.

Различают контактные (внутренние, тесные, интимные) ионные пары, в которых ионы X+ и Y– находятся в непосредственном контакте (обозначаются Х+Y–), и сольватноразделённые (внешние, рыхлые), в которых между ионами находится одна или (реже) несколько молекул сольватирующего агента, например растворителя (обозначаются Х+ || Y– или X+SY–). Нередко тесные и рыхлые ионные пары (например, ионные пары карбанионов или анион-радикалов) имеют различные электронные и колебательные спектры или спектры ЯМР, что позволяет определять по отдельности их концентрации и исследовать равновесие между ними. В общем случае ион-реагент в свободном состоянии, в виде контактной или сольватноразделённой пары имеет различную реакционную способность. (С сайта «Химик.ру».)

Читайте также:  Государственный кредит в современной России - цели и способы получения

Но недавно вышла новая работа той же группы исследователей, в которой были выделены, охарактеризованы и полностью изучены сразу две формы силенила лития — контактная и сольватноразделённая ионные пары (рис. 5). Авторы утверждают, что этот результат беспрецедентен и для винил-лития со всеми его аналогами.

Ионы и ионные пары щелочных солей карбанионов - Студенческий портал

Кремниевые анионы, подобно карбанионам, взаимодействуют с полярными растворителями (такими как ТГФ), образуя частично или полностью разделенные ионные пары. Молекулы полярного растворителя контактируют с ионами (сольватируют ионы) и «растаскивают» их, растворяя соединение.

На первой стадии получается частично разделенная ионная пара. В зависимости от растворителя, пара может остаться частично разделенной или полностью диссоциировать на сольватированные (связанные с растворителем) ионы в растворе, что и происходит в обсуждаемом случае.

Сольватирующая связь — слабое взаимодействие молекулы растворителя с ионом.

Сольватация оказывает эффект и на реактивность молекулы. Как правило, чем больше расстояние между ионами, тем карбанион (и кремниевый аналог) реактивнее.

В случае с винильными анионами, чья электронная структура из-за двойной связи отличается от обычных карбанионов, это до сих пор исследовано не было, и точно не было известно, как сольватация влияет на свойства молекулы.

Это — еще одна причина, по которой обсуждаемая работа представляет интерес.

Рентгенокристаллография показала, что, помимо расстояния между кремнием и литием, геометрические параметры у обеих форм практически идентичны. Но то, что у этих форм разные цвета, указывает на разную электронную структуру.

Цвет веществ вызван поглощением фотонов видимого спектра.

при поглощении фотона происходит переход электрона с высшей заполненной молекулярной орбитали (highest occupied molecular orbital, HOMO) на низшую незаполненную молекулярную орбиталь (lowest unoccupied molecular orbital, LUMO).

Орбиталь — объем пространства, прилегающий к атомному ядру, в котором находятся (или могут находиться) электроны.

Когда два или более атома связываются между собой химической связью (и образуется молекула), их атомные орбитали сливаются, порождая молекулярные орбитали, которые могут принимать довольно замысловатые формы.

Формы эти и их энергетические уровни можно находить, приближенно решая уравнения Шрёдингера (см.: Теория функционала плотности).

На рис. 6 показан спектр поглощения молекул в видимом диапазоне.

Контактная ионная пара поглощает в более синей области (пик на длине волны в 526 нм), и поэтому раствор молекулы красно-фиолетовый, в то время как разделенная ионная пара поглощает ближе к красному (585 нм), и поэтому цвет раствора — сине-зеленый.

Поглощение в более красной (менее энергетической) части спектра означает, что для ионизации молекулы нужно меньше энергии и что она, вероятно, будет быстрее реагировать. Впрочем, это еще предстоит показать экспериментально.

Ионы и ионные пары щелочных солей карбанионов - Студенческий портал

В данный момент идет работа по проверке реакционной способности молекул. Авторы надеются, что смогут получить новые интересные силены и научиться делать из них материалы с новыми свойствами.

Источник: https://elementy.ru/novosti_nauki/432830/Vpervye_polucheny_struktury_kontaktnoy_i_solvatnorazdelyonnoy_ionnykh_par_silenil_litievogo_soedineniya

Карбанион — это… Что такое Карбанион?

