Gerðir efnahvarfa, leysnireglur og hreinar jónajöfnur

Þrír drifkraftar á bak við vatnslausnarhvörf

Þegar tveimur lausnum er blandað á sér stað hvarf aðeins ef eitthvað fjarlægir jónir úr lausninni eða flytur rafeindir. Spyrðu þriggja spurninga. Mynda katjón úr annarri lausninni og anjón úr hinni efnasamband með litla leysni? Flytur sýra róteind til basa og myndar vatn eða annan veikan rafvaka? Breytir einhvert atóm oxunartölu sinni þannig að rafeindir færast frá einni tegund til annarrar?

Já við fyrstu spurningunni þýðir botnfallshvarf, já við annarri sýru-basa-hvarf og já við þeirri þriðju redoxhvarf. Hvörf sem mynda gas, eins og HCO₃⁻(aq) + H⁺(aq) → H₂O(l) + CO₂(g), eru yfirleitt flokkuð sem sýru-basa-hvörf því fyrsta skrefið er róteindaflutningur. Bruni og það að einn málmur ryður öðrum úr lausn eru redoxhvörf.

Fjölskyldurnar útiloka ekki hver aðra. Þegar baríumhýdroxíð í vatnslausn hlutleysir brennisteinssýru, Ba(OH)₂(aq) + H₂SO₄(aq) → BaSO₄(s) + 2H₂O(l), myndast vatn og óleysanlegt súlfat fellur út í sama hvarfinu.

Að ákveða hvaða tegundir skal skrifa sem jónir

Hrein jónajafna byggist á því að vita hvaða efni eru til sem aðskildar jónir í vatni. Sterkir rafvakar klofna nánast til fulls í jónir: leysanleg jónasambönd, sterkar sýrur og sterkir basar. Skrifaðu þetta sem jónir þegar þau eru merkt (aq). Allt annað heldur formúlunni sinni: föst efni, vökvar, gös, veikar sýrur, veikir basar og sameindauppleyst efni eins og glúkósi.

Algengu sterku sýrurnar eru HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ og H₂SO₄ (fyrir fyrstu róteind hennar). Farðu með nánast allar aðrar sýrur sem þú hittir í almennri efnafræði, þar á meðal HF, ediksýru (CH₃COOH) og kolsýru, sem veikar og haltu þeim sem sameindum. Sterku basarnir eru hýdroxíð í 1. flokki og þyngri hýdroxíð í 2. flokki. Ammóníak er veikur basi og helst sem NH₃(aq).

Fjölatóma jónir haldast heilar þegar efnasamband klofnar í jónir. Kalíumkrómat í vatnslausn gefur 2K⁺(aq) og CrO₄²⁻(aq), ekki aðskildar kalíum-, króm- og súrefnisjónir.

Leysnireglunum beitt

Leysnireglurnar draga saman mynstur sem hafa sést hjá jónasamböndum í vatni nálægt stofuhita. Leysanlegt merkir að nothæft magn leysist upp; óleysanlegt merkir að leysnin er nógu lítil til að fast efni myndist þegar jónirnar hittast við venjulegan styrk í rannsóknarstofu. Ekkert jónasamband hefur leysni sem er nákvæmlega núll. Listinn hér að neðan byggist á töflu 4.1 í OpenStax Chemistry 2e, kafla 4.2.

Til að spá fyrir um botnfall skaltu telja upp allar jónir sem eru til staðar eftir blöndun og para síðan hverja katjón við hverja anjón sem hún byrjaði ekki með. Ef nýtt par fellur í óleysanlegan flokk fellur það efnasamband út. Ef öll möguleg pör eru leysanleg, eins og þegar lausnum af kalíumnítrati og natríumklóríði er blandað, lifa jónirnar einfaldlega saman og ekkert heildarhvarf verður.

• Efnasambönd katjóna í 1. flokki (Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺) og NH₄⁺ eru leysanleg.
• Nítröt, asetöt, vetniskarbónöt og klórat eru leysanleg.
• Klóríð, brómíð og joðíð eru leysanleg nema þau sem eru með Ag⁺, Hg₂²⁺ og Pb²⁺.
• Flúoríð eru leysanleg nema þau sem eru með Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Pb²⁺ og Fe³⁺.
• Súlföt eru leysanleg nema þau sem eru með Ag⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, Hg₂²⁺, Pb²⁺ og Sr²⁺.
• Karbónöt, krómöt, fosföt og súlfíð eru óleysanleg nema með katjónum í 1. flokki og NH₄⁺.
• Hýdroxíð eru óleysanleg nema með katjónum í 1. flokki og Ba²⁺; Ca(OH)₂ og Sr(OH)₂ eru lítillega leysanleg.

Hrein jónajafna smíðuð skref fyrir skref

Hvert skref hefur ástæðu. Að jafna sameindajöfnuna fyrst tryggir atómafjöldann. Að skipta sterkum rafvökum í jónir sýnir hvað er raunverulega í bikarglasinu. Að stytta út áhorfsjónir fjarlægir tegundir sem birtast óbreyttar báðum megin og taka engan þátt í breytingunni.

