أنواع التفاعلات وإرشادات الذوبانية والمعادلات الأيونية الصافية

تلات قوى دافعة ورا التفاعلات المائية

لما تخلط محلولين، التفاعل بيحصل بس لو حاجة بتشيل أيونات من المحلول أو بتنقل إلكترونات. اسأل تلات أسئلة. هل كاتيون من محلول وأنيون من التاني بيكوّنوا مركّب ذوبانيته قليلة؟ هل حمض بينقل بروتون لقاعدة، وبيكوّن ماء أو إلكتروليت ضعيف تاني؟ هل أي ذرات بتغيّر عدد تأكسدها، فتنتقل إلكترونات من نوع لنوع؟

لو الإجابة آه على السؤال الأول فده تفاعل ترسيب، وآه على التاني فتفاعل حمض–قاعدة، وآه على التالت فتفاعل أكسدة واختزال. التفاعلات اللي بتكوّن غاز، زي HCO₃⁻(aq) + H⁺(aq) → H₂O(l) + CO₂(g)، بتتصنف عادةً حمض–قاعدة لأن أول خطوة فيها انتقال بروتون. والاحتراق وإزاحة فلز لفلز تاني تفاعلات أكسدة واختزال.

العائلات دي مش حصرية. لما هيدروكسيد الباريوم المائي يتعادل مع حمض الكبريتيك، Ba(OH)₂(aq) + H₂SO₄(aq) → BaSO₄(s) + 2H₂O(l)، بيتكوّن ماء وكبريتات مش ذايبة بتترسّب في نفس التفاعل.

تحديد الأنواع اللي تتكتب كأيونات

المعادلة الأيونية الصافية بتعتمد على معرفة المواد اللي بتوجد كأيونات منفصلة في الماء. الإلكتروليتات القوية بتتفكك بالكامل تقريبًا: المركبات الأيونية الذايبة، والأحماض القوية، والقواعد القوية. اكتبها كأيونات لما تتعلّم (aq). وكل حاجة تانية بتحتفظ بصيغتها: الجوامد والسوائل والغازات والأحماض الضعيفة والقواعد الضعيفة والمذابات الجزيئية زي الجلوكوز.

الأحماض القوية الشائعة هي HCl وHBr وHI وHNO₃ وHClO₄ وH₂SO₄ (بالنسبة لبروتونه الأول). اعتبر أي حمض تاني هتقابله في الكيمياء العامة تقريبًا، بما فيه HF وحمض الأسيتيك (CH₃COOH) وحمض الكربونيك، ضعيف، واحتفظ بيه كجزيء. القواعد القوية هي هيدروكسيدات المجموعة 1 وهيدروكسيدات المجموعة 2 الأتقل. الأمونيا قاعدة ضعيفة وبتفضل NH₃(aq).

الأيونات عديدة الذرات بتفضل سليمة لما المركّب يتفكك. كرومات البوتاسيوم المائية بتدّي 2K⁺(aq) وCrO₄²⁻(aq)، مش أيونات منفصلة من البوتاسيوم والكروم والأكسجين.

تطبيق إرشادات الذوبانية

إرشادات الذوبانية بتلخّص أنماط مرصودة للمركبات الأيونية في الماء عند درجة حرارة الغرفة تقريبًا. «ذايب» معناها إن كمية مفيدة بتدوب؛ و«غير ذايب» معناها إن الذوبانية قليلة لدرجة إن جامد بيتكوّن لما الأيونات تتقابل في تركيزات المعمل المعتادة. مفيش مركّب أيوني ذوبانيته صفر بالظبط. القايمة اللي تحت مبنية على الجدول 4.1 في OpenStax Chemistry 2e، القسم 4.2.

عشان تتوقع راسب، اكتب كل الأيونات الموجودة بعد الخلط، وبعدين زاوج كل كاتيون بكل أنيون ماكانش معاه في الأول. لو أي زوج جديد وقع في فئة غير ذايبة، المركّب ده بيترسّب. ولو كل الأزواج الممكنة ذايبة، زي لما تخلط محلولي نترات البوتاسيوم وكلوريد الصوديوم، الأيونات بتتعايش ببساطة ومفيش تفاعل صافي.

• مركبات كاتيونات المجموعة 1 (Li⁺ وNa⁺ وK⁺ وRb⁺ وCs⁺) ومركبات NH₄⁺ ذايبة.
• النترات والأسيتات والبيكربونات والكلورات ذايبة.
• الكلوريدات والبروميدات واليوديدات ذايبة ماعدا مركبات Ag⁺ وHg₂²⁺ وPb²⁺.
• الفلوريدات ذايبة ماعدا مركبات Mg²⁺ وCa²⁺ وSr²⁺ وBa²⁺ وPb²⁺ وFe³⁺.
• الكبريتات ذايبة ماعدا مركبات Ag⁺ وBa²⁺ وCa²⁺ وHg₂²⁺ وPb²⁺ وSr²⁺.
• الكربونات والكرومات والفوسفات والكبريتيدات غير ذايبة ماعدا مع كاتيونات المجموعة 1 وNH₄⁺.
• الهيدروكسيدات غير ذايبة ماعدا مع كاتيونات المجموعة 1 وBa²⁺؛ وCa(OH)₂ وSr(OH)₂ ذوبانيتهم قليلة.

