Reaktionstypen, Löslichkeitsregeln und Netto-Ionengleichungen

Drei Triebkräfte hinter wässrigen Reaktionen

Werden zwei Lösungen gemischt, findet nur dann eine Reaktion statt, wenn etwas Ionen aus der Lösung entfernt oder Elektronen bewegt. Stelle drei Fragen. Bilden ein Kation aus der einen Lösung und ein Anion aus der anderen eine schwer lösliche Verbindung? Überträgt eine Säure ein Proton auf eine Base und bildet dabei Wasser oder einen anderen schwachen Elektrolyten? Ändert sich bei Atomen die Oxidationszahl, sodass Elektronen von einer Spezies auf eine andere übergehen?

Ein Ja bei der ersten Frage bedeutet eine Fällungsreaktion, ein Ja bei der zweiten eine Säure-Base-Reaktion und ein Ja bei der dritten eine Redoxreaktion. Gasbildende Reaktionen wie HCO₃⁻(aq) + H⁺(aq) → H₂O(l) + CO₂(g) werden meist unter Säure-Base-Reaktionen eingeordnet, weil der erste Schritt eine Protonenübertragung ist. Verbrennung und die Verdrängung eines Metalls durch ein anderes sind Redoxreaktionen.

Die Familien schließen sich nicht gegenseitig aus. Wenn wässriges Bariumhydroxid Schwefelsäure neutralisiert, Ba(OH)₂(aq) + H₂SO₄(aq) → BaSO₄(s) + 2H₂O(l), entsteht Wasser, und in derselben Reaktion fällt ein unlösliches Sulfat aus.

Entscheiden, welche Spezies als Ionen geschrieben werden

Eine Netto-Ionengleichung setzt voraus, dass man weiß, welche Stoffe in Wasser als getrennte Ionen vorliegen. Starke Elektrolyte dissoziieren im Wesentlichen vollständig: lösliche ionische Verbindungen, starke Säuren und starke Basen. Schreibe diese als Ionen, wenn sie mit (aq) gekennzeichnet sind. Alles andere behält seine Formel: Feststoffe, Flüssigkeiten, Gase, schwache Säuren, schwache Basen und molekulare gelöste Stoffe wie Glucose.

Die üblichen starken Säuren sind HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ und H₂SO₄ (für sein erstes Proton). Behandle fast jede andere Säure, der du in der Allgemeinen Chemie begegnest, einschließlich HF, Essigsäure (CH₃COOH) und Kohlensäure, als schwach und behalte sie als Molekül bei. Die starken Basen sind die Hydroxide der Gruppe 1 und die der schwereren Elemente der Gruppe 2. Ammoniak ist eine schwache Base und bleibt als NH₃(aq) erhalten.

Mehratomige Ionen bleiben bei der Dissoziation einer Verbindung unversehrt. Wässriges Kaliumchromat ergibt 2K⁺(aq) und CrO₄²⁻(aq), nicht getrennte Kalium-, Chrom- und Sauerstoffionen.

Die Löslichkeitsregeln anwenden

Die Löslichkeitsregeln fassen beobachtete Muster für ionische Verbindungen in Wasser bei etwa Raumtemperatur zusammen. Löslich bedeutet, dass sich eine brauchbare Menge löst; unlöslich bedeutet, dass die Löslichkeit so gering ist, dass sich bei üblichen Laborkonzentrationen ein Feststoff bildet, wenn die Ionen aufeinandertreffen. Keine ionische Verbindung hat eine Löslichkeit von genau null. Die folgende Liste beruht auf Tabelle 4.1 in OpenStax Chemistry 2e, Abschnitt 4.2.

Um einen Niederschlag vorherzusagen, liste alle Ionen auf, die nach dem Mischen vorliegen, und paare dann jedes Kation mit jedem Anion, mit dem es zuvor nicht zusammen war. Fällt eine neue Paarung in eine unlösliche Kategorie, fällt diese Verbindung aus. Sind alle möglichen Paarungen löslich, etwa beim Mischen von Kaliumnitrat- und Natriumchloridlösung, existieren die Ionen einfach nebeneinander, und es gibt keine Nettoreaktion.

• Verbindungen der Kationen der Gruppe 1 (Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺) und von NH₄⁺ sind löslich.
• Nitrate, Acetate, Hydrogencarbonate und Chlorate sind löslich.
• Chloride, Bromide und Iodide sind löslich, außer denen von Ag⁺, Hg₂²⁺ und Pb²⁺.
• Fluoride sind löslich, außer denen von Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Pb²⁺ und Fe³⁺.
• Sulfate sind löslich, außer denen von Ag⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, Hg₂²⁺, Pb²⁺ und Sr²⁺.
• Carbonate, Chromate, Phosphate und Sulfide sind unlöslich, außer mit Kationen der Gruppe 1 und NH₄⁺.
• Hydroxide sind unlöslich, außer mit Kationen der Gruppe 1 und Ba²⁺; Ca(OH)₂ und Sr(OH)₂ sind wenig löslich.

Die Netto-Ionengleichung Schritt für Schritt aufstellen

Jeder Schritt hat seinen Grund. Das Ausgleichen der Reaktionsgleichung in Formelschreibweise sichert zuerst die Atomzahlen. Das Aufspalten starker Elektrolyte zeigt, was wirklich im Becherglas vorliegt. Das Streichen der Zuschauerionen entfernt Spezies, die auf beiden Seiten unverändert auftreten und an der Veränderung nicht beteiligt sind.

