Видове реакции, правила за разтворимост и съкратени йонни уравнения

Три движещи сили зад водните реакции

Когато се смесят два разтвора, реакция протича само ако нещо отстранява йони от разтвора или премества електрони. Задайте три въпроса. Образуват ли катион от единия разтвор и анион от другия съединение с ниска разтворимост? Предава ли киселина протон на основа, като образува вода или друг слаб електролит? Променя ли някой атом степента си на окисление, така че електрони да преминават от една частица към друга?

Отговор „да“ на първия въпрос означава утаителна реакция, на втория – киселинно-основна, а на третия – редокс реакция. Реакциите с образуване на газ, като HCO₃⁻(aq) + H⁺(aq) → H₂O(l) + CO₂(g), обикновено се причисляват към киселинно-основните, защото първата стъпка е пренос на протон. Горенето и изместването на един метал от друг са редокс реакции.

Семействата не се изключват взаимно. Когато воден разтвор на бариев хидроксид неутрализира сярна киселина, Ba(OH)₂(aq) + H₂SO₄(aq) → BaSO₄(s) + 2H₂O(l), се образува вода и в същата реакция се утаява неразтворим сулфат.

Решаване кои частици да се записват като йони

Съкратеното йонно уравнение зависи от знанието кои вещества съществуват като разделени йони във вода. Силните електролити се дисоциират почти напълно: разтворимите йонни съединения, силните киселини и силните основи. Записвайте ги като йони, когато са означени с (aq). Всичко останало запазва формулата си: твърди вещества, течности, газове, слаби киселини, слаби основи и молекулни разтворени вещества като глюкозата.

Обичайните силни киселини са HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ и H₂SO₄ (за първия ѝ протон). Третирайте почти всяка друга киселина, която срещате в общата химия, включително HF, оцетната киселина (CH₃COOH) и въглеродната киселина, като слаба и я запазвайте като молекула. Силните основи са хидроксидите от група 1 и по-тежките хидроксиди от група 2. Амонякът е слаба основа и остава като NH₃(aq).

Многоатомните йони остават цели, когато съединението се дисоциира. Воден калиев хроматен разтвор дава 2K⁺(aq) и CrO₄²⁻(aq), а не отделни калиеви, хромни и кислородни йони.

Прилагане на правилата за разтворимост

Правилата за разтворимост обобщават наблюдавани закономерности за йонните съединения във вода близо до стайна температура. Разтворимо означава, че се разтваря полезно количество; неразтворимо означава, че разтворимостта е достатъчно ниска, за да се образува твърдо вещество, когато йоните се срещнат при обичайни лабораторни концентрации. Никое йонно съединение няма разтворимост точно нула. Списъкът по-долу се основава на Таблица 4.1 в OpenStax Chemistry 2e, раздел 4.2.

За да предвидите утайка, избройте всички йони след смесването, после сдвоете всеки катион с всеки анион, с който не е започнал. Ако някоя нова двойка попада в неразтворима категория, това съединение се утаява. Ако всяка възможна двойка е разтворима, както при смесване на разтвори на калиев нитрат и натриев хлорид, йоните просто съжителстват и няма нетна реакция.

• Съединенията на катионите от група 1 (Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺) и на NH₄⁺ са разтворими.
• Нитратите, ацетатите, хидрогенкарбонатите и хлоратите са разтворими.
• Хлоридите, бромидите и йодидите са разтворими, освен тези на Ag⁺, Hg₂²⁺ и Pb²⁺.
• Флуоридите са разтворими, освен тези на Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Pb²⁺ и Fe³⁺.
• Сулфатите са разтворими, освен тези на Ag⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, Hg₂²⁺, Pb²⁺ и Sr²⁺.
• Карбонатите, хроматите, фосфатите и сулфидите са неразтворими, освен с катиони от група 1 и NH₄⁺.
• Хидроксидите са неразтворими, освен с катиони от група 1 и Ba²⁺; Ca(OH)₂ и Sr(OH)₂ са слабо разтворими.

Съставяне на съкратеното йонно уравнение стъпка по стъпка

Всяка стъпка има причина. Първоначалното уравняване на молекулното уравнение гарантира броя на атомите. Разделянето на силните електролити показва какво наистина има в чашата. Съкращаването на йоните наблюдатели премахва частиците, които се появяват непроменени от двете страни и не участват в промяната.

Проверката на заряда улавя грешки, които броенето на атомите пропуска. Съкратеното йонно уравнение може да има ненулев общ заряд, но този заряд трябва да е един и същ от двете страни, защото зарядът се запазва, както и атомите.

