Τύποι αντιδράσεων, κατευθυντήριες γραμμές διαλυτότητας και καθαρές ιοντικές εξισώσεις

Οι τρεις κινητήριες δυνάμεις πίσω από τις υδατικές αντιδράσεις

Όταν αναμειγνύονται δύο διαλύματα, πραγματοποιείται αντίδραση μόνο αν κάτι απομακρύνει ιόντα από το διάλυμα ή μετακινεί ηλεκτρόνια. Κάντε τρεις ερωτήσεις. Ένα κατιόν από το ένα διάλυμα και ένα ανιόν από το άλλο σχηματίζουν ένωση με χαμηλή διαλυτότητα; Ένα οξύ μεταφέρει πρωτόνιο σε μια βάση και σχηματίζει νερό ή άλλο ασθενή ηλεκτρολύτη; Αλλάζει ο αριθμός οξείδωσης κάποιων ατόμων, ώστε ηλεκτρόνια να περνούν από το ένα είδος στο άλλο;

Ένα ναι στην πρώτη ερώτηση σημαίνει αντίδραση καταβύθισης, ένα ναι στη δεύτερη αντίδραση οξέος–βάσης και ένα ναι στην τρίτη αντίδραση οξειδοαναγωγής. Οι αντιδράσεις που σχηματίζουν αέριο, όπως η HCO₃⁻(aq) + H⁺(aq) → H₂O(l) + CO₂(g), ταξινομούνται συνήθως ως οξέος–βάσης επειδή το πρώτο βήμα είναι η μεταφορά πρωτονίου. Η καύση και η εκτόπιση ενός μετάλλου από ένα άλλο είναι αντιδράσεις οξειδοαναγωγής.

Οι οικογένειες δεν αλληλοαποκλείονται. Όταν το υδατικό υδροξείδιο του βαρίου εξουδετερώνει το θειικό οξύ, Ba(OH)₂(aq) + H₂SO₄(aq) → BaSO₄(s) + 2H₂O(l), σχηματίζεται νερό και καταβυθίζεται ένα αδιάλυτο θειικό άλας στην ίδια αντίδραση.

Απόφαση για το ποια είδη γράφονται ως ιόντα

Μια καθαρή ιοντική εξίσωση εξαρτάται από το να γνωρίζετε ποιες ουσίες υπάρχουν ως διαχωρισμένα ιόντα στο νερό. Οι ισχυροί ηλεκτρολύτες διίστανται ουσιαστικά πλήρως: οι διαλυτές ιοντικές ενώσεις, τα ισχυρά οξέα και οι ισχυρές βάσεις. Γράψτε τα ως ιόντα όταν φέρουν την ένδειξη (aq). Όλα τα υπόλοιπα διατηρούν τον τύπο τους: στερεά, υγρά, αέρια, ασθενή οξέα, ασθενείς βάσεις και μοριακές διαλυμένες ουσίες όπως η γλυκόζη.

Τα συνηθισμένα ισχυρά οξέα είναι τα HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ και H₂SO₄ (για το πρώτο πρωτόνιό του). Αντιμετωπίστε σχεδόν κάθε άλλο οξύ που θα συναντήσετε στη γενική χημεία, μαζί με το HF, το οξικό οξύ (CH₃COOH) και το ανθρακικό οξύ, ως ασθενές και κράτα το ως μόριο. Οι ισχυρές βάσεις είναι τα υδροξείδια της ομάδας 1 και τα βαρύτερα υδροξείδια της ομάδας 2. Η αμμωνία είναι ασθενής βάση και παραμένει ως NH₃(aq).

Τα πολυατομικά ιόντα παραμένουν ακέραια όταν μια ένωση διίσταται. Το υδατικό χρωμικό κάλιο δίνει 2K⁺(aq) και CrO₄²⁻(aq) και όχι ξεχωριστά ιόντα καλίου, χρωμίου και οξυγόνου.

Εφαρμογή των κατευθυντήριων γραμμών διαλυτότητας

Οι κατευθυντήριες γραμμές διαλυτότητας συνοψίζουν παρατηρούμενα μοτίβα για ιοντικές ενώσεις στο νερό κοντά στη θερμοκρασία δωματίου. Διαλυτό σημαίνει ότι διαλύεται μια χρήσιμη ποσότητα· αδιάλυτο σημαίνει ότι η διαλυτότητα είναι αρκετά χαμηλή ώστε να σχηματίζεται στερεό όταν τα ιόντα συναντώνται σε συνηθισμένες εργαστηριακές συγκεντρώσεις. Καμία ιοντική ένωση δεν έχει διαλυτότητα ακριβώς μηδέν. Ο κατάλογος που ακολουθεί βασίζεται στον Πίνακα 4.1 του OpenStax Chemistry 2e, ενότητα 4.2.