  • карбанион — karb(o)anijonas statusas T sritis chemija apibrėžtis Anijonas, kuriame neigiamąjį krūvį turi C atomas. atitikmenys: angl. carbanion rus. карбанион …   Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
  • карбанион — (2 м); мн. карбанио/ны, Р. карбанио/нов …   Орфографический словарь русского языка
  • борканина — карбанион …   Краткий словарь анаграмм
  • ХОРИОНИЧЕСКИЙ ГОНАДОТРОПИН — (ХГ, хориогонадотропин), белковый гормон приматов. ХГ гликопротеин (мол. м. ок. 38 тыс.), молекула к рого состоит из двух разл. субъединиц ( ХГ и ХГ), нековалентно связанных друг с другом. Молекулы ХГ человека и разных видов животных, обладая… …   Химическая энциклопедия
  • ГЕТЕРОЛИТИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ — (от греч. heteros иной, другой и lysis разложение, распад), протекают с гетеролизом хим. связи, т. е. с таким ее разрывом, при к ром электронная пара, осуществляющая связь, остается у одного из атомов и, как правило, образуются ионы: Иногда к… …   Химическая энциклопедия
  • КОФЕРМEНТЫ — (от лат. со приставка, означающая совместность, и ферменты) (коэнзимы), орг. прир. соед., необходимые для осуществления каталитич. действия ферментов. Эти в ва, в отличие от белкового компонента фермента (апофермента), имеют сравнительно… …   Химическая энциклопедия
  • МИХАЭЛЯ РЕАКЦИЯ — присоединение соед. с реакционно способной метиленовой или метиновой группой (доноры электронов) к соед. с активир. двойной связью (акцепторы электронов) в присут. оснований: Основания обычно алкоголяты, гидриды, гидроксиды и карбонаты щелочных и …   Химическая энциклопедия
  • ЦВИТТЕР-ИОНЫ — (биполярные ионы), нейтральные молекулы, содержащие одновременно положит. и отрицат. ионные центры. Цвиттер ионную структуру с пространственно разделенными зарядами имеют аминокислоты, существующие в виде внутр. солей бетаинов, а также мезоионные …   Химическая энциклопедия
  • ЭЛИМИНИРОВАНИЯ РЕАКЦИИ — (р ции отщепления), отщепление от молекулы орг. соед. частиц (атомов или атомных групп) без замены их другими. Различают и d Э. р. При элиминировании (отщепление частиц от одного атома) образуются валентно ненасыщ. соед. (напр., карбены, нитрены) …   Химическая энциклопедия
  • Кетоны — это органические вещества, в молекулах которых карбонильная группа связана с двумя углеводородными радикалами. Общая формула кетонов: R1–CO–R2. Среди других карбонильных соединени …   Википедия

Источник: https://dik.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/644136

Эффекты ионной ассоциации в органической химии

      В химических процессах важную роль играют нестабильные реакционноспособные частицы — свободные радикалы, карбены и карбеноиды, возбужденные и заряженные частицы.

 

Часто именно они, образовавшись на промежуточной стадии реакции, определяют ее скорость и характер конечных продуктов.

Иногда их удается зарегистрировать физическими или химическими методами, а иногда для интерпретации полученных результатов приходится ограничиваться лишь выдвижением гипотезы об их участии в реакции.

   К числу наиболее распространенных активных частиц относятся ионы. В отличие от короткоживущих свободных радикалов или возбужденных частиц многие виды ионов (например, карбанионы) могут существовать в растворе значительное время и даже при высоких концентрациях.

Это позволяет изучить физико-химические характеристики таких органических ионов (например, электронные спектры поглощения или спектры ЯМР), чтобы в дальнейшем связать эти характеристики с реакционной способностью ионов.

С другой стороны, изучение модельных реакций с участием долгоживущих ионных частиц может оказать существенную помощь при установлении механизмов химических процессов, в которых такие ионы образуются в качестве промежуточных частиц и недоступны прямой регистрации.

