Tipovi reakcija, smjernice o rastvorljivosti i neto ionske jednačine

Tri pokretačke sile vodenih reakcija

Kada se dva rastvora pomiješaju, reakcija se odvija samo ako nešto ukloni ione iz rastvora ili premjesti elektrone. Postavite tri pitanja. Čine li kation iz jednog rastvora i anion iz drugog spoj niske rastvorljivosti? Prenosi li kiselina proton na bazu, stvarajući vodu ili neki drugi slab elektrolit? Mijenja li neki atom oksidacijski broj, tako da elektroni prelaze s jedne vrste na drugu?

Potvrdan odgovor na prvo pitanje znači reakciju taloženja, na drugo kiselinsko-baznu reakciju, a na treće redoks reakciju. Reakcije u kojima nastaje gas, poput HCO₃⁻(aq) + H⁺(aq) → H₂O(l) + CO₂(g), obično se svrstavaju u kiselinsko-bazne jer je prvi korak prijenos protona. Sagorijevanje i istiskivanje jednog metala drugim su redoks reakcije.

Porodice se ne isključuju međusobno. Kada vodeni barij-hidroksid neutralizira sumpornu kiselinu, Ba(OH)₂(aq) + H₂SO₄(aq) → BaSO₄(s) + 2H₂O(l), u istoj reakciji nastaje voda i taloži se nerastvorljivi sulfat.

Odlučivanje koje vrste pisati kao ione

Neto ionska jednačina zavisi od poznavanja toga koje tvari u vodi postoje kao razdvojeni ioni. Jaki elektroliti disociraju u suštini potpuno: rastvorljivi ionski spojevi, jake kiseline i jake baze. Pišite ih kao ione kada su označeni sa (aq). Sve ostalo zadržava svoju formulu: čvrste tvari, tečnosti, gasovi, slabe kiseline, slabe baze i molekulske rastvorene tvari poput glukoze.

Uobičajene jake kiseline su HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ i H₂SO₄ (za njen prvi proton). Gotovo svaku drugu kiselinu na koju naiđete u općoj hemiji, uključujući HF, octenu kiselinu (CH₃COOH) i ugljičnu kiselinu, tretirajte kao slabu i zadržite je kao molekulu. Jake baze su hidroksidi 1. grupe i teži hidroksidi 2. grupe. Amonijak je slaba baza i ostaje kao NH₃(aq).

Poliatomski ioni ostaju netaknuti kada spoj disocira. Vodeni kalij-hromat daje 2K⁺(aq) i CrO₄²⁻(aq), a ne zasebne ione kalija, hroma i kisika.

Primjena smjernica o rastvorljivosti

Smjernice o rastvorljivosti sažimaju uočene obrasce za ionske spojeve u vodi blizu sobne temperature. Rastvorljivo znači da se korisna količina otapa; nerastvorljivo znači da je rastvorljivost dovoljno niska da se čvrsta tvar stvara kad se ioni susretnu pri uobičajenim laboratorijskim koncentracijama. Nijedan ionski spoj nema rastvorljivost tačno nula. Popis u nastavku zasnovan je na Tabeli 4.1 u OpenStax Chemistry 2e, odjeljak 4.2.

Da biste predvidjeli talog, navedite sve ione prisutne nakon miješanja, a zatim uparite svaki kation sa svakim anionom s kojim nije počeo. Ako bilo koje novo uparivanje spada u nerastvorljivu kategoriju, taj spoj se taloži. Ako je svako moguće uparivanje rastvorljivo, kao pri miješanju rastvora kalij-nitrata i natrij-hlorida, ioni jednostavno koegzistiraju i nema neto reakcije.

• Spojevi kationa 1. grupe (Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺) i NH₄⁺ su rastvorljivi.
• Nitrati, acetati, hidrogenkarbonati i hlorati su rastvorljivi.
• Hloridi, bromidi i jodidi su rastvorljivi osim onih Ag⁺, Hg₂²⁺ i Pb²⁺.
• Fluoridi su rastvorljivi osim onih Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Pb²⁺ i Fe³⁺.
• Sulfati su rastvorljivi osim onih Ag⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, Hg₂²⁺, Pb²⁺ i Sr²⁺.
• Karbonati, hromati, fosfati i sulfidi su nerastvorljivi osim s kationima 1. grupe i NH₄⁺.
• Hidroksidi su nerastvorljivi osim s kationima 1. grupe i Ba²⁺; Ca(OH)₂ i Sr(OH)₂ su slabo rastvorljivi.

Pisanje neto ionske jednačine korak po korak

Svaki korak ima razlog. Prvo izjednačavanje molekulske jednačine jamči broj atoma. Razdvajanje jakih elektrolita pokazuje šta je zaista prisutno u čaši. Kraćenje iona posmatrača uklanja vrste koje se nepromijenjene pojavljuju na obje strane i ne učestvuju u promjeni.