بناء المعادلة الأيونية الصافية خطوة بخطوة

لكل خطوة سبب. موازنة المعادلة الجزيئية الأول بتضمن عدد الذرات. تفكيك الإلكتروليتات القوية بيبيّن اللي موجود فعلًا في الكأس. وشطب الأيونات المتفرجة بيشيل الأنواع اللي بتظهر من غير تغيير في الطرفين ومالهاش دور في التغيّر.

فحص الشحنة بيكشف أخطاء عدّ الذرات بتفوتها. المعادلة الأيونية الصافية ممكن يبقى إجمالي شحنتها مش صفر، لكن الشحنة دي لازم تبقى نفسها في الطرفين، لأن الشحنة محفوظة زي الذرات بالظبط.

• اكتب المعادلة الجزيئية الموزونة بعلامة حالة على كل صيغة.
• أعد كتابة كل إلكتروليت قوي (aq) كأيونات منفصلة، مع الضرب في الرقم السفلي والمعامل.
• اشطب الأيونات اللي بتظهر من غير تغيير في الطرفين. دي الأيونات المتفرجة.
• اختصر المعاملات الباقية لأصغر أعداد صحيحة.
• اتأكد إن كل عنصر وإجمالي الشحنة متوازنين.

مثال محلول: ترسيب كرومات الفضة

بتخلط 18.0 mL من كرومات البوتاسيوم تركيزها 0.0850 mol/L مع نترات الفضة المائية الزايدة. الأزواج الجديدة هي Ag⁺ مع CrO₄²⁻ وK⁺ مع NO₃⁻. الفضة مش كاتيون من المجموعة 1، فكرومات الفضة الحمرا المايلة للبني بتترسّب؛ ونترات البوتاسيوم بتفضل ذايبة. 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). شطب K⁺ وNO₃⁻ بيدّي المعادلة الأيونية الصافية 2Ag⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s). فحص الشحنة: 2(+1) + (−2) = 0 على الشمال، و0 على اليمين.

عشان تلاقي كتلة الراسب، استخدم الأوزان الذرية القياسية من IUPAC مقرّبة لمنزلتين عشريتين: Ag 107.87 وCr 52.00 وO 16.00. الكتلة المولية لـ Ag₂CrO₄ = 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، والمعادلة الأيونية الصافية بتدّي 1 mol Ag₂CrO₄ لكل 1 mol CrO₄²⁻. الكتلة = 1.53 × 10⁻³ mol × 331.74 g/mol = 0.508 g. الكميتين المقاستين فيهم تلات أرقام معنوية، فالإجابة كمان.

أمثلة محلولة: حمض ضعيف وفلز في محلول

حمض الأسيتيك المائي بيتفاعل مع هيدروكسيد الصوديوم المائي: CH₃COOH(aq) + NaOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l). حمض الأسيتيك ضعيف، فبيفضل جزيئي، أما NaOH وأسيتات الصوديوم فإلكتروليتات قوية. بعد شطب Na⁺، المعادلة الأيونية الصافية هي CH₃COOH(aq) + OH⁻(aq) → CH₃COO⁻(aq) + H₂O(l). قارن ده بحمض النيتريك مع هيدروكسيد البوتاسيوم، اللي المتفاعلين فيه قوّيين والمعادلة الأيونية الصافية بتتقلّص لـ H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l).

شريط نيكل موضوع في محلول نترات الفضة بيتغطى ببلورات فضة. النيكل بيتغير من 0 لـ +2 والفضة من +1 لـ 0، فده أكسدة واختزال؛ والنترات متفرجة. المعادلة الأيونية الصافية هي Ni(s) + 2Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + 2Ag(s). المعامل 2 مطلوب بسبب الشحنة، مش الذرات: Ni(s) + Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + Ag(s) بتوازن كل العناصر لكن إجمالي شحنتها +1 على الشمال و+2 على اليمين.

أخطاء شائعة في المعادلات الأيونية وإزاي تكتشفها

أغلب الأخطاء بتيجي من كتابة النوع الغلط، مش من الحساب. قبل ما تشطب أي حاجة، اسأل هل كل صيغة بتوجد فعلًا كأيونات منفصلة في الماء.

كفحص أخير، اقرا المعادلة الأيونية الصافية على إنها حدث فيزيائي. أيونين فضة وأيون كرومات بيكوّنوا جامد ده حاجة تقدر تتفرج عليها؛ لكن معادلة بتبدّل بس أيونات ذايبة بين شركاء مبتوصفش أي حاجة.

• تفكيك حمض ضعيف: HF(aq) بيفضل جزيئي. قارن أي حمض بالأحماض القوية الستة.
• تفكيك راسب: صيغة معلّمة (s) بتفضل كاملة مع إن الجامد أيوني.
• تفكيك أيون عديد الذرات: خلّي NO₃⁻ وSO₄²⁻ وCrO₄²⁻ سليمين.
• وضع الأرقام السفلية في مكان غلط: K₂CrO₄ بتدّي 2K⁺؛ مفيش أيون K₂⁺.
• معاملة الزئبق(I) على إنه Hg⁺: هو موجود كالكاتيون ثنائي الذرة Hg₂²⁺.
• ترك المعاملات من غير اختصار، زي 4Ag⁺ + 2CrO₄²⁻ → 2Ag₂CrO₄.
• كتابة معادلة أيونية صافية لما كل الأزواج ذايبة ومفيش ماء أو إلكتروليت ضعيف أو غاز بيتكوّن، ومفيش حاجة بتتأكسد أو بتتختزل. الإجابة الصح هي إنه مفيش تفاعل.