أنواع التفاعلات وإرشادات الذائبية والمعادلات الأيونية الصافية

ثلاث قوى دافعة وراء التفاعلات المائية

عند خلط محلولين، لا يحدث تفاعل إلا إذا أزال شيء ما أيونات من المحلول أو نقل إلكترونات. اطرح ثلاثة أسئلة. هل يكوّن كاتيون من أحد المحلولين وأنيون من الآخر مركبًا قليل الذوبان؟ هل ينقل حمض بروتونًا إلى قاعدة فيتكوّن الماء أو إلكتروليت ضعيف آخر؟ هل يتغير عدد التأكسد لأي ذرات، بحيث تنتقل الإلكترونات من نوع إلى آخر؟

الإجابة بنعم عن السؤال الأول تعني تفاعل ترسيب، وعن الثاني تفاعل حمض–قاعدة، وعن الثالث تفاعل أكسدة واختزال. أما التفاعلات المكوِّنة للغازات مثل HCO₃⁻(aq) + H⁺(aq) → H₂O(l) + CO₂(g) فتُصنَّف عادةً ضمن الحمض–القاعدة لأن الخطوة الأولى انتقال بروتون. والاحتراق وإزاحة فلز لفلز آخر تفاعلات أكسدة واختزال.

العائلات ليست متنافية. فعندما يعادل هيدروكسيد الباريوم المائي حمض الكبريتيك، Ba(OH)₂(aq) + H₂SO₄(aq) → BaSO₄(s) + 2H₂O(l)، يتكوّن الماء ويترسب كبريتات غير ذائبة في التفاعل نفسه.

تحديد الأنواع التي تُكتب أيونات

تعتمد المعادلة الأيونية الصافية على معرفة المواد التي توجد في الماء على هيئة أيونات منفصلة. الإلكتروليتات القوية تتفكك تقريبًا تمامًا: المركبات الأيونية الذائبة، والأحماض القوية، والقواعد القوية. اكتب هذه أيونات حين تُوسَم بـ (aq). وكل ما عداها يحتفظ بصيغته: المواد الصلبة والسوائل والغازات والأحماض الضعيفة والقواعد الضعيفة والمذابات الجزيئية مثل الغلوكوز.

الأحماض القوية الشائعة هي HCl وHBr وHI وHNO₃ وHClO₄ وH₂SO₄ (لبروتونه الأول). عامل تقريبًا كل حمض آخر تصادفه في الكيمياء العامة، بما في ذلك HF وحمض الأسيتيك (CH₃COOH) وحمض الكربونيك، على أنه ضعيف، واحتفظ به جزيئًا. والقواعد القوية هي هيدروكسيدات المجموعة 1 وهيدروكسيدات المجموعة 2 الأثقل. الأمونيا قاعدة ضعيفة وتبقى NH₃(aq).

تبقى الأيونات متعددة الذرات سليمة عند تفكك المركب. فكرومات البوتاسيوم المائية تعطي 2K⁺(aq) وCrO₄²⁻(aq)، لا أيونات منفصلة من البوتاسيوم والكروم والأكسجين.

تطبيق إرشادات الذائبية

تلخّص إرشادات الذائبية أنماطًا مرصودة للمركبات الأيونية في الماء قرب درجة حرارة الغرفة. فالذائب يعني أن كمية مفيدة تذوب؛ وغير الذائب يعني أن الذائبية منخفضة بما يكفي لتكوّن مادة صلبة حين تلتقي الأيونات عند تراكيز المختبر المعتادة. لا يوجد مركب أيوني ذائبيته صفر تمامًا. وتستند القائمة أدناه إلى الجدول 4.1 في OpenStax Chemistry 2e، القسم 4.2.

للتنبؤ براسب، اذكر كل الأيونات الموجودة بعد الخلط، ثم اقرن كل كاتيون بكل أنيون لم يبدأ معه. فإذا وقع أي اقتران جديد في فئة غير ذائبة، فإن ذلك المركب يترسب. وإذا كان كل اقتران ممكن ذائبًا، كما عند خلط محلولي نترات البوتاسيوم وكلوريد الصوديوم، فإن الأيونات تتعايش ببساطة ولا يحدث تفاعل صافٍ.

• مركبات كاتيونات المجموعة 1 (Li⁺ وNa⁺ وK⁺ وRb⁺ وCs⁺) ومركبات NH₄⁺ ذائبة.
• النترات والأسيتات والكربونات الهيدروجينية والكلورات ذائبة.
• الكلوريدات والبروميدات واليوديدات ذائبة باستثناء مركبات Ag⁺ وHg₂²⁺ وPb²⁺.
• الفلوريدات ذائبة باستثناء مركبات Mg²⁺ وCa²⁺ وSr²⁺ وBa²⁺ وPb²⁺ وFe³⁺.
• الكبريتات ذائبة باستثناء مركبات Ag⁺ وBa²⁺ وCa²⁺ وHg₂²⁺ وPb²⁺ وSr²⁺.
• الكربونات والكرومات والفوسفات والكبريتيدات غير ذائبة إلا مع كاتيونات المجموعة 1 وNH₄⁺.
• الهيدروكسيدات غير ذائبة إلا مع كاتيونات المجموعة 1 وBa²⁺؛ ويذوب Ca(OH)₂ وSr(OH)₂ قليلًا.

بناء المعادلة الأيونية الصافية خطوة بخطوة

لكل خطوة سبب. فموازنة المعادلة الجزيئية أولًا تضمن أعداد الذرات. وتفكيك الإلكتروليتات القوية يُظهر ما هو موجود فعلًا في الكأس. وحذف الأيونات المتفرجة يزيل الأنواع التي تظهر دون تغيير على الجانبين ولا تشارك في التغير.