Ионные реакции органических и металлорганических соединений, протекающие в растворе всегда были объектом пристального внимания химиков. Эффекты растворителя в реакциях, в которых участвуют ионы, особенно велики, что создает реальные возможности для управления такими реакциями.

Меняя природу среды, можно либо полностью остановить реакцию, либо ускорить ее почти до взрывного предела. Механизм подобного контроля сложен и в нем много неясных моментов, но основными факторами можно считать диэлектрическую проницаемость среды, сольватирующую способность растворителя и ассоциацию ионов.

Если физическая сущность первых двух факторов сводится к взаимодействию реагентов с растворителем, то в основе последнего лежит взаимодействие реакционноспособных ионов с нереагирующими ионами противоположного знака.

Образующийся в результате такого взаимодействия ионный ассоциат, иначе называемый ионной парой, разительно отличается по своим свойствам от исходного свободного иона, хотя активное начало в обоих случаях одно и то же. Так, в присутствии противоиона реакционная способность иона-реагента может снизиться на несколько порядков.

В отдельных случаях ионные пары вообще не реагируют, тогда как свободные ионы образуют продукт со значительной скоростью. Кроме того, свободные ионы и ионные пары в реакции с одним и тем же реагентом могут давать различные продукты. Особенно часто ионная ассоциация меняет стереохимическую направленность процесса.

   В органической химии интерес к ионным парам возник в шестидесятых годах при исследовании реакций нуклеофильного замещения у насыщенного атома углерода, когда удалось показать, что в этих процессах участвуют ионные пары, причем даже не одного, а двух типов, для доказательства существования именно двух типов ионных пар были проведены оригинальные исследования кинетики и стереохимии нуклеофильного замещения. Эти работы до сих пор остаются одним из самых ярких достижений физической органической химии.

Исследования реакций, в которых участвуют ионные частицы, послужили толчком к выявлению факторов, способных эффективно влиять на ассоциацию ионов.

Были синтезированы соединения (краун-полиэфиры, криптаты), препятствующие образованию ионных пар. В результате использования краун-полиэфиров удалось с прекрасными выходами осуществить многие реакции, имеющие большое практическое значение.

При этом существенно изменились представления о нуклеофильности различных анионов.

   Особенно много внимания ионной ассоциации было уделено в химии карбанионов и анион-радикалов. Здесь с помощью различных физических методов исследования были получены прямые доказательства существования ионных пар различного типа. Эти работы привлекли пристальное внимание химиков, последовал бурный всплеск исследований различных характеристик этих частиц физико—химическими методами.

В последние
годы развитие химии карбанионов, изучение их реакционной способности и интерпретация полученных данных самым тесным образом связаны с проблемой ионной ассоциации, с установлением состояния солей СН-кислот в растворе.

Эта проблема объединила усилия исследователей, работающих в области органической и физической химии и химии высокомолекулярных соединений, благодаря чему были достигнуты крупные успехи в развитии фундаментальных представлений о природе химических процессов.

1 ЭФФЕКТЫ ИОННОЙ АССОЦИАЦИИ

При беспорядочном тепловом движении ионы в растворах электролитов периодически оказываются па расстоянии, достаточном для проявления кулоновских сил. Противоположно заряженные ионы диффундируют друг к другу через слой молекул растворителя, их отделяющих, пока не образуют частицу, называемую ионной парой.

В зависимости от структуры ионов, их размера, заряда и поляризуемости, природы растворителя и температуры ионные фрагменты пары могут прийти в непосредственный контакт, образуя контактную, или тесную, ионную пару А- В+, либо могут находиться на некотором расстоянии один от другого, отделяемые слоем молекул растворителя (сольватно-разделенная, или рыхлая, ионная пара А—SВ+).

Тепловое движение молекул в растворе, сталкивающее ионы, служит и причиной распада ионных пар.

Взаимопереход ионы — ионные пары можно рассматривать в с ионной точки зрения, а именно, как диссоциацию на свободные ионы ионофоров, т. е.

ионнопостроенных веществ, каждая молекула которых по существу представляет собой ионную пару (примером ионофора могут служить галогениды щелочных металлов), или ионогенов, т. е.

