انواع واکنش، راهنمای انحلال‌پذیری و معادله‌های یونی خالص

سه نیروی محرک پشت واکنش‌های آبی

وقتی دو محلول مخلوط می‌شوند، واکنش فقط زمانی رخ می‌دهد که چیزی یون‌ها را از محلول خارج کند یا الکترون‌ها را جابه‌جا کند. سه پرسش بپرسید. آیا کاتیونی از یک محلول و آنیونی از محلول دیگر ترکیبی با انحلال‌پذیری کم می‌سازند؟ آیا اسیدی پروتون به بازی می‌دهد و آب یا الکترولیت ضعیف دیگری می‌سازد؟ آیا عدد اکسایش اتمی تغییر می‌کند، به‌طوری که الکترون‌ها از گونه‌ای به گونه‌ای دیگر بروند؟

پاسخ مثبت به پرسش اول یعنی واکنش رسوبی، به دوم یعنی واکنش اسید–باز و به سوم یعنی واکنش اکسایش–کاهش. واکنش‌های گازساز مانند HCO₃⁻(aq) + H⁺(aq) → H₂O(l) + CO₂(g) معمولاً در دسته اسید–باز می‌آیند چون گام اول انتقال پروتون است. سوختن و جابه‌جایی یک فلز با فلز دیگر واکنش‌های اکسایش–کاهش هستند.

این خانواده‌ها منحصربه‌فرد نیستند. وقتی باریم هیدروکسید آبی سولفوریک اسید را خنثی می‌کند، Ba(OH)₂(aq) + H₂SO₄(aq) → BaSO₄(s) + 2H₂O(l)، در یک واکنش هم آب تشکیل می‌شود و هم سولفات نامحلولی رسوب می‌کند.

تصمیم‌گیری درباره اینکه کدام گونه‌ها به صورت یون نوشته شوند

معادله یونی خالص به دانستن اینکه کدام مواد در آب به صورت یون‌های جدا وجود دارند بستگی دارد. الکترولیت‌های قوی تقریباً کاملاً تفکیک می‌شوند: ترکیب‌های یونی محلول، اسیدهای قوی و بازهای قوی. وقتی با (aq) برچسب خورده‌اند آن‌ها را به صورت یون بنویسید. هر چیز دیگر فرمولش را نگه می‌دارد: جامدها، مایع‌ها، گازها، اسیدهای ضعیف، بازهای ضعیف و ماده‌های حل‌شونده مولکولی مانند گلوکز.

اسیدهای قوی رایج HCl، HBr، HI، HNO₃، HClO₄ و H₂SO₄ (برای پروتون اولش) هستند. تقریباً هر اسید دیگری را که در شیمی عمومی می‌بینید، از جمله HF، استیک اسید (CH₃COOH) و کربنیک اسید، ضعیف بدانید و به صورت مولکول نگه دارید. بازهای قوی هیدروکسیدهای گروه 1 و هیدروکسیدهای سنگین‌تر گروه 2 هستند. آمونیاک باز ضعیفی است و به صورت NH₃(aq) می‌ماند.

یون‌های چنداتمی هنگام تفکیک یک ترکیب سالم می‌مانند. پتاسیم کرومات آبی 2K⁺(aq) و CrO₄²⁻(aq) می‌دهد، نه یون‌های جداگانه پتاسیم، کروم و اکسیژن.

به‌کاربردن راهنمای انحلال‌پذیری

راهنمای انحلال‌پذیری الگوهای مشاهده‌شده برای ترکیب‌های یونی در آب نزدیک دمای اتاق را خلاصه می‌کند. محلول یعنی مقدار قابل‌توجهی حل می‌شود؛ نامحلول یعنی انحلال‌پذیری آن‌قدر کم است که وقتی یون‌ها در غلظت‌های معمول آزمایشگاه به هم می‌رسند جامدی تشکیل می‌شود. هیچ ترکیب یونی انحلال‌پذیری دقیقاً صفر ندارد. فهرست زیر بر پایه جدول 4.1 در OpenStax Chemistry 2e، بخش 4.2 است.