Για να προβλέψετε ένα ίζημα, καταγράψτε όλα τα ιόντα που υπάρχουν μετά την ανάμειξη και μετά συζεύξτε κάθε κατιόν με κάθε ανιόν με το οποίο δεν ξεκινήστε. Αν κάποιος νέος συνδυασμός ανήκει σε αδιάλυτη κατηγορία, η ένωση αυτή καταβυθίζεται. Αν κάθε πιθανός συνδυασμός είναι διαλυτός, όπως όταν αναμειγνύονται διαλύματα νιτρικού καλίου και χλωριούχου νατρίου, τα ιόντα απλώς συνυπάρχουν και δεν υπάρχει καθαρή αντίδραση.

• Οι ενώσεις των κατιόντων της ομάδας 1 (Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺) και του NH₄⁺ είναι διαλυτές.
• Τα νιτρικά, τα οξικά, τα όξινα ανθρακικά και τα χλωρικά άλατα είναι διαλυτά.
• Τα χλωρίδια, τα βρωμίδια και τα ιωδίδια είναι διαλυτά, εκτός από αυτά των Ag⁺, Hg₂²⁺ και Pb²⁺.
• Τα φθορίδια είναι διαλυτά, εκτός από αυτά των Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Pb²⁺ και Fe³⁺.
• Τα θειικά άλατα είναι διαλυτά, εκτός από αυτά των Ag⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, Hg₂²⁺, Pb²⁺ και Sr²⁺.
• Τα ανθρακικά, τα χρωμικά, τα φωσφορικά και τα θειούχα άλατα είναι αδιάλυτα, εκτός από αυτά με κατιόντα της ομάδας 1 και NH₄⁺.
• Τα υδροξείδια είναι αδιάλυτα, εκτός από αυτά με κατιόντα της ομάδας 1 και Ba²⁺· τα Ca(OH)₂ και Sr(OH)₂ είναι ελαφρώς διαλυτά.

Κατασκευή της καθαρής ιοντικής εξίσωσης βήμα προς βήμα

Κάθε βήμα έχει τον λόγο του. Η εξισορρόπηση πρώτα της μοριακής εξίσωσης εξασφαλίζει τον αριθμό των ατόμων. Ο διαχωρισμός των ισχυρών ηλεκτρολυτών δείχνει τι υπάρχει πραγματικά στο ποτήρι. Η διαγραφή των ιόντων-θεατών απομακρύνει τα είδη που εμφανίζονται αμετάβλητα και στα δύο μέλη και δεν παίρνουν μέρος στη μεταβολή.

Ο έλεγχος φορτίου εντοπίζει λάθη που διαφεύγουν από την καταμέτρηση ατόμων. Μια καθαρή ιοντική εξίσωση μπορεί να έχει μη μηδενικό συνολικό φορτίο, αλλά το φορτίο αυτό πρέπει να είναι το ίδιο και στα δύο μέλη, επειδή το φορτίο διατηρείται όπως και τα άτομα.

• Γράψτε την ισοσταθμισμένη μοριακή εξίσωση με σύμβολο κατάστασης σε κάθε τύπο.
• Ξαναγράψτε κάθε ισχυρό ηλεκτρολύτη (aq) ως χωριστά ιόντα, πολλαπλασιάζοντας και με τον δείκτη και με τον συντελεστή.
• Διαγράψτε τα ιόντα που εμφανίζονται αμετάβλητα και στα δύο μέλη. Αυτά είναι τα ιόντα-θεατές.
• Απλοποιήστε τους υπόλοιπους συντελεστές στους μικρότερους ακέραιους.
• Ελέγξτε ότι εξισορροπούνται κάθε στοιχείο και το συνολικό φορτίο.

Λυμένο παράδειγμα: καταβύθιση χρωμικού αργύρου

Αναμειγνύετε 18.0 mL χρωμικού καλίου 0.0850 mol/L με περίσσεια υδατικού νιτρικού αργύρου. Οι νέοι συνδυασμοί είναι Ag⁺ με CrO₄²⁻ και K⁺ με NO₃⁻. Ο άργυρος δεν είναι κατιόν της ομάδας 1, άρα καταβυθίζεται ερυθροκαφέ χρωμικός άργυρος· το νιτρικό κάλιο μένει διαλυμένο. Μοριακή εξίσωση: 2AgNO₃(aq) + K₂CrO₄(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2KNO₃(aq). Πλήρης ιοντική εξίσωση: 2Ag⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq) + 2K⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2K⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq). Η διαγραφή των K⁺ και NO₃⁻ δίνει την καθαρή ιοντική εξίσωση 2Ag⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s). Έλεγχος φορτίου: 2(+1) + (−2) = 0 αριστερά και 0 δεξιά.