веществ, молекулы которых превращаются в ионные пары под действием растворителя (примером ионогена могут служить алкилгалогениды). Согласно современным представлениям, ионы и ионные пары в растворе находятся в термодинамическом равновесии:

(1)

где S обозначает растворитель, проникновение которого между фрагментами контактной ионной пары А-В+
превращает ее в сольватно-разделенную ионную пару А-SВ+.

Именно взаимодействие растворителя
с ионами (иначе называемое сольватацией), находящимися в свободном состоянии и в ассоциатах, является той движущей силой, которая управляет ассоциативно-диссоциативными равновесиями.

Особенно сильно на положение этих равновесий влияет специфическая сольватация ионов. Этот тип взаимодействия характеризует прочная связь молекул растворителя с сольватируемой частицей, которая не нарушается даже при миграции частицы в среде.

В роли сольватирующих агентов могут выступать не только молекулы растворителя, во и молекулы реагентов в продуктов реакции.

Диссоциации на свободные ионы, а также превращению контактных ионных пар в сольватно-разделенные благоприятствует образование водородных связей между анионом и протонодонорными молекулами или сольватация катионов соединениями с гетероатомами, имеющими неподеленную пару электронов. К числу последних относятся глимы (диметиловые эфиры полиэтиленгликолей), краун-полиэфиры I и криптаты II, специально синтезированные для решения препаративных и кинетических задач. Особенно эффективно происходит разделение ионов под действием I и II.

Влияние специфической сольватации на положение равновесия между ионами и ионными парами пока количественно учесть невозможно.

Однако, если рассматривать растворитель в качестве изотропного бесструктурного диэлектрика, то можно получить выражение для константы диссоциации ионных пар Кд или константы ассоциации ионов в ионную пару Ка.

Интерес к ионной ассоциации не был бы так велик, если бы не далеко идущие последствия этого явления. Ионная ассоциация влияет на электропроводность растворов электролитов, меняет их магнитную восприимчивость и диэлектрическую проницаемость.

Появление вблизи заряженной частицы иона противоположного знака вызывает перераспределение электронной плотности в этой частице, что сказывается, в свою очередь, на расположении энергетических уровней.

В результате электронные, колебательные и вращательные спектры поглощения, спектры ЭПР и ЯМР ионных пар отличаются от тех же спектров свободных ионов .

Обнаруживая себя подобным образом, ионная ассоциация дает возможность экспериментатору воспользоваться широким арсеналом физических методов исследования для получения качественной и количественной информации о термодинамических, кинетических и структурных аспектах этого явления.

Присутствие противоиона вблизи иона-реагента приводит также во многих случаях к кардинальным изменениям в реакционной способности и механизме реакции.

Читайте также:  Анализ налоговой системы РФ - процентное соотношение прямых и косвенных налогов

Особенностью реакционных систем, способных существовать в растворе в виде равновесной смеси ионных частиц различного типа, является то, что каждая частица реагирует со своей собственной константой скорости и иногда дает свой собственный продукт.

В общем случае выражение для наблюдаемой константы скорости может быть записано в виде

где αi – доля ионных частиц определенного типа; ki — константа скорости реакции этой частицы.

Для частного, но весьма распространенного, случая, когда в реакции участвуют лишь свободные ионы (kн) и ионные пары (kн.п.), выражение (7) приобретает форму уравнения Акри:

  1. Степень диссоциации α ионофора при заданной концентрации с определяют либо экспериментально, либо рассчитывают по известной константе диссоциации КД с помощью выражения

Где f – коэффициент активности.

В зависимости от kн и kн.п и относительных концентраций свободных ионов и ионных пар определяющую роль в процессе может играть либо один, либо другой тип ионных частиц.

Может быть и так, что вклады ионов и ионных пар сопоставимы.

Кинетически эти варианты характеризуются различными порядками по ионнопостроенным реагентам (от 0,5 до 1), что не мешает, однако, используя уравнение (8) и его модификации, определять абсолютные значения kн и kн.п .

