Tipus de reaccions, pautes de solubilitat i equacions iòniques netes

Tres forces impulsores de les reaccions en dissolució aquosa

Quan es barregen dues dissolucions, només es produeix una reacció si alguna cosa retira ions de la dissolució o mou electrons. Fes-te tres preguntes. Un catió d'una dissolució i un anió de l'altra formen un compost de baixa solubilitat? Un àcid transfereix un protó a una base i forma aigua o un altre electròlit feble? Algun àtom canvia de nombre d'oxidació, de manera que els electrons passen d'una espècie a una altra?

Un sí a la primera pregunta vol dir una reacció de precipitació, un sí a la segona una reacció àcid-base, i un sí a la tercera una reacció redox. Les reaccions que formen un gas, com HCO₃⁻(aq) + H⁺(aq) → H₂O(l) + CO₂(g), se solen classificar com a àcid-base perquè el primer pas és una transferència de protó. La combustió i el desplaçament d'un metall per un altre són reaccions redox.

Les famílies no són excloents. Quan l'hidròxid de bari aquós neutralitza l'àcid sulfúric, Ba(OH)₂(aq) + H₂SO₄(aq) → BaSO₄(s) + 2H₂O(l), es forma aigua i precipita un sulfat insoluble en la mateixa reacció.

Decidir quines espècies s'escriuen com a ions

Una equació iònica neta depèn de saber quines substàncies existeixen com a ions separats en aigua. Els electròlits forts es dissocien pràcticament del tot: els compostos iònics solubles, els àcids forts i les bases fortes. Escriu-los com a ions quan estiguin etiquetats (aq). Tota la resta conserva la seva fórmula: sòlids, líquids, gasos, àcids febles, bases febles i solutes moleculars com la glucosa.

Els àcids forts habituals són HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ i H₂SO₄ (pel seu primer protó). Tracta gairebé tots els altres àcids que trobis en la química general, incloent-hi l'HF, l'àcid acètic (CH₃COOH) i l'àcid carbònic, com a febles, i conserva'ls com a molècules. Les bases fortes són els hidròxids del grup 1 i els hidròxids més pesants del grup 2. L'amoníac és una base feble i es manté com a NH₃(aq).

Els ions poliatòmics es mantenen intactes quan un compost es dissocia. El cromat de potassi aquós dona 2K⁺(aq) i CrO₄²⁻(aq), no ions separats de potassi, crom i oxigen.

Aplicar les pautes de solubilitat

Les pautes de solubilitat resumeixen patrons observats dels compostos iònics en aigua a prop de la temperatura ambient. Soluble vol dir que se'n dissol una quantitat útil; insoluble vol dir que la solubilitat és prou baixa perquè es formi un sòlid quan els ions es troben a concentracions habituals de laboratori. Cap compost iònic té una solubilitat exactament igual a zero. La llista següent es basa en la taula 4.1 d'OpenStax Chemistry 2e, secció 4.2.

Per predir un precipitat, enumera tots els ions presents després de barrejar i aparella cada catió amb cada anió amb què no havia començat. Si algun dels nous aparellaments cau en una categoria insoluble, aquest compost precipita. Si tots els aparellaments possibles són solubles, com quan es barregen dissolucions de nitrat de potassi i clorur de sodi, els ions simplement coexisteixen i no hi ha reacció neta.

• Els compostos dels cations del grup 1 (Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺) i de l'NH₄⁺ són solubles.
• Els nitrats, acetats, hidrogencarbonats i clorats són solubles.
• Els clorurs, bromurs i iodurs són solubles, tret dels de l'Ag⁺, l'Hg₂²⁺ i el Pb²⁺.
• Els fluorurs són solubles, tret dels del Mg²⁺, el Ca²⁺, l'Sr²⁺, el Ba²⁺, el Pb²⁺ i el Fe³⁺.
• Els sulfats són solubles, tret dels de l'Ag⁺, el Ba²⁺, el Ca²⁺, l'Hg₂²⁺, el Pb²⁺ i l'Sr²⁺.
• Els carbonats, cromats, fosfats i sulfurs són insolubles, tret dels de cations del grup 1 i de l'NH₄⁺.
• Els hidròxids són insolubles, tret dels de cations del grup 1 i del Ba²⁺; el Ca(OH)₂ i l'Sr(OH)₂ són lleugerament solubles.

Construir l'equació iònica neta pas a pas

Cada pas té una raó de ser. Ajustar primer l'equació molecular garanteix els recomptes d'àtoms. Separar els electròlits forts mostra què hi ha realment al vas de precipitats. Eliminar els ions espectadors retira les espècies que apareixen inalterades a banda i banda i no participen en el canvi.