يكشف فحص الشحنة أخطاءً يفوّتها عدّ الذرات. قد تحمل المعادلة الأيونية الصافية شحنة كلية غير صفرية، لكن يجب أن تكون الشحنة نفسها على الجانبين، لأن الشحنة محفوظة كما أن الذرات محفوظة.

• اكتب المعادلة الجزيئية الموزونة مع رمز الحالة على كل صيغة.
• أعد كتابة كل إلكتروليت قوي (aq) على هيئة أيونات منفصلة، مضروبًا في الرمز السفلي وفي المعامل معًا.
• اشطب الأيونات التي تظهر دون تغيير على الجانبين. هذه هي الأيونات المتفرجة.
• اختزل المعاملات المتبقية إلى أصغر أعداد صحيحة.
• تحقق من موازنة كل عنصر والشحنة الكلية.

مثال محلول: ترسيب كرومات الفضة

تخلط 18.0 mL من كرومات البوتاسيوم تركيزها 0.0850 mol/L مع نترات الفضة المائية الزائدة. الاقترانات الجديدة هي Ag⁺ مع CrO₄²⁻ وK⁺ مع NO₃⁻. الفضة ليست كاتيون المجموعة 1، لذا تترسب كرومات الفضة ذات اللون البني المحمر؛ وتبقى نترات البوتاسيوم ذائبة. المعادلة الجزيئية: 2AgNO₃(aq) + K₂CrO₄(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2KNO₃(aq). المعادلة الأيونية الكاملة: 2Ag⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq) + 2K⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2K⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq). وحذف K⁺ وNO₃⁻ يعطي المعادلة الأيونية الصافية 2Ag⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s). فحص الشحنة: 2(+1) + (−2) = 0 على اليسار، و0 على اليمين.

لإيجاد كتلة الراسب، استخدم الأوزان الذرية القياسية للاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) مقرّبة إلى منزلتين عشريتين: Ag 107.87 وCr 52.00 وO 16.00. الكتلة المولية لـ Ag₂CrO₄ هي 2(107.87) + 52.00 + 4(16.00) = 331.74 g/mol. مولات الكرومات = 0.0180 L × 0.0850 mol/L = 1.53 × 10⁻³ mol، وتعطي المعادلة الأيونية الصافية 1 mol من Ag₂CrO₄ لكل 1 mol من CrO₄²⁻. الكتلة = 1.53 × 10⁻³ mol × 331.74 g/mol = 0.508 g. وفي كلتا الكميتين المقيستين ثلاثة أرقام معنوية، وكذلك الإجابة.

أمثلة محلولة: حمض ضعيف وفلز في محلول

يتفاعل حمض الأسيتيك المائي مع هيدروكسيد الصوديوم المائي: CH₃COOH(aq) + NaOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l). حمض الأسيتيك ضعيف، لذا يبقى جزيئيًا، بينما NaOH وأسيتات الصوديوم إلكتروليتان قويان. وبعد حذف Na⁺، تكون المعادلة الأيونية الصافية CH₃COOH(aq) + OH⁻(aq) → CH₃COO⁻(aq) + H₂O(l). قارن ذلك بحمض النيتريك مع هيدروكسيد البوتاسيوم، حيث يكون كلا المتفاعلين قويًا وتتقلص المعادلة الأيونية الصافية إلى H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l).

شريط من النيكل موضوع في محلول نترات الفضة يتغطى ببلورات فضة. ينتقل النيكل من 0 إلى +2 والفضة من +1 إلى 0، فهذا تفاعل أكسدة واختزال؛ والنترات أيون متفرج. المعادلة الأيونية الصافية هي Ni(s) + 2Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + 2Ag(s). المعامل 2 تتطلبه الشحنة لا الذرات: فالمعادلة Ni(s) + Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + Ag(s) توازن كل عنصر لكن شحنتها الكلية +1 على اليسار و+2 على اليمين.

الأخطاء الشائعة في المعادلات الأيونية وكيف تكتشفها

معظم الأخطاء تأتي من كتابة نوع خاطئ لا من الحساب. قبل حذف أي شيء، اسأل هل توجد كل صيغة فعلًا على هيئة أيونات منفصلة في الماء.

وكفحص أخير، اقرأ المعادلة الأيونية الصافية على أنها حدث فيزيائي. أيونا فضة وأيون كرومات يكوّنون مادة صلبة أمر يمكنك مشاهدته؛ أما معادلة تكتفي بتبديل الأيونات الذائبة بين الشريكين فلا تصف شيئًا.

• تفكيك حمض ضعيف: يبقى HF(aq) جزيئيًا. قارن أي حمض بالأحماض القوية الستة.
• تفكيك راسب: الصيغة الموسومة بـ (s) تبقى كاملة وإن كانت المادة الصلبة أيونية.
• تفكيك أيون متعدد الذرات: أبقِ NO₃⁻ وSO₄²⁻ وCrO₄²⁻ سليمة.
• وضع الرموز السفلية في غير موضعها: K₂CrO₄ تعطي 2K⁺؛ ولا يوجد أيون K₂⁺.
• اعتبار الزئبق(I) على أنه Hg⁺: فهو يوجد على هيئة الكاتيون ثنائي الذرة Hg₂²⁺.
• ترك المعاملات غير مختزلة، مثل 4Ag⁺ + 2CrO₄²⁻ → 2Ag₂CrO₄.
• كتابة معادلة أيونية صافية حين يكون كل اقتران ذائبًا ولا يتكوّن ماء ولا إلكتروليت ضعيف ولا غاز، ولا يتأكسد شيء ولا يُختزل. الإجابة الصحيحة هي أنه لا يحدث تفاعل.