Για να βρείτε τη μάζα του ιζήματος, χρησιμοποιήστε τις πρότυπες ατομικές μάζες της IUPAC στρογγυλοποιημένες σε δύο δεκαδικά: Ag 107.87, Cr 52.00, O 16.00. Η γραμμομοριακή μάζα του Ag₂CrO₄ είναι 2(107.87) + 52.00 + 4(16.00) = 331.74 g/mol. Mol χρωμικών = 0.0180 L × 0.0850 mol/L = 1.53 × 10⁻³ mol, και η καθαρή ιοντική εξίσωση δίνει 1 mol Ag₂CrO₄ ανά 1 mol CrO₄²⁻. Μάζα = 1.53 × 10⁻³ mol × 331.74 g/mol = 0.508 g. Και οι δύο μετρημένες ποσότητες έχουν τρία σημαντικά ψηφία, άρα και η απάντηση.

Λυμένα παραδείγματα: ένα ασθενές οξύ και ένα μέταλλο σε διάλυμα

Το υδατικό οξικό οξύ αντιδρά με υδατικό υδροξείδιο του νατρίου: CH₃COOH(aq) + NaOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l). Το οξικό οξύ είναι ασθενές, άρα παραμένει μοριακό, ενώ το NaOH και το οξικό νάτριο είναι ισχυροί ηλεκτρολύτες. Μετά τη διαγραφή του Na⁺, η καθαρή ιοντική εξίσωση είναι CH₃COOH(aq) + OH⁻(aq) → CH₃COO⁻(aq) + H₂O(l). Συγκρίνετε το νιτρικό οξύ με το υδροξείδιο του καλίου, όπου και τα δύο αντιδρώντα είναι ισχυρά και η καθαρή ιοντική εξίσωση συρρικνώνεται σε H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l).

Μια λωρίδα νικελίου που τοποθετείται σε διάλυμα νιτρικού αργύρου καλύπτεται με κρυστάλλους αργύρου. Το νικέλιο πηγαίνει από 0 σε +2 και ο άργυρος από +1 σε 0, άρα πρόκειται για οξειδοαναγωγή· το νιτρικό είναι θεατής. Η καθαρή ιοντική εξίσωση είναι Ni(s) + 2Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + 2Ag(s). Ο συντελεστής 2 απαιτείται από το φορτίο και όχι από τα άτομα: η Ni(s) + Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + Ag(s) εξισορροπεί κάθε στοιχείο αλλά έχει συνολικό φορτίο +1 αριστερά και +2 δεξιά.

Συνηθισμένα λάθη στις ιοντικές εξισώσεις και πώς να τα εντοπίζετε

Τα περισσότερα λάθη προέρχονται από τη γραφή λάθος ειδών και όχι από την αριθμητική. Πριν διαγράψετε οτιδήποτε, ρώτα αν κάθε τύπος υπάρχει πράγματι ως χωριστά ιόντα στο νερό.

Ως τελευταίο έλεγχο, διαβάστε την καθαρή ιοντική εξίσωση ως φυσικό γεγονός. Δύο ιόντα αργύρου και ένα χρωμικό ιόν που σχηματίζουν στερεό είναι κάτι που θα μπορούσατε να παρατηρήσετε· μια εξίσωση που απλώς ανταλλάσσει διαλυμένα ιόντα ανάμεσα σε συντρόφους δεν περιγράφει τίποτα.

• Διαχωρισμός ενός ασθενούς οξέος: το HF(aq) παραμένει μοριακό. Συγκρίνετε κάθε οξύ με τα έξι ισχυρά οξέα.
• Διαχωρισμός ενός ιζήματος: ένας τύπος με την ένδειξη (s) παραμένει ακέραιος, παρότι το στερεό είναι ιοντικό.
• Διάσπαση ενός πολυατομικού ιόντος: κράτα ακέραια τα NO₃⁻, SO₄²⁻ και CrO₄²⁻.
• Λάθος τοποθέτηση δεικτών: το K₂CrO₄ δίνει 2K⁺· δεν υπάρχει ιόν K₂⁺.
• Αντιμετώπιση του υδραργύρου(I) ως Hg⁺: υπάρχει ως το διατομικό κατιόν Hg₂²⁺.
• Συντελεστές που δεν έχουν απλοποιηθεί, όπως 4Ag⁺ + 2CrO₄²⁻ → 2Ag₂CrO₄.
• Γραφή καθαρής ιοντικής εξίσωσης όταν κάθε συνδυασμός είναι διαλυτός, δεν σχηματίζεται νερό, ασθενής ηλεκτρολύτης ή αέριο και τίποτα δεν οξειδώνεται ή ανάγεται. Η σωστή απάντηση είναι ότι δεν υπάρχει αντίδραση.