La comprovació de la càrrega detecta errors que un recompte d'àtoms deixa passar. Una equació iònica neta pot tenir una càrrega total diferent de zero, però aquesta càrrega ha de ser la mateixa a banda i banda, perquè la càrrega es conserva igual que els àtoms.

• Escriu l'equació molecular ajustada amb un símbol d'estat a cada fórmula.
• Reescriu cada electròlit fort (aq) com a ions separats, multiplicant pel subíndex i pel coeficient.
• Ratlla els ions que apareixen inalterats a banda i banda. Aquests són els ions espectadors.
• Redueix els coeficients restants als enters més petits.
• Comprova que cada element i la càrrega total quedin ajustats.

Exemple resolt: precipitar el cromat de plata

Barreges 18.0 mL de cromat de potassi de 0.0850 mol/L amb nitrat de plata aquós en excés. Els nous aparellaments són Ag⁺ amb CrO₄²⁻ i K⁺ amb NO₃⁻. La plata no és un catió del grup 1, de manera que precipita cromat de plata de color marró vermellós; el nitrat de potassi es manté dissolt. Equació molecular: 2AgNO₃(aq) + K₂CrO₄(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2KNO₃(aq). Equació iònica completa: 2Ag⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq) + 2K⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2K⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq). Eliminar el K⁺ i el NO₃⁻ dona l'equació iònica neta 2Ag⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s). Comprovació de càrrega: 2(+1) + (−2) = 0 a l'esquerra, i 0 a la dreta.

Per trobar la massa de precipitat, fes servir els pesos atòmics estàndard de la IUPAC arrodonits a dos decimals: Ag 107.87, Cr 52.00, O 16.00. La massa molar de l'Ag₂CrO₄ és 2(107.87) + 52.00 + 4(16.00) = 331.74 g/mol. Mols de cromat = 0.0180 L × 0.0850 mol/L = 1.53 × 10⁻³ mol, i l'equació iònica neta dona 1 mol d'Ag₂CrO₄ per cada 1 mol de CrO₄²⁻. Massa = 1.53 × 10⁻³ mol × 331.74 g/mol = 0.508 g. Les dues magnituds mesurades tenen tres xifres significatives, de manera que la resposta també.

Exemples resolts: un àcid feble i un metall en dissolució

L'àcid acètic aquós reacciona amb l'hidròxid de sodi aquós: CH₃COOH(aq) + NaOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l). L'àcid acètic és feble, de manera que es manté molecular, mentre que el NaOH i l'acetat de sodi són electròlits forts. Després d'eliminar el Na⁺, l'equació iònica neta és CH₃COOH(aq) + OH⁻(aq) → CH₃COO⁻(aq) + H₂O(l). Compara-ho amb l'àcid nítric i l'hidròxid de potassi, en què tots dos reactius són forts i l'equació iònica neta es redueix a H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l).

Una tira de níquel col·locada en una dissolució de nitrat de plata es cobreix de cristalls de plata. El níquel passa de 0 a +2 i la plata de +1 a 0, de manera que és una reacció redox; el nitrat és un espectador. L'equació iònica neta és Ni(s) + 2Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + 2Ag(s). El coeficient 2 l'exigeix la càrrega, no els àtoms: Ni(s) + Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + Ag(s) ajusta tots els elements però té una càrrega total de +1 a l'esquerra i +2 a la dreta.

Errors habituals en les equacions iòniques i com detectar-los

La majoria dels errors provenen d'escriure l'espècie equivocada, no de l'aritmètica. Abans d'eliminar res, pregunta't si cada fórmula existeix realment com a ions separats en aigua.

Com a darrera comprovació, llegeix l'equació iònica neta com un fet físic. Dos ions plata i un ió cromat que formen un sòlid és una cosa que podries veure; una equació que només intercanvia ions dissolts entre parelles no descriu res.

• Separar un àcid feble: l'HF(aq) es manté molecular. Compara qualsevol àcid amb els sis àcids forts.
• Separar un precipitat: una fórmula etiquetada (s) es manté sencera tot i que el sòlid sigui iònic.
• Trencar un ió poliatòmic: mantén intactes el NO₃⁻, el SO₄²⁻ i el CrO₄²⁻.
• Posar malament els subíndexs: el K₂CrO₄ dona 2K⁺; no existeix cap ió K₂⁺.
• Tractar el mercuri(I) com a Hg⁺: existeix com el catió diatòmic Hg₂²⁺.
• Deixar els coeficients sense reduir, com 4Ag⁺ + 2CrO₄²⁻ → 2Ag₂CrO₄.
• Escriure una equació iònica neta quan tots els aparellaments són solubles i no es forma aigua, ni cap electròlit feble, ni cap gas, i res no s'oxida ni es redueix. La resposta correcta és que no hi ha reacció.