Источник: https://student.zoomru.ru/him/jeffekty-ionnoj-associacii-v-organicheskoj/19443.154570.s1.html

Как составлять ионные уравнения. Задача 31 на ЕГЭ по химии

Достаточно часто школьникам и студентам приходится составлять т. н. ионные уравнения реакций. В частности, именно этой теме посвящена задача 31, предлагаемая на ЕГЭ по химии. В данной статье мы подробно обсудим алгоритм написания кратких и полных ионных уравнений, разберем много примеров разного уровня сложности.

Зачем нужны ионные уравнения

Напомню, что при растворении многих веществ в воде (и не только в воде!) происходит процесс диссоциации — вещества распадаются на ионы.

Например, молекулы HCl в водной среде диссоциируют на катионы водорода (H+, точнее, H3O+) и анионы хлора (Cl-).

Бромид натрия (NaBr) находится в водном растворе не в виде молекул, а в виде гидратированных ионов Na+ и Br- (кстати, в твердом бромиде натрия тоже присутствуют ионы).

Записывая «обычные» (молекулярные) уравнения, мы не учитываем, что в реакцию вступают не молекулы, а ионы. Вот, например, как выглядит уравнение реакции между соляной кислотой и гидроксидом натрия:

HCl + NaOH = NaCl + H2O. (1)

Разумеется, эта схема не совсем верно описывает процесс. Как мы уже сказали, в водном растворе практически нет молекул HCl, а есть ионы H+ и Cl-. Так же обстоят дела и с NaOH. Правильнее было бы записать следующее:

H+ + Cl- + Na+ + OH- = Na+ + Cl- + H2O. (2)

Это и есть полное ионное уравнение. Вместо «виртуальных» молекул мы видим частицы, которые реально присутствуют в растворе (катионы и анионы). Не будем пока останавливаться на вопросе, почему H2O мы записали в молекулярной форме. Чуть позже это будет объяснено. Как видите, нет ничего сложного: мы заменили молекулы ионами, которые образуются при их диссоциации.

Впрочем, даже полное ионное уравнение не является безупречным. Действительно, присмотритесь повнимательнее: и в левой, и в правой частях уравнения (2) присутствуют одинаковые частицы — катионы Na+ и анионы Cl-. В процессе реакции эти ионы не изменяются. Зачем тогда они вообще нужны? Уберем их и получим краткое ионное уравнение:

H+ + OH- = H2O. (3)

Как видите, все сводится к взаимодействию ионов H+ и OH- c образованием воды (реакция нейтрализации).

Все, полное и краткое ионные уравнения записаны. Если бы мы решали задачу 31 на ЕГЭ по химии, то получили бы за нее максимальную оценку — 2 балла.

Итак, еще раз о терминологии:

  • HCl + NaOH = NaCl + H2O — молекулярное уравнение («обычное» уравнения, схематично отражающее суть реакции);
  • H+ + Cl- + Na+ + OH- = Na+ + Cl- + H2O — полное ионное уравнение (видны реальные частицы, находящиеся в растворе);
  • H+ + OH- = H2O — краткое ионное уравнение (мы убрали весь «мусор» — частицы, которые не участвуют в процессе).

Алгоритм написания ионных уравнений

  1. Составляем молекулярное уравнение реакции.
  2. Все частицы, диссоциирующие в растворе в ощутимой степени, записываем в виде ионов; вещества, не склонные к диссоциации, оставляем «в виде молекул».
  3. Убираем из двух частей уравнения т. н. ионы-наблюдатели, т.е. частицы, которые не участвуют в процессе.
  4. Проверяем коэффициенты и получаем окончательный ответ — краткое ионное уравнение.

Пример 1. Составьте полное и краткое ионные уравнения, описывающие взаимодействие водных растворов хлорида бария и сульфата натрия.

Решение. Будем действовать в соответствии с предложенным алгоритмом. Составим сначала молекулярное уравнение. Хлорид бария и сульфат натрия — это две соли. Заглянем в раздел справочника «Свойства неорганических соединений». Видим, что соли могут взаимодействовать друг с другом, если в ходе реакции образуется осадок. Проверим:

BaCl2 + Na2SO4 = BaSO4↓ + 2NaCl.

Таблица растворимости подсказывает нам, что BaSO4 действительно не растворяется в воде (направленная вниз стрелка, напомню, символизирует, что данное вещество выпадает в осадок).

