反応の種類、溶解性の指針、正味のイオン反応式

水溶液中の反応を起こす3つの駆動力

2つの溶液を混ぜたとき、反応が起こるのは、何かがイオンを溶液から取り除くか、電子を移動させる場合だけです。次の3つの問いを立てます。一方の溶液の陽イオンと、もう一方の陰イオンが、溶解度の低い化合物をつくるか。酸が塩基にプロトンを渡して、水やその他の弱電解質ができるか。酸化数が変化する原子があり、ある化学種から別の化学種へ電子が渡されるか。

最初の問いに「はい」なら沈殿反応、2番目なら酸塩基反応、3番目なら酸化還元反応です。HCO₃⁻(aq) + H⁺(aq) → H₂O(l) + CO₂(g) のような気体を生成する反応は、最初の段階がプロトン移動なので、通常は酸塩基反応に分類します。燃焼や、ある金属による別の金属の置換は、酸化還元反応です。

これらの系統は排他的ではありません。水酸化バリウム水溶液が硫酸を中和すると、Ba(OH)₂(aq) + H₂SO₄(aq) → BaSO₄(s) + 2H₂O(l) のように、同じ反応で水ができ、不溶性の硫酸塩が沈殿します。

どの化学種をイオンとして書くかの判断

正味のイオン反応式は、どの物質が水中で分離したイオンとして存在するかを知っているかどうかにかかっています。強電解質は、本質的に完全に解離します。可溶性のイオン性化合物、強酸、強塩基です。これらが (aq) と表示されている場合は、イオンとして書きます。それ以外のものは化学式のままにします。固体、液体、気体、弱酸、弱塩基、グルコースのような分子性の溶質です。

一般的な強酸は HCl、HBr、HI、HNO₃、HClO₄、H₂SO₄(最初のプロトンについて)です。HF、酢酸 (CH₃COOH)、炭酸など、一般化学で出会うほかのほとんどの酸は弱酸として扱い、分子のままにします。強塩基は、第1族の水酸化物と、より重い第2族の水酸化物です。アンモニアは弱塩基で、NH₃(aq) のままです。

多原子イオンは、化合物が解離してもそのまま残ります。クロム酸カリウム水溶液からは、2K⁺(aq) と CrO₄²⁻(aq) が生じ、カリウム、クロム、酸素の別々のイオンにはなりません。

溶解性の指針の使い方

溶解性の指針は、室温付近の水中でのイオン性化合物について観察されたパターンをまとめたものです。可溶とは役に立つ量が溶けることを、不溶とは、ふつうの実験室の濃度でイオンが出会ったときに固体ができるほど溶解度が低いことを意味します。溶解度がちょうどゼロのイオン性化合物はありません。以下のリストは、OpenStax Chemistry 2e の4.2節の表4.1に基づいています。

沈殿を予測するには、混合後に存在するすべてのイオンを列挙し、各陽イオンを、もともと組になっていなかった各陰イオンと組み合わせます。新しい組み合わせのどれかが不溶性の区分に入れば、その化合物が沈殿します。硝酸カリウムと塩化ナトリウムの溶液を混ぜる場合のように、可能な組み合わせがすべて可溶なら、イオンは単に共存するだけで、正味の反応はありません。

• 第1族の陽イオン(Li⁺、Na⁺、K⁺、Rb⁺、Cs⁺)と NH₄⁺ の化合物は可溶です。
• 硝酸塩、酢酸塩、炭酸水素塩、塩素酸塩は可溶です。
• 塩化物、臭化物、ヨウ化物は、Ag⁺、Hg₂²⁺、Pb²⁺ のものを除いて可溶です。
• フッ化物は、Mg²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺、Pb²⁺、Fe³⁺ のものを除いて可溶です。
• 硫酸塩は、Ag⁺、Ba²⁺、Ca²⁺、Hg₂²⁺、Pb²⁺、Sr²⁺ のものを除いて可溶です。
• 炭酸塩、クロム酸塩、リン酸塩、硫化物は、第1族の陽イオンと NH₄⁺ のものを除いて不溶です。
• 水酸化物は、第1族の陽イオンと Ba²⁺ のものを除いて不溶です。Ca(OH)₂ と Sr(OH)₂ はわずかに溶けます。

正味のイオン反応式を順を追って組み立てる

各段階には理由があります。先に分子式の反応式の係数を合わせておけば、原子の数が保証されます。強電解質を分けて書くと、ビーカーの中に実際に何が存在するかがわかります。傍観イオンを消すと、両辺で変化せずに現れ、変化に関わらない化学種が取り除かれます。