Provjera naboja hvata greške koje brojanje atoma propušta. Neto ionska jednačina može nositi ukupni naboj različit od nule, ali taj naboj mora biti isti na obje strane, jer se naboj održava kao i atomi.

• Napišite izjednačenu molekulsku jednačinu s oznakom stanja uz svaku formulu.
• Prepišite svaki jaki elektrolit (aq) kao zasebne ione, množeći i indeksom i koeficijentom.
• Precrtajte ione koji se nepromijenjeni pojavljuju na obje strane. To su ioni posmatrači.
• Svedite preostale koeficijente na najmanje cijele brojeve.
• Provjerite jesu li svaki element i ukupni naboj izjednačeni.

Riješeni primjer: taloženje srebro-hromata

Miješate 18.0 mL kalij-hromata od 0.0850 mol/L s viškom vodenog srebro-nitrata. Nova uparivanja su Ag⁺ s CrO₄²⁻ i K⁺ s NO₃⁻. Srebro nije kation 1. grupe, pa se taloži crvenosmeđi srebro-hromat; kalij-nitrat ostaje otopljen. Molekulska jednačina: 2AgNO₃(aq) + K₂CrO₄(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2KNO₃(aq). Potpuna ionska jednačina: 2Ag⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq) + 2K⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2K⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq). Kraćenjem K⁺ i NO₃⁻ dobija se neto ionska jednačina 2Ag⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s). Provjera naboja: 2(+1) + (−2) = 0 na lijevoj strani i 0 na desnoj.

Da biste našli masu taloga, koristite IUPAC standardne atomske mase zaokružene na dva decimalna mjesta: Ag 107.87, Cr 52.00, O 16.00. Molarna masa Ag₂CrO₄ je 2(107.87) + 52.00 + 4(16.00) = 331.74 g/mol. Molovi hromata = 0.0180 L × 0.0850 mol/L = 1.53 × 10⁻³ mol, a neto ionska jednačina daje 1 mol Ag₂CrO₄ na 1 mol CrO₄²⁻. Masa = 1.53 × 10⁻³ mol × 331.74 g/mol = 0.508 g. Obje izmjerene veličine imaju tri značajne cifre, pa ih ima i odgovor.

Riješeni primjeri: slaba kiselina i metal u rastvoru

Vodena octena kiselina reagira s vodenim natrij-hidroksidom: CH₃COOH(aq) + NaOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l). Octena kiselina je slaba, pa ostaje molekulska, dok su NaOH i natrij-acetat jaki elektroliti. Nakon kraćenja Na⁺, neto ionska jednačina je CH₃COOH(aq) + OH⁻(aq) → CH₃COO⁻(aq) + H₂O(l). Uporedite dušičnu kiselinu s kalij-hidroksidom, gdje su oba reaktanta jaka i neto ionska jednačina se svodi na H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l).

Traka nikla stavljena u rastvor srebro-nitrata prekrije se kristalima srebra. Nikl prelazi sa 0 na +2, a srebro sa +1 na 0, pa je ovo redoks; nitrat je ion posmatrač. Neto ionska jednačina je Ni(s) + 2Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + 2Ag(s). Koeficijent 2 zahtijeva naboj, a ne atomi: Ni(s) + Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + Ag(s) izjednačava svaki element, ali ima ukupan naboj +1 na lijevoj i +2 na desnoj strani.

Česte greške u ionskim jednačinama i kako ih uhvatiti

Većina grešaka potiče od pisanja pogrešne vrste, a ne od računanja. Prije nego išta skratite, upitajte se postoji li svaka formula zaista kao zasebni ioni u vodi.

Kao posljednju provjeru, pročitajte neto ionsku jednačinu kao fizički događaj. Dva srebrna iona i jedan hromatni ion koji tvore čvrstu tvar nešto je što biste mogli gledati; jednačina koja samo zamjenjuje otopljene ione među partnerima ne opisuje ništa.

• Razdvajanje slabe kiseline: HF(aq) ostaje molekulski. Uporedite svaku kiselinu sa šest jakih kiselina.
• Razdvajanje taloga: formula označena sa (s) ostaje cijela iako je čvrsta tvar ionska.
• Razbijanje poliatomskog iona: zadržite NO₃⁻, SO₄²⁻ i CrO₄²⁻ netaknute.
• Pogrešno postavljanje indeksa: K₂CrO₄ daje 2K⁺; ne postoji ion K₂⁺.
• Tretiranje žive(I) kao Hg⁺: postoji kao dvoatomni kation Hg₂²⁺.
• Ostavljanje neskraćenih koeficijenata, poput 4Ag⁺ + 2CrO₄²⁻ → 2Ag₂CrO₄.
• Pisanje neto ionske jednačine kada je svako uparivanje rastvorljivo i ne nastaje ni voda, ni slab elektrolit, ni gas, a ništa se ne oksidira niti reducira. Tačan odgovor je da nema reakcije.