Die Ladungsprüfung fängt Fehler ab, die eine Atomzählung übersieht. Eine Netto-Ionengleichung kann eine von null verschiedene Gesamtladung tragen, aber diese Ladung muss auf beiden Seiten gleich sein, weil die Ladung ebenso erhalten bleibt wie die Atome.

• Schreibe die ausgeglichene Gleichung in Formelschreibweise mit einem Zustandssymbol an jeder Formel.
• Schreibe jeden starken Elektrolyten mit (aq) als getrennte Ionen um und multipliziere dabei mit Index und Koeffizient.
• Streiche Ionen, die auf beiden Seiten unverändert auftreten. Das sind die Zuschauerionen.
• Kürze die verbleibenden Koeffizienten auf die kleinsten ganzen Zahlen.
• Prüfe, dass jedes Element und die Gesamtladung ausgeglichen sind.

Rechenbeispiel: Silberchromat ausfällen

Du mischst 18.0 mL Kaliumchromat mit 0.0850 mol/L mit überschüssigem wässrigem Silbernitrat. Die neuen Paarungen sind Ag⁺ mit CrO₄²⁻ und K⁺ mit NO₃⁻. Silber ist kein Kation der Gruppe 1, also fällt rotbraunes Silberchromat aus; Kaliumnitrat bleibt gelöst. Gleichung in Formelschreibweise: 2AgNO₃(aq) + K₂CrO₄(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2KNO₃(aq). Vollständige Ionengleichung: 2Ag⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq) + 2K⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2K⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq). Das Streichen von K⁺ und NO₃⁻ ergibt die Netto-Ionengleichung 2Ag⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s). Ladungsprüfung: 2(+1) + (−2) = 0 links und 0 rechts.

Um die Masse des Niederschlags zu finden, verwende IUPAC-Standard-Atomgewichte, auf zwei Dezimalstellen gerundet: Ag 107.87, Cr 52.00, O 16.00. Die molare Masse von Ag₂CrO₄ beträgt 2(107.87) + 52.00 + 4(16.00) = 331.74 g/mol. Stoffmenge Chromat = 0.0180 L × 0.0850 mol/L = 1.53 × 10⁻³ mol, und die Netto-Ionengleichung ergibt 1 mol Ag₂CrO₄ je 1 mol CrO₄²⁻. Masse = 1.53 × 10⁻³ mol × 331.74 g/mol = 0.508 g. Beide gemessenen Größen haben drei signifikante Stellen, also hat auch das Ergebnis drei.

Rechenbeispiele: eine schwache Säure und ein Metall in Lösung

Wässrige Essigsäure reagiert mit wässriger Natronlauge: CH₃COOH(aq) + NaOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l). Essigsäure ist schwach und bleibt daher molekular, während NaOH und Natriumacetat starke Elektrolyte sind. Nach dem Streichen von Na⁺ lautet die Netto-Ionengleichung CH₃COOH(aq) + OH⁻(aq) → CH₃COO⁻(aq) + H₂O(l). Vergleiche Salpetersäure mit Kaliumhydroxid: Beide Edukte sind stark, und die Netto-Ionengleichung schrumpft auf H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l).

Ein Nickelstreifen in Silbernitratlösung überzieht sich mit Silberkristallen. Nickel geht von 0 auf +2 und Silber von +1 auf 0, es handelt sich also um eine Redoxreaktion; Nitrat ist ein Zuschauerion. Die Netto-Ionengleichung lautet Ni(s) + 2Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + 2Ag(s). Der Koeffizient 2 wird von der Ladung verlangt, nicht von den Atomen: Ni(s) + Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + Ag(s) gleicht jedes Element aus, hat aber eine Gesamtladung von +1 links und +2 rechts.

Häufige Fehler bei Ionengleichungen und wie man sie findet

Die meisten Fehler entstehen, weil die falsche Spezies geschrieben wird, nicht durch Rechnen. Frage dich, bevor du irgendetwas streichst, ob jede Formel in Wasser wirklich als getrennte Ionen vorliegt.

Lies die Netto-Ionengleichung zur letzten Kontrolle als physikalisches Ereignis. Dass zwei Silberionen und ein Chromation einen Feststoff bilden, könntest du beobachten; eine Gleichung, die nur gelöste Ionen zwischen Partnern vertauscht, beschreibt nichts.

• Eine schwache Säure aufspalten: HF(aq) bleibt molekular. Vergleiche jede Säure mit den sechs starken Säuren.
• Einen Niederschlag aufspalten: Eine mit (s) gekennzeichnete Formel bleibt ganz, auch wenn der Feststoff ionisch ist.
• Ein mehratomiges Ion zerlegen: NO₃⁻, SO₄²⁻ und CrO₄²⁻ bleiben unversehrt.
• Indizes falsch setzen: K₂CrO₄ ergibt 2K⁺; ein K₂⁺-Ion gibt es nicht.
• Quecksilber(I) als Hg⁺ behandeln: Es liegt als zweiatomiges Kation Hg₂²⁺ vor.
• Koeffizienten ungekürzt lassen, etwa 4Ag⁺ + 2CrO₄²⁻ → 2Ag₂CrO₄.
• Eine Netto-Ionengleichung aufschreiben, obwohl alle Paarungen löslich sind, kein Wasser, kein schwacher Elektrolyt und kein Gas entsteht und nichts oxidiert oder reduziert wird. Die richtige Antwort lautet: keine Reaktion.