סוגי תגובות, הנחיות מסיסות ומשוואות יוניות נטו

שלושה כוחות מניעים מאחורי תגובות מימיות

כששתי תמיסות מעורבבות, תגובה מתרחשת רק אם משהו מסיר יונים מהתמיסה או מעביר אלקטרונים. שאלו שלוש שאלות. האם קטיון מתמיסה אחת ואניון מהאחרת יוצרים תרכובת בעלת מסיסות נמוכה? האם חומצה מעבירה פרוטון לבסיס ויוצרת מים או אלקטרוליט חלש אחר? האם יש אטומים ששינו את מספר החמצון שלהם, כך שאלקטרונים עוברים ממין אחד למשנהו?

כן לשאלה הראשונה פירושו תגובת שיקוע, כן לשנייה פירושו תגובת חומצה-בסיס, וכן לשלישית פירושו תגובת חמצון-חיזור. תגובות היוצרות גז, כמו HCO₃⁻(aq) + H⁺(aq) → H₂O(l) + CO₂(g), מסווגות בדרך כלל כחומצה-בסיס כי השלב הראשון הוא העברת פרוטון. בעירה ודחיקה של מתכת אחת על ידי אחרת הן תגובות חמצון-חיזור.

המשפחות אינן בלעדיות. כשבריום הידרוקסיד מימי מנטרל חומצה גופרתית, Ba(OH)₂(aq) + H₂SO₄(aq) → BaSO₄(s) + 2H₂O(l), נוצרים מים ובו בזמן משקע סולפט בלתי מסיס באותה תגובה.

החלטה אילו מינים לכתוב כיונים

משוואה יונית נטו תלויה בידיעה אילו חומרים קיימים כיונים נפרדים במים. אלקטרוליטים חזקים מתפרקים כמעט לחלוטין: תרכובות יוניות מסיסות, חומצות חזקות ובסיסים חזקים. כתבו אותם כיונים כשהם מסומנים (aq). כל השאר שומרים על הנוסחה שלהם: מוצקים, נוזלים, גזים, חומצות חלשות, בסיסים חלשים ומומסים מולקולריים כמו גלוקוז.

החומצות החזקות הנפוצות הן HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ ו-H₂SO₄ (עבור הפרוטון הראשון שלה). התייחסו כמעט לכל חומצה אחרת שתפגשו בכימיה כללית, כולל HF, חומצה אצטית (CH₃COOH) וחומצה פחמתית, כאל חלשה, ושמרו אותה כמולקולה. הבסיסים החזקים הם הידרוקסידים של קבוצה 1 והידרוקסידים של קבוצה 2 הכבדים יותר. אמוניה היא בסיס חלש ונשארת כ-NH₃(aq).

יונים רב-אטומיים נשארים שלמים כשתרכובת מתפרקת. אשלגן כרומט מימי נותן 2K⁺(aq) ו-CrO₄²⁻(aq), ולא יוני אשלגן, כרום וחמצן נפרדים.

יישום הנחיות המסיסות

הנחיות המסיסות מסכמות דפוסים שנצפו בתרכובות יוניות במים בקרבת טמפרטורת החדר. מסיס פירושו שכמות שימושית מתמוססת; בלתי מסיס פירושו שהמסיסות נמוכה מספיק כדי שמוצק נוצר כשהיונים נפגשים בריכוזי מעבדה רגילים. לאף תרכובת יונית אין מסיסות של אפס בדיוק. הרשימה שלהלן מבוססת על טבלה 4.1 ב-OpenStax Chemistry 2e, סעיף 4.2.

כדי לנבא משקע, רשמו כל יון שנמצא אחרי הערבוב, ואז צמדו כל קטיון עם כל אניון שלא התחיל איתו. אם צימוד חדש כלשהו נופל בקטגוריה בלתי מסיסה, התרכובת הזו משקיעה. אם כל צימוד אפשרי מסיס, כמו בעירוב תמיסות של אשלגן חנקתי ונתרן כלורי, היונים פשוט מתקיימים יחד ואין תגובה נטו.

• תרכובות של קטיונים מקבוצה 1 (Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺) ושל NH₄⁺ מסיסות.
• חנקות, אצטטים, מימן פחמתיים וכלורטים מסיסים.
• כלורידים, ברומידים ויודידים מסיסים, חוץ מאלה של Ag⁺, Hg₂²⁺ ו-Pb²⁺.
• פלואורידים מסיסים, חוץ מאלה של Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Pb²⁺ ו-Fe³⁺.
• סולפטים מסיסים, חוץ מאלה של Ag⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, Hg₂²⁺, Pb²⁺ ו-Sr²⁺.
• פחמתות, כרומטים, פוספטים וסולפידים אינם מסיסים, חוץ מאלה עם קטיונים מקבוצה 1 ו-NH₄⁺.
• הידרוקסידים אינם מסיסים, חוץ מאלה עם קטיונים מקבוצה 1 ו-Ba²⁺; Ca(OH)₂ ו-Sr(OH)₂ מסיסים במעט.

בניית המשוואה היונית נטו שלב אחר שלב

לכל שלב יש סיבה. איזון המשוואה המולקולרית קודם מבטיח את ספירת האטומים. פיצול אלקטרוליטים חזקים מראה מה באמת נמצא בכוס. צמצום יונים צופים מסיר מינים שמופיעים ללא שינוי בשני הצדדים ואינם משתתפים בשינוי.