Hleðsluathugunin finnur villur sem atómatalning missir af. Hrein jónajafna getur haft heildarhleðslu sem er ekki núll, en sú hleðsla verður að vera sú sama báðum megin, því hleðsla varðveitist eins og atóm.

• Skrifaðu jöfnuðu sameindajöfnuna með ástandstákni við hverja formúlu.
• Endurskrifaðu hvern (aq) sterkan rafvaka sem aðskildar jónir og margfaldaðu bæði með hjástafnum og stuðlinum.
• Strikaðu yfir jónir sem birtast óbreyttar báðum megin. Þetta eru áhorfsjónirnar.
• Styttu stuðlana sem eftir eru í minnstu heiltölur.
• Athugaðu að hvert frumefni og heildarhleðslan séu jöfnuð.

Útreiknað dæmi: silfurkrómat fellt út

Þú blandar 18.0 mL af 0.0850 mol/L kalíumkrómati saman við umfram silfurnítrat í vatnslausn. Nýju pörin eru Ag⁺ með CrO₄²⁻ og K⁺ með NO₃⁻. Silfur er ekki katjón í 1. flokki, svo rauðbrúnt silfurkrómat fellur út; kalíumnítrat helst uppleyst. Sameindajafna: 2AgNO₃(aq) + K₂CrO₄(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2KNO₃(aq). Heil jónajafna: 2Ag⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq) + 2K⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2K⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq). Að stytta út K⁺ og NO₃⁻ gefur hreinu jónajöfnuna 2Ag⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s). Hleðsluathugun: 2(+1) + (−2) = 0 vinstra megin og 0 hægra megin.

Til að finna massa botnfallsins skaltu nota staðlaða atómmassa IUPAC námundaða í tvo aukastafi: Ag 107.87, Cr 52.00, O 16.00. Mólmassi Ag₂CrO₄ er 2(107.87) + 52.00 + 4(16.00) = 331.74 g/mol. Mól af krómati = 0.0180 L × 0.0850 mol/L = 1.53 × 10⁻³ mol, og hreina jónajafnan gefur 1 mol Ag₂CrO₄ fyrir hvert 1 mol CrO₄²⁻. Massi = 1.53 × 10⁻³ mol × 331.74 g/mol = 0.508 g. Báðar mældu stærðirnar hafa þrjá marktæka tölustafi, svo svarið hefur það líka.

Útreiknuð dæmi: veik sýra og málmur í lausn

Ediksýra í vatnslausn hvarfast við natríumhýdroxíð í vatnslausn: CH₃COOH(aq) + NaOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l). Ediksýra er veik, svo hún helst sem sameind, en NaOH og natríumasetat eru sterkir rafvakar. Eftir að Na⁺ styttist út er hrein jónajafna CH₃COOH(aq) + OH⁻(aq) → CH₃COO⁻(aq) + H₂O(l). Berðu þetta saman við saltpéturssýru og kalíumhýdroxíð, þar sem bæði hvarfefnin eru sterk og hrein jónajafna styttist í H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l).

Nikkelræma sett í silfurnítratlausn verður þakin silfurkristöllum. Nikkel fer úr 0 í +2 og silfur úr +1 í 0, svo þetta er redoxhvarf; nítrat er áhorfsjón. Hrein jónajafna er Ni(s) + 2Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + 2Ag(s). Stuðullinn 2 er krafinn af hleðslu, ekki atómum: Ni(s) + Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + Ag(s) jafnar hvert frumefni en hefur heildarhleðsluna +1 vinstra megin og +2 hægra megin.

Algeng mistök í jónajöfnum og hvernig á að finna þau

Flestar villur koma af því að rangar tegundir eru skrifaðar, ekki af reikningi. Áður en þú styttir nokkuð út skaltu spyrja hvort hver formúla sé í raun til sem aðskildar jónir í vatni.

Sem síðustu athugun skaltu lesa hreinu jónajöfnuna sem eðlisfræðilegan atburð. Tvær silfurjónir og ein krómatjón sem mynda fast efni er eitthvað sem þú gætir horft á; jafna sem skiptir aðeins uppleystum jónum á milli samstarfsaðila lýsir engu.

• Að skipta veikri sýru í jónir: HF(aq) helst sem sameind. Berðu hverja sýru saman við sýrurnar sex sem eru sterkar.
• Að skipta botnfalli í jónir: formúla merkt (s) helst heil þótt fasta efnið sé jónískt.
• Að brjóta fjölatóma jón í sundur: haltu NO₃⁻, SO₄²⁻ og CrO₄²⁻ heilum.
• Að setja hjástafi á röngum stað: K₂CrO₄ gefur 2K⁺; engin K₂⁺ jón er til.
• Að líta á kvikasilfur(I) sem Hg⁺: það er til sem tvíatóma katjónin Hg₂²⁺.
• Að skilja stuðla eftir án styttingar, eins og 4Ag⁺ + 2CrO₄²⁻ → 2Ag₂CrO₄.
• Að skrifa hreina jónajöfnu þegar öll pör eru leysanleg og ekkert vatn, enginn veikur rafvaki og ekkert gas myndast og ekkert oxast eða afoxast. Rétta svarið er ekkert hvarf.