Reaktiotyypit, liukoisuusohjeet ja nettoionireaktioyhtälöt

Kolme vesiliuosreaktioiden liikkeellepanevaa voimaa

Kun kaksi liuosta sekoitetaan, reaktio tapahtuu vain, jos jokin poistaa ioneja liuoksesta tai siirtää elektroneja. Kysy kolme kysymystä. Muodostavatko toisen liuoksen kationi ja toisen anioni huonosti liukenevan yhdisteen? Siirtääkö happo protonin emäkselle muodostaen vettä tai muun heikon elektrolyytin? Muuttuuko jonkin atomin hapetusluku niin, että elektroneja siirtyy lajilta toiselle?

Myöntävä vastaus ensimmäiseen kysymykseen tarkoittaa saostumisreaktiota, toiseen happo–emäs-reaktiota ja kolmanteen redox-reaktiota. Kaasua muodostavat reaktiot, kuten HCO₃⁻(aq) + H⁺(aq) → H₂O(l) + CO₂(g), luokitellaan yleensä happo–emäs-reaktioiksi, koska ensimmäinen vaihe on protonin siirto. Palaminen ja yhden metallin syrjäyttäminen toisella ovat redox-reaktioita.

Perheet eivät sulje toisiaan pois. Kun vesiliuoksessa oleva bariumhydroksidi neutraloi rikkihapon, Ba(OH)₂(aq) + H₂SO₄(aq) → BaSO₄(s) + 2H₂O(l), muodostuu vettä ja liukenematon sulfaatti saostuu samassa reaktiossa.

Päättäminen, mitkä lajit kirjoitetaan ioneina

Nettoionireaktioyhtälö riippuu siitä, että tiedetään, mitkä aineet esiintyvät vedessä erillisinä ioneina. Vahvat elektrolyytit dissosioituvat käytännössä täydellisesti: liukoiset ioniyhdisteet, vahvat hapot ja vahvat emäkset. Kirjoita nämä ioneina, kun ne on merkitty (aq). Kaikki muu säilyttää kaavansa: kiinteät aineet, nesteet, kaasut, heikot hapot, heikot emäkset ja molekyylimäiset liuenneet aineet, kuten glukoosi.

Yleiset vahvat hapot ovat HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ ja H₂SO₄ (ensimmäisen protoninsa osalta). Käsittele lähes kaikkia muita yleisessä kemiassa vastaan tulevia happoja, mukaan lukien HF, etikkahappo (CH₃COOH) ja hiilihappo, heikkoina ja pidä ne molekyyleinä. Vahvat emäkset ovat ryhmän 1 hydroksidit ja raskaammat ryhmän 2 hydroksidit. Ammoniakki on heikko emäs ja pysyy muodossa NH₃(aq).

Moniatomiset ionit pysyvät ehjinä yhdisteen dissosioituessa. Vesiliuoksessa oleva kaliumkromaatti antaa 2K⁺(aq) ja CrO₄²⁻(aq), ei erillisiä kalium-, kromi- ja happi-ioneja.

Liukoisuusohjeiden soveltaminen

Liukoisuusohjeet tiivistävät havaitut säännönmukaisuudet ioniyhdisteille vedessä huoneenlämpötilan tienoilla. Liukoinen tarkoittaa, että hyödyllinen määrä liukenee; liukenematon tarkoittaa, että liukoisuus on niin pieni, että kiinteää ainetta muodostuu, kun ionit kohtaavat tavallisilla laboratoriopitoisuuksilla. Millään ioniyhdisteellä liukoisuus ei ole täsmälleen nolla. Alla oleva luettelo perustuu OpenStax Chemistry 2e:n kohdan 4.2 taulukkoon 4.1.