בדיקת המטען תופסת שגיאות שספירת אטומים מפספסת. משוואה יונית נטו יכולה לשאת מטען כולל שאינו אפס, אבל המטען הזה חייב להיות זהה בשני הצדדים, כי מטען נשמר בדיוק כמו אטומים.

• כתבו את המשוואה המולקולרית המאוזנת עם סמל מצב על כל נוסחה.
• כתבו מחדש כל אלקטרוליט חזק (aq) כיונים נפרדים, תוך הכפלה גם בתחתית וגם במקדם.
• מחקו יונים שמופיעים ללא שינוי בשני הצדדים. אלה היונים הצופים.
• צמצמו את המקדמים שנותרו למספרים השלמים הקטנים ביותר.
• בדקו שכל יסוד והמטען הכולל מאוזנים.

דוגמה פתורה: שיקוע כסף כרומט

אתם מערבבים 18.0 mL של אשלגן כרומט 0.0850 mol/L עם עודף כסף חנקתי מימי. הצימודים החדשים הם Ag⁺ עם CrO₄²⁻ ו-K⁺ עם NO₃⁻. כסף אינו קטיון מקבוצה 1, ולכן כסף כרומט אדום-חום משקיע; אשלגן חנקתי נשאר מומס. משוואה מולקולרית: 2AgNO₃(aq) + K₂CrO₄(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2KNO₃(aq). משוואה יונית מלאה: 2Ag⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq) + 2K⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2K⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq). צמצום K⁺ ו-NO₃⁻ נותן את המשוואה היונית נטו 2Ag⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s). בדיקת מטען: 2(+1) + (−2) = 0 בצד שמאל, ו-0 בצד ימין.

כדי למצוא את מסת המשקע, השתמשו במשקלים אטומיים סטנדרטיים של IUPAC מעוגלים לשני מקומות עשרוניים: Ag 107.87, Cr 52.00, O 16.00. המסה המולרית של Ag₂CrO₄ היא 2(107.87) + 52.00 + 4(16.00) = 331.74 g/mol. מולים של כרומט = 0.0180 L × 0.0850 mol/L = 1.53 × 10⁻³ mol, והמשוואה היונית נטו נותנת 1 mol Ag₂CrO₄ לכל 1 mol CrO₄²⁻. מסה = 1.53 × 10⁻³ mol × 331.74 g/mol = 0.508 g. לשתי הכמויות שנמדדו יש שלוש ספרות משמעותיות, ולכן גם לתשובה.

דוגמאות פתורות: חומצה חלשה ומתכת בתמיסה

חומצה אצטית מימית מגיבה עם נתרן הידרוקסיד מימי: CH₃COOH(aq) + NaOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l). חומצה אצטית חלשה, ולכן היא נשארת מולקולרית, ואילו NaOH ונתרן אצטט הם אלקטרוליטים חזקים. אחרי ש-Na⁺ מצטמצם, המשוואה היונית נטו היא CH₃COOH(aq) + OH⁻(aq) → CH₃COO⁻(aq) + H₂O(l). השוו זאת לחומצה חנקתית עם אשלגן הידרוקסיד, שבה שני המגיבים חזקים והמשוואה היונית נטו מצטמצמת ל-H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l).

רצועת ניקל שהונחה בתמיסת כסף חנקתי מתכסה בגבישי כסף. ניקל עובר מ-0 ל-2+ וכסף מ-1+ ל-0, ולכן זו תגובת חמצון-חיזור; חנקתי הוא יון צופה. המשוואה היונית נטו היא Ni(s) + 2Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + 2Ag(s). המקדם 2 נדרש בגלל המטען, לא בגלל האטומים: Ni(s) + Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + Ag(s) מאוזנת בכל יסוד אך בעלת מטען כולל של 1+ בצד שמאל ו-2+ בצד ימין.

טעויות נפוצות במשוואות יוניות ואיך לתפוס אותן

רוב השגיאות נובעות מכתיבת המין הלא נכון, לא מחשבון. לפני שמצמצמים משהו, שאלו אם כל נוסחה באמת קיימת כיונים נפרדים במים.

כבדיקה אחרונה, קראו את המשוואה היונית נטו כאירוע פיזיקלי. שני יוני כסף ויון כרומט אחד שיוצרים מוצק הם משהו שאפשר לצפות בו; משוואה שרק מחליפה יונים מומסים בין בני זוג אינה מתארת דבר.

• פיצול חומצה חלשה: HF(aq) נשארת מולקולרית. השוו כל חומצה לשש החומצות החזקות.
• פיצול משקע: נוסחה שמסומנת (s) נשארת שלמה אף על פי שהמוצק יוני.
• פירוק יון רב-אטומי: שמרו על NO₃⁻, SO₄²⁻ ו-CrO₄²⁻ שלמים.
• מיקום שגוי של תחתיות: K₂CrO₄ נותן 2K⁺; אין יון K₂⁺.
• התייחסות לכספית(I) כאל Hg⁺: היא קיימת כקטיון הדו-אטומי Hg₂²⁺.
• השארת מקדמים ללא צמצום, כמו 4Ag⁺ + 2CrO₄²⁻ → 2Ag₂CrO₄.
• כתיבת משוואה יונית נטו כשכל הצימודים מסיסים ולא נוצרים מים, אלקטרוליט חלש או גז, ושום דבר אינו עובר חמצון או חיזור. התשובה הנכונה היא שאין תגובה.