Молекулярное уравнение готово, переходим к составлению полного ионного уравнения.

Обе соли, присутствующие в левой части, записываем в ионной форме, а вот в правой части оставляем BaSO4 в «молекулярной форме» (о причинах этого — чуть позже!) Получаем следующее:

Ba2+ + 2Cl- + 2Na+ + SO42- = BaSO4↓ + 2Cl- + 2Na+.

Осталось избавиться от балласта: убираем ионы-наблюдатели. В данном случае в процессе не участвуют катионы Na+ и анионы Cl-. Стираем их и получаем краткое ионное уравнение:

Ba2+ + SO42- = BaSO4↓.

А теперь поговорим подробнее о каждом шаге нашего алгоритма и разберем еще несколько примеров.

Как составить молекулярное уравнение реакции

Должен сразу вас разочаровать. В этом пункте не будет однозначных рецептов. Действительно, вряд ли можно рассчитывать, что я смогу разобрать здесь ВСЕ возможные уравнения реакций, которые могут встретиться вам на ЕГЭ или ОГЭ по химии.

Ваш помощник — раздел «Свойства неорганических соединений». Если вы хорошо знакомы с четырьмя базовыми классами неорганических веществ (оксиды, основания, кислоты, соли), если вам известны химические свойства этих классов и методы их получения, можете на 95% быть уверены в том, что у вас не будет проблем на экзамене с написанием молекулярных уравнений.

Оставшиеся 5% — это некоторые «специфические» реакции, которые мы не сможем перечислить. Не будем лить слез по поводу этих 5%, а вспомним лучше номенклатуру и химические свойства базовых классов неорганических веществ. Три задания для самостоятельной работы:

Упражнение 1. Напишите молекулярные формулы следующих веществ: оксид фосфора (V), нитрат цезия, сульфат хрома (III), бромоводородная кислота, карбонат аммония, гидроксид свинца (II), фосфат стронция, кремниевая кислота. Если при выполнении задания у вас возникнут проблемы, обратитесь к разделу справочника «Названия кислот и солей».

Упражнение 2. Дополните уравнения следующих реакций:

  1. KOH + H2SO4 =
  2. H3PO4 + Na2O=
  3. Ba(OH)2 + CO2=
  4. NaOH + CuBr2=
  5. K2S + Hg(NO3)2=
  6. Zn + FeCl2=

Упражнение 3. Напишите молекулярные уравнения реакций (в водном растворе) между: а) карбонатом натрия и азотной кислотой, б) хлоридом никеля (II) и гидроксидом натрия, в) ортофосфорной кислотой и гидроксидом кальция, г) нитратом серебра и хлоридом калия, д) оксидом фосфора (V) и гидроксидом калия.

Искренне надеюсь, что у вас не возникло проблем с выполнением этих трех заданий. Если это не так, необходимо вернуться к теме «Химические свойства основных классов неорганических соединений».

Как превратить молекулярное уравнение в полное ионное уравнение

Начинается самое интересное. Мы должны понять, какие вещества следует записывать в виде ионов, а какие — оставить в «молекулярной форме». Придется запомнить следующее.

В виде ионов записывают:

  • растворимые соли (подчеркиваю, только соли хорошо растворимые в воде);
  • щелочи (напомню, что щелочами называют растворимые в воде основания, но не NH4OH);
  • сильные кислоты (H2SO4, HNO3, HCl, HBr, HI, HClO4, HClO3, H2SeO4, …).

Как видите, запомнить этот список совсем несложно: в него входят сильные кислоты и основания и все растворимые соли.

Кстати, особо бдительным юным химикам, которых может возмутить тот факт, что сильные электролиты (нерастворимые соли) не вошли в этот перечень, могу сообщить следующее: НЕвключение нерастворимых солей в данный список вовсе не отвергает того, что они являются сильными электролитами.

Все остальные вещества должны присутствовать в ионных уравнениях в виде молекул. Тем требовательным читателям, которых не устраивает расплывчатый термин «все остальные вещества», и которые, следуя примеру героя известного фильма, требуют «огласить полный список» даю следующую информацию.