• Запишете уравненото молекулно уравнение със символ за агрегатно състояние до всяка формула.
• Препишете всеки силен електролит с (aq) като отделни йони, като умножите както по индекса, така и по коефициента.
• Зачеркнете йоните, които се появяват непроменени от двете страни. Това са йоните наблюдатели.
• Сведете останалите коефициенти до най-малките цели числа.
• Проверете дали всеки елемент и общият заряд са уравнени.

Решен пример: утаяване на сребърен хромат

Смесвате 18.0 mL калиев хромат с концентрация 0.0850 mol/L с излишък от воден разтвор на сребърен нитрат. Новите двойки са Ag⁺ с CrO₄²⁻ и K⁺ с NO₃⁻. Среброто не е катион от група 1, така че червенокафявият сребърен хромат се утаява; калиевият нитрат остава разтворен. Молекулно уравнение: 2AgNO₃(aq) + K₂CrO₄(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2KNO₃(aq). Пълно йонно уравнение: 2Ag⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq) + 2K⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2K⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq). Съкращаването на K⁺ и NO₃⁻ дава съкратеното йонно уравнение 2Ag⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s). Проверка на заряда: 2(+1) + (−2) = 0 отляво и 0 отдясно.

За да намерите масата на утайката, използвайте стандартните атомни тегла на IUPAC, закръглени до два десетични знака: Ag 107.87, Cr 52.00, O 16.00. Моларната маса на Ag₂CrO₄ е 2(107.87) + 52.00 + 4(16.00) = 331.74 g/mol. Молове хромат = 0.0180 L × 0.0850 mol/L = 1.53 × 10⁻³ mol, а съкратеното йонно уравнение дава 1 mol Ag₂CrO₄ на 1 mol CrO₄²⁻. Маса = 1.53 × 10⁻³ mol × 331.74 g/mol = 0.508 g. И двете измерени величини имат по три значещи цифри, така че и отговорът има три.

Решени примери: слаба киселина и метал в разтвор

Воден разтвор на оцетна киселина реагира с воден разтвор на натриев хидроксид: CH₃COOH(aq) + NaOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l). Оцетната киселина е слаба, затова остава молекулна, докато NaOH и натриевият ацетат са силни електролити. След съкращаването на Na⁺ съкратеното йонно уравнение е CH₃COOH(aq) + OH⁻(aq) → CH₃COO⁻(aq) + H₂O(l). Сравнете с азотната киселина и калиевия хидроксид, където и двата реагента са силни и съкратеното йонно уравнение се свежда до H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l).

Лентичка никел, поставена в разтвор на сребърен нитрат, се покрива със сребърни кристали. Никелът преминава от 0 до +2, а среброто – от +1 до 0, така че това е редокс; нитратът е йон наблюдател. Съкратеното йонно уравнение е Ni(s) + 2Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + 2Ag(s). Коефициентът 2 се изисква от заряда, а не от атомите: Ni(s) + Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + Ag(s) уравнява всеки елемент, но има общ заряд +1 отляво и +2 отдясно.

Чести грешки в йонните уравнения и как да ги уловите

Повечето грешки идват от записването на грешни частици, а не от аритметиката. Преди да съкратите каквото и да било, запитайте се дали всяка формула наистина съществува като отделни йони във вода.

Като последна проверка прочетете съкратеното йонно уравнение като физическо събитие. Два сребърни йона и един хроматен йон, които образуват твърдо вещество, е нещо, което бихте могли да наблюдавате; уравнение, което само разменя разтворени йони между партньори, не описва нищо.

• Разделяне на слаба киселина: HF(aq) остава молекулна. Сравнявайте всяка киселина с шестте силни киселини.
• Разделяне на утайка: формула, означена с (s), остава цяла, макар че твърдото вещество е йонно.
• Разпадане на многоатомен йон: запазвайте NO₃⁻, SO₄²⁻ и CrO₄²⁻ цели.
• Неправилно поставени индекси: K₂CrO₄ дава 2K⁺; няма йон K₂⁺.
• Третиране на живак(I) като Hg⁺: той съществува като двуатомния катион Hg₂²⁺.
• Оставяне на несъкратени коефициенти, например 4Ag⁺ + 2CrO₄²⁻ → 2Ag₂CrO₄.
• Записване на съкратено йонно уравнение, когато всяка двойка е разтворима, не се образува вода, слаб електролит или газ и нищо не се окислява и не се редуцира. Верният отговор е, че няма реакция.