電荷の確認では、原子の数の確認では見つからない誤りに気づけます。正味のイオン反応式の全体の電荷はゼロでなくてもかまいませんが、原子と同じように電荷も保存されるので、両辺で同じでなければなりません。

• すべての化学式に状態の記号をつけた、釣り合った分子式の反応式を書く。
• (aq) の強電解質を、添字と係数の両方を掛けて、別々のイオンに書き直す。
• 両辺で変化せずに現れるイオンを消す。これらが傍観イオンです。
• 残った係数を最小の整数に約分する。
• 各元素と全体の電荷が釣り合っているかを確認する。

例題:クロム酸銀の沈殿

0.0850 mol/L のクロム酸カリウム 18.0 mL を、過剰の硝酸銀水溶液と混ぜます。新しい組み合わせは、Ag⁺ と CrO₄²⁻、および K⁺ と NO₃⁻ です。銀は第1族の陽イオンではないので、赤褐色のクロム酸銀が沈殿し、硝酸カリウムは溶けたままです。分子式の反応式:2AgNO₃(aq) + K₂CrO₄(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2KNO₃(aq)。完全なイオン反応式:2Ag⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq) + 2K⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2K⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq)。K⁺ と NO₃⁻ を消すと、正味のイオン反応式 2Ag⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s) になります。電荷の確認:左辺は 2(+1) + (−2) = 0、右辺は 0 です。

沈殿の質量を求めるには、小数第2位に丸めた IUPAC の標準原子量(Ag 107.87、Cr 52.00、O 16.00)を使います。Ag₂CrO₄ のモル質量は 2(107.87) + 52.00 + 4(16.00) = 331.74 g/mol です。クロム酸イオンの物質量 = 0.0180 L × 0.0850 mol/L = 1.53 × 10⁻³ mol で、正味のイオン反応式から、CrO₄²⁻ 1 mol あたり Ag₂CrO₄ 1 mol が得られます。質量 = 1.53 × 10⁻³ mol × 331.74 g/mol = 0.508 g。測定した2つの量の有効数字がどちらも3桁なので、答えも3桁です。

例題:弱酸と、溶液中の金属

酢酸水溶液は水酸化ナトリウム水溶液と反応します。CH₃COOH(aq) + NaOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l)。酢酸は弱酸なので分子のままで、NaOH と酢酸ナトリウムは強電解質です。Na⁺ を消すと、正味のイオン反応式は CH₃COOH(aq) + OH⁻(aq) → CH₃COO⁻(aq) + H₂O(l) になります。硝酸と水酸化カリウムの場合と比べてみましょう。どちらの反応物も強電解質で、正味のイオン反応式は H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l) に縮まります。

硝酸銀溶液にニッケルの薄片を入れると、銀の結晶で覆われます。ニッケルは 0 から +2 に、銀は +1 から 0 に変わるので、これは酸化還元反応で、硝酸イオンは傍観イオンです。正味のイオン反応式は Ni(s) + 2Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + 2Ag(s) です。係数2は、原子ではなく電荷によって必要になります。Ni(s) + Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + Ag(s) はすべての元素が釣り合いますが、全体の電荷が左辺で +1、右辺で +2 になります。

イオン反応式でのよくある間違いと、その見つけ方

誤りの大半は、計算ではなく、書く化学種を誤ることから生じます。何かを消す前に、各化学式が本当に水中で別々のイオンとして存在するのかを自問してください。

最後の確認として、正味のイオン反応式を物理的な出来事として読みます。銀イオン2個とクロム酸イオン1個が固体をつくるのは、目で見ることができる現象です。溶けているイオンの組み合わせを入れ替えるだけの反応式は、何も記述していません。

• 弱酸を分けて書く。HF(aq) は分子のままです。どの酸も、6つの強酸と照らし合わせます。
• 沈殿を分けて書く。(s) と表示された化学式は、固体がイオン性であっても分けません。
• 多原子イオンをばらばらにする。NO₃⁻、SO₄²⁻、CrO₄²⁻ はそのままにします。
• 添字の位置を誤る。K₂CrO₄ からは 2K⁺ が生じます。K₂⁺ というイオンはありません。
• 水銀(I)を Hg⁺ として扱う。二原子の Hg₂²⁺ 陽イオンとして存在します。
• 4Ag⁺ + 2CrO₄²⁻ → 2Ag₂CrO₄ のように、係数を約分しないまま残す。
• すべての組み合わせが可溶で、水、弱電解質、気体が生成せず、酸化も還元も起こらないのに、正味のイオン反応式を書く。正しい答えは「反応なし」です。