برای پیش‌بینی رسوب، همه یون‌های موجود پس از مخلوط‌کردن را فهرست کنید، سپس هر کاتیون را با هر آنیونی که از ابتدا با آن نبود جفت کنید. اگر هر جفت جدیدی در دسته نامحلول قرار گیرد، آن ترکیب رسوب می‌کند. اگر هر جفت ممکن محلول باشد، مثل مخلوط‌کردن محلول‌های پتاسیم نیترات و سدیم کلرید، یون‌ها به‌سادگی کنار هم می‌مانند و واکنش خالصی رخ نمی‌دهد.

• ترکیب‌های کاتیون‌های گروه 1 (Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺) و NH₄⁺ محلول‌اند.
• نیترات‌ها، استات‌ها، هیدروژن‌کربنات‌ها و کلرات‌ها محلول‌اند.
• کلریدها، برمیدها و یدیدها محلول‌اند، به جز ترکیب‌های Ag⁺، Hg₂²⁺ و Pb²⁺.
• فلوریدها محلول‌اند، به جز ترکیب‌های Mg²⁺، Ca²⁺، Sr²⁺، Ba²⁺، Pb²⁺ و Fe³⁺.
• سولفات‌ها محلول‌اند، به جز ترکیب‌های Ag⁺، Ba²⁺، Ca²⁺، Hg₂²⁺، Pb²⁺ و Sr²⁺.
• کربنات‌ها، کرومات‌ها، فسفات‌ها و سولفیدها نامحلول‌اند، به جز با کاتیون‌های گروه 1 و NH₄⁺.
• هیدروکسیدها نامحلول‌اند، به جز با کاتیون‌های گروه 1 و Ba²⁺؛ Ca(OH)₂ و Sr(OH)₂ کم‌محلول‌اند.

ساختن معادله یونی خالص گام‌به‌گام

هر گام دلیلی دارد. موازنه ابتدایی معادله مولکولی شمار اتم‌ها را تضمین می‌کند. تفکیک الکترولیت‌های قوی نشان می‌دهد در بشر واقعاً چه چیزی وجود دارد. حذف یون‌های تماشاچی گونه‌هایی را کنار می‌گذارد که در دو طرف بدون تغییر ظاهر می‌شوند و در تغییر نقشی ندارند.

بررسی بار خطاهایی را می‌گیرد که شمارش اتم‌ها نمی‌گیرد. معادله یونی خالص می‌تواند بار کل غیرصفر داشته باشد، اما این بار باید در دو طرف یکسان باشد، چون بار هم مانند اتم‌ها پایسته است.

• معادله مولکولی موازنه‌شده را با نماد حالت روی هر فرمول بنویسید.
• هر الکترولیت قوی (aq) را به صورت یون‌های جدا بازنویسی کنید و هم در زیروند و هم در ضریب ضرب کنید.
• یون‌هایی را که در دو طرف بدون تغییر ظاهر می‌شوند خط بزنید. این‌ها یون‌های تماشاچی هستند.
• ضریب‌های باقی‌مانده را به کوچک‌ترین اعداد صحیح ساده کنید.
• بررسی کنید هر عنصر و بار کل موازنه است.

مثال حل‌شده: رسوب‌دادن نقره کرومات

18.0 mL پتاسیم کرومات 0.0850 mol/L را با نقره نیترات آبی اضافی مخلوط می‌کنید. جفت‌های جدید Ag⁺ با CrO₄²⁻ و K⁺ با NO₃⁻ هستند. نقره کاتیون گروه 1 نیست، پس نقره کرومات قهوه‌ای‌مایل‌به‌قرمز رسوب می‌کند؛ پتاسیم نیترات حل‌شده می‌ماند. معادله مولکولی: 2AgNO₃(aq) + K₂CrO₄(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2KNO₃(aq). معادله یونی کامل: 2Ag⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq) + 2K⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2K⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq). حذف K⁺ و NO₃⁻ معادله یونی خالص 2Ag⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s) را می‌دهد. بررسی بار: 2(+1) + (−2) = 0 در چپ، و 0 در راست.