Ennustaaksesi saostuman luettele kaikki sekoituksen jälkeen läsnä olevat ionit ja yhdistä sitten jokainen kationi jokaisen sellaisen anionin kanssa, jonka kanssa se ei alun perin ollut. Jos jokin uusi pari kuuluu liukenemattomiin luokkiin, kyseinen yhdiste saostuu. Jos jokainen mahdollinen pari on liukoinen, kuten sekoitettaessa kaliumnitraatti- ja natriumkloridiliuoksia, ionit vain esiintyvät rinnakkain eikä nettoreaktiota tapahdu.

• Ryhmän 1 kationien (Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺) ja NH₄⁺:n yhdisteet ovat liukoisia.
• Nitraatit, asetaatit, vetykarbonaatit ja kloraatit ovat liukoisia.
• Kloridit, bromidit ja jodidit ovat liukoisia lukuun ottamatta Ag⁺:n, Hg₂²⁺:n ja Pb²⁺:n yhdisteitä.
• Fluoridit ovat liukoisia lukuun ottamatta Mg²⁺:n, Ca²⁺:n, Sr²⁺:n, Ba²⁺:n, Pb²⁺:n ja Fe³⁺:n yhdisteitä.
• Sulfaatit ovat liukoisia lukuun ottamatta Ag⁺:n, Ba²⁺:n, Ca²⁺:n, Hg₂²⁺:n, Pb²⁺:n ja Sr²⁺:n yhdisteitä.
• Karbonaatit, kromaatit, fosfaatit ja sulfidit ovat liukenemattomia paitsi ryhmän 1 kationien ja NH₄⁺:n kanssa.
• Hydroksidit ovat liukenemattomia paitsi ryhmän 1 kationien ja Ba²⁺:n kanssa; Ca(OH)₂ ja Sr(OH)₂ liukenevat niukasti.

Nettoionireaktioyhtälön muodostaminen vaihe vaiheelta

Jokaiselle vaiheelle on syynsä. Molekyyliyhtälön tasapainottaminen ensin takaa atomimäärät. Vahvojen elektrolyyttien jakaminen näyttää, mitä dekantterilasissa todella on. Sivuionien supistaminen poistaa lajit, jotka esiintyvät muuttumattomina molemmilla puolilla eivätkä osallistu muutokseen.

Varauksen tarkistus paljastaa virheet, jotka atomilaskenta ohittaa. Nettoionireaktioyhtälön kokonaisvaraus voi olla nollasta poikkeava, mutta sen täytyy olla sama molemmilla puolilla, koska varaus säilyy samoin kuin atomit.

• Kirjoita tasapainotettu molekyyliyhtälö ja merkitse jokaiseen kaavaan olomuotosymboli.
• Kirjoita jokainen (aq)-merkitty vahva elektrolyytti erillisinä ioneina kertomalla sekä alaindeksillä että kertoimella.
• Pyyhi pois ionit, jotka esiintyvät muuttumattomina molemmilla puolilla. Nämä ovat sivuioneja.
• Supista jäljelle jäävät kertoimet pienimpiin kokonaislukuihin.
• Tarkista, että jokainen alkuaine ja kokonaisvaraus ovat tasapainossa.

Läpikäyty esimerkki: hopeakromaatin saostaminen

Sekoitat 18.0 mL 0.0850 mol/L kaliumkromaattia ja ylimäärän vesiliuoksessa olevaa hopeanitraattia. Uudet parit ovat Ag⁺ ja CrO₄²⁻ sekä K⁺ ja NO₃⁻. Hopea ei ole ryhmän 1 kationi, joten punaruskea hopeakromaatti saostuu; kaliumnitraatti pysyy liuenneena. Molekyyliyhtälö: 2AgNO₃(aq) + K₂CrO₄(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2KNO₃(aq). Täydellinen ioniyhtälö: 2Ag⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq) + 2K⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2K⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq). K⁺:n ja NO₃⁻:n supistaminen antaa nettoionireaktioyhtälön 2Ag⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s). Varauksen tarkistus: 2(+1) + (−2) = 0 vasemmalla ja 0 oikealla.