В виде молекул записывают:

  • все нерастворимые соли;
  • все слабые основания (включая нерастворимые гидроксиды, NH4OH и сходные с ним вещества);
  • все слабые кислоты (H2СO3, HNO2, H2S, H2SiO3, HCN, HClO, практически все органические кислоты …);
  • вообще, все слабые электролиты (включая воду!!!);
  • оксиды (всех типов);
  • все газообразные соединения (в частности, H2, CO2, SO2, H2S, CO);
  • простые вещества (металлы и неметаллы);
  • практически все органические соединения (исключение — растворимые в воде соли органических кислот).

Уф-ф, кажется, я ничего не забыл! Хотя проще, по-моему, все же запомнить список N 1. Из принципиально важного в списке N 2 еще раз отмечу воду.

Пример 2. Составьте полное ионное уравнение, описывающие взаимодействие гидроксида меди (II) и соляной кислоты.

Решение. Начнем, естественно, с молекулярного уравнения. Гидроксид меди (II) — нерастворимое основание. Все нерастворимые основания реагируют с сильными кислотами с образованием соли и воды:

Cu(OH)2 + 2HCl = CuCl2 + 2H2O.

А теперь выясняем, какие вещества записывать в виде ионов, а какие — в виде молекул. Нам помогут приведенные выше списки. Гидроксид меди (II) — нерастворимое основание (см. таблицу растворимости), слабый электролит.

Нерастворимые основания записывают в молекулярной форме. HCl — сильная кислота, в растворе практически полностью диссоциирует на ионы. CuCl2 — растворимая соль. Записываем в ионной форме.

Сu(OH)2 + 2H+ + 2Cl- = Cu2++ 2Cl- + 2H2O.

Пример 3. Составьте полное ионное уравнение реакции диоксида углерода с водным раствором NaOH.

Решение. Диоксид углерода — типичный кислотный оксид, NaOH — щелочь. При взаимодействии кислотных оксидов с водными растворами щелочей образуются соль и вода. Составляем молекулярное уравнение реакции (не забывайте, кстати, о коэффициентах):

CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O.

CO2 — оксид, газообразное соединение; сохраняем молекулярную форму. NaOH — сильное основание (щелочь); записываем в виде ионов. Na2CO3 — растворимая соль; пишем в виде ионов. Вода — слабый электролит, практически не диссоциирует; оставляем в молекулярной форме. Получаем следующее:

СO2 + 2Na+ + 2OH- = Na2++ CO32- + H2O.

Пример 4. Сульфид натрия в водном растворе реагирует с хлоридом цинка с образованием осадка. Составьте полное ионное уравнение данной реакции.

Решение. Сульфид натрия и хлорид цинка — это соли. При взаимодействии этих солей выпадает осадок сульфида цинка:

  • Na2S + ZnCl2 = ZnS↓ + 2NaCl.
  • Я сразу запишу полное ионное уравнение, а вы самостоятельно проанализируете его:
  • 2Na+ + S2- + Zn2+ + 2Cl- = ZnS↓ + 2Na+ + 2Cl-.
  • Предлагаю вам несколько заданий для самостоятельной работы и небольшой тест.
  • Упражнение 4. Составьте молекулярные и полные ионные уравнения следующих реакций:
  1. NaOH + HNO3 =
  2. H2SO4 + MgO =
  3. Ca(NO3)2 + Na3PO4 =
  4. CoBr2 + Ca(OH)2 =

Упражнение 5. Напишите полные ионные уравнения, описывающие взаимодействие: а) оксида азота (V) с водным раствором гидроксида бария, б) раствора гидроксида цезия с иодоводородной кислотой, в) водных растворов сульфата меди и сульфида калия, г) гидроксида кальция и водного раствора нитрата железа (III).

В следующей части статьи мы научимся составлять краткие ионные уравнения и разберем большое количество примеров. Кроме того, мы обсудим специфические особенности задания 31, которое вам предстоит решать на ЕГЭ по химии.

Источник: http://www.repetitor2000.ru/ionnye_uravnenija_01.html

Ссылка на основную публикацию