برای یافتن جرم رسوب، از وزن‌های اتمی استاندارد IUPAC گردشده تا دو رقم اعشار استفاده کنید: Ag 107.87، Cr 52.00، O 16.00. جرم مولی Ag₂CrO₄ برابر 2(107.87) + 52.00 + 4(16.00) = 331.74 g/mol است. مول‌های کرومات = 0.0180 L × 0.0850 mol/L = 1.53 × 10⁻³ mol و معادله یونی خالص به ازای هر 1 mol CrO₄²⁻ مقدار 1 mol Ag₂CrO₄ می‌دهد. جرم = 1.53 × 10⁻³ mol × 331.74 g/mol = 0.508 g. هر دو کمیت اندازه‌گیری‌شده سه رقم بامعنی دارند، پس پاسخ هم سه رقم دارد.

مثال‌های حل‌شده: یک اسید ضعیف و یک فلز در محلول

استیک اسید آبی با سدیم هیدروکسید آبی واکنش می‌دهد: CH₃COOH(aq) + NaOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l). استیک اسید ضعیف است، پس مولکولی می‌ماند، در حالی که NaOH و سدیم استات الکترولیت قوی‌اند. پس از حذف Na⁺، معادله یونی خالص CH₃COOH(aq) + OH⁻(aq) → CH₃COO⁻(aq) + H₂O(l) است. نیتریک اسید با پتاسیم هیدروکسید را مقایسه کنید، که هر دو واکنش‌دهنده قوی‌اند و معادله یونی خالص به H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l) کوتاه می‌شود.

تسمه‌ای از نیکل در محلول نقره نیترات با بلورهای نقره پوشیده می‌شود. نیکل از 0 به 2+ و نقره از 1+ به 0 می‌رود، پس اکسایش–کاهش است؛ نیترات تماشاچی است. معادله یونی خالص Ni(s) + 2Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + 2Ag(s) است. ضریب 2 را بار لازم می‌کند، نه اتم‌ها: Ni(s) + Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + Ag(s) همه عنصرها را موازنه می‌کند اما بار کل آن در چپ 1+ و در راست 2+ است.

اشتباه‌های رایج در معادله‌های یونی و چگونگی تشخیص آن‌ها

بیشتر خطاها از نوشتن گونه نادرست می‌آیند، نه از حساب. پیش از حذف هر چیز، بپرسید آیا هر فرمول واقعاً در آب به صورت یون‌های جدا وجود دارد.

به‌عنوان بررسی نهایی، معادله یونی خالص را مانند یک رویداد فیزیکی بخوانید. دو یون نقره و یک یون کرومات که جامدی می‌سازند چیزی است که می‌توانید ببینید؛ معادله‌ای که فقط یون‌های حل‌شده را بین شرکا جابه‌جا می‌کند چیزی را توصیف نمی‌کند.

• تفکیک اسید ضعیف: HF(aq) مولکولی می‌ماند. هر اسید را با شش اسید قوی مقایسه کنید.
• تفکیک رسوب: فرمولی که با (s) برچسب خورده، با اینکه جامد یونی است، دست‌نخورده می‌ماند.
• شکستن یون چنداتمی: NO₃⁻، SO₄²⁻ و CrO₄²⁻ را سالم نگه دارید.
• جابه‌جا کردن زیروندها: K₂CrO₄ می‌دهد 2K⁺؛ یونی به نام K₂⁺ وجود ندارد.
• در نظر گرفتن جیوه(I) به صورت Hg⁺: آن به صورت کاتیون دواتمی Hg₂²⁺ وجود دارد.
• ساده‌نکردن ضریب‌ها، مانند 4Ag⁺ + 2CrO₄²⁻ → 2Ag₂CrO₄.
• نوشتن معادله یونی خالص وقتی همه جفت‌ها محلول‌اند و آب، الکترولیت ضعیف یا گازی تشکیل نمی‌شود و چیزی اکسید یا کاهیده نمی‌شود. پاسخ درست «واکنشی رخ نمی‌دهد» است.