Saostuman massan selvittämiseen käytä kahteen desimaaliin pyöristettyjä IUPAC:n standardiatomipainoja: Ag 107.87, Cr 52.00, O 16.00. Ag₂CrO₄:n moolimassa on 2(107.87) + 52.00 + 4(16.00) = 331.74 g/mol. Kromaatin moolit = 0.0180 L × 0.0850 mol/L = 1.53 × 10⁻³ mol, ja nettoionireaktioyhtälö antaa 1 mol Ag₂CrO₄:a jokaista 1 mol CrO₄²⁻:a kohti. Massa = 1.53 × 10⁻³ mol × 331.74 g/mol = 0.508 g. Molemmissa mitatuissa suureissa on kolme merkitsevää numeroa, joten myös vastauksessa on.

Läpikäydyt esimerkit: heikko happo ja metalli liuoksessa

Vesiliuoksessa oleva etikkahappo reagoi vesiliuoksessa olevan natriumhydroksidin kanssa: CH₃COOH(aq) + NaOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l). Etikkahappo on heikko, joten se pysyy molekyylimuodossa, kun taas NaOH ja natriumasetaatti ovat vahvoja elektrolyyttejä. Kun Na⁺ supistuu pois, nettoionireaktioyhtälö on CH₃COOH(aq) + OH⁻(aq) → CH₃COO⁻(aq) + H₂O(l). Vertaa typpihappoa ja kaliumhydroksidia, joissa molemmat lähtöaineet ovat vahvoja ja nettoionireaktioyhtälö typistyy muotoon H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l).

Hopeanitraattiliuokseen pantu nikkelinauha peittyy hopeakiteillä. Nikkelin hapetusluku muuttuu 0:sta +2:een ja hopean +1:stä 0:aan, joten kyseessä on redox-reaktio; nitraatti on sivuioni. Nettoionireaktioyhtälö on Ni(s) + 2Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + 2Ag(s). Kerroin 2 vaaditaan varauksen vuoksi, ei atomien: Ni(s) + Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + Ag(s) tasapainottaa jokaisen alkuaineen, mutta sen kokonaisvaraus on vasemmalla +1 ja oikealla +2.

Yleiset virheet ioniyhtälöissä ja miten ne huomataan

Useimmat virheet johtuvat väärän lajin kirjoittamisesta, eivät laskemisesta. Ennen kuin supistat mitään, kysy, esiintyykö jokainen kaava todella erillisinä ioneina vedessä.

Lue viimeisenä tarkistuksena nettoionireaktioyhtälö fysikaalisena tapahtumana. Kaksi hopeaionia ja yksi kromaatti-ioni muodostamassa kiinteää ainetta on jotakin, mitä voisi katsella; yhtälö, joka vain vaihtaa liuenneita ioneja kumppaneiden kesken, ei kuvaa mitään.

• Heikon hapon jakaminen: HF(aq) pysyy molekyylimuodossa. Vertaa jokaista happoa kuuteen vahvaan happoon.
• Saostuman jakaminen: kaava, jossa on merkintä (s), pysyy kokonaisena, vaikka kiinteä aine on ioninen.
• Moniatomisen ionin hajottaminen: pidä NO₃⁻, SO₄²⁻ ja CrO₄²⁻ ehjinä.
• Alaindeksien sijoittaminen väärin: K₂CrO₄ antaa 2K⁺; K₂⁺-ionia ei ole.
• Elohopea(I):n käsitteleminen muodossa Hg⁺: se esiintyy kaksiatomisena Hg₂²⁺-kationina.
• Kertoimien jättäminen supistamatta, kuten 4Ag⁺ + 2CrO₄²⁻ → 2Ag₂CrO₄.
• Nettoionireaktioyhtälön kirjoittaminen, kun jokainen pari on liukoinen eikä muodostu vettä, heikkoa elektrolyyttiä tai kaasua, eikä mikään hapetu tai pelkisty. Oikea vastaus on ei reaktiota.