რეაქციის ტიპები, ხსნადობის სახელმძღვანელო წესები და წმინდა იონური განტოლებები

სამი მამოძრავებელი ძალა წყალხსნარების რეაქციების უკან

როცა ორი ხსნარი ერევა, რეაქცია მხოლოდ მაშინ ხდება, თუ რაღაც იონებს ხსნარიდან ამოიღებს ან ელექტრონებს გადაადგილებს. დასვით სამი კითხვა. ქმნის თუ არა ერთი ხსნარის კატიონი და მეორის ანიონი დაბალი ხსნადობის ნაერთს? გადასცემს თუ არა მჟავა პროტონს ფუძეს და ქმნის თუ არა წყალს ან სხვა სუსტ ელექტროლიტს? იცვლის თუ არა რომელიმე ატომი ჟანგვის რიცხვს, რის გამოც ელექტრონები ერთი სახეობიდან მეორეზე გადადის?

პირველ კითხვაზე დადებითი პასუხი ნიშნავს ნალექწარმოქმნის რეაქციას, მეორეზე მჟავა–ფუძის რეაქციას, მესამეზე კი რედოქს რეაქციას. აირის წარმომქმნელი რეაქციები, როგორიცაა HCO₃⁻(aq) + H⁺(aq) → H₂O(l) + CO₂(g), ჩვეულებრივ მჟავა–ფუძის რეაქციებად ითვლება, რადგან პირველი ნაბიჯი პროტონის გადატანაა. წვა და ერთი ლითონის მეორით განდევნა რედოქს რეაქციებია.

ოჯახები ურთიერთგამომრიცხავი არ არის. როცა წყალხსნარი ბარიუმის ჰიდროქსიდი გოგირდმჟავას ანეიტრალებს, Ba(OH)₂(aq) + H₂SO₄(aq) → BaSO₄(s) + 2H₂O(l), წყალი წარმოიქმნება და უხსნადი სულფატი ერთსა და იმავე რეაქციაში გამოილექება.

იმის გადაწყვეტა, რომელი სახეობები ჩავწეროთ იონებად

წმინდა იონური განტოლება იმის ცოდნაზეა დამოკიდებული, რომელი ნივთიერებები არსებობს წყალში განცალკევებული იონების სახით. ძლიერი ელექტროლიტები არსებითად სრულად დისოცირდება: ხსნადი იონური ნაერთები, ძლიერი მჟავები და ძლიერი ფუძეები. ჩაწერეთ ისინი იონებად, როცა (aq)-ით არის აღნიშნული. ყველაფერი დანარჩენი თავის ფორმულას ინარჩუნებს: მყარი ნივთიერებები, სითხეები, აირები, სუსტი მჟავები, სუსტი ფუძეები და მოლეკულური გახსნილი ნივთიერებები, როგორიცაა გლუკოზა.

გავრცელებული ძლიერი მჟავებია HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ და H₂SO₄ (პირველი პროტონისთვის). ზოგად ქიმიაში შემხვედრი თითქმის ყველა სხვა მჟავა, HF-ის, ძმარმჟავასა (CH₃COOH) და ნახშირმჟავას ჩათვლით, სუსტად ჩათვალეთ და მოლეკულის სახით დატოვეთ. ძლიერი ფუძეებია პირველი ჯგუფის ჰიდროქსიდები და მეორე ჯგუფის უფრო მძიმე ჰიდროქსიდები. ამიაკი სუსტი ფუძეა და რჩება როგორც NH₃(aq).

მრავალატომიანი იონები ხელუხლებელი რჩება, როცა ნაერთი დისოცირდება. წყალხსნარი კალიუმის ქრომატი იძლევა 2K⁺(aq)-ს და CrO₄²⁻(aq)-ს და არა ცალკეულ კალიუმის, ქრომისა და ჟანგბადის იონებს.

ხსნადობის სახელმძღვანელო წესების გამოყენება

ხსნადობის სახელმძღვანელო წესები აჯამებს ოთახის ტემპერატურასთან ახლოს წყალში იონური ნაერთების დაკვირვებულ კანონზომიერებებს. ხსნადი ნიშნავს, რომ სასარგებლო რაოდენობა იხსნება; უხსნადი ნიშნავს, რომ ხსნადობა იმდენად დაბალია, რომ მყარი ნივთიერება წარმოიქმნება, როცა იონები ჩვეულებრივი ლაბორატორიული კონცენტრაციებით ხვდება ერთმანეთს. არც ერთ იონურ ნაერთს ზუსტად ნულოვანი ხსნადობა არ აქვს. ქვემოთ მოცემული სია OpenStax Chemistry 2e-ის ცხრილ 4.1-ს, ნაწილი 4.2, ეყრდნობა.

ნალექის წინასწარმეტყველებისთვის ჩამოწერეთ ყველა იონი, რომელიც შერევის შემდეგ არსებობს, შემდეგ თითოეული კატიონი დააწყვილეთ ყველა ანიონთან, რომელთანაც ის თავიდან არ ყოფილა. თუ რომელიმე ახალი წყვილი უხსნად კატეგორიაში მოხვდება, ეს ნაერთი გამოილექება. თუ ყველა შესაძლო წყვილი ხსნადია, როგორც კალიუმის ნიტრატისა და ნატრიუმის ქლორიდის ხსნარების შერევისას, იონები უბრალოდ თანაარსებობს და წმინდა რეაქცია არ არის.

• პირველი ჯგუფის კატიონების (Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺) და NH₄⁺-ის ნაერთები ხსნადია.
• ნიტრატები, აცეტატები, ჰიდროკარბონატები და ქლორატები ხსნადია.
• ქლორიდები, ბრომიდები და იოდიდები ხსნადია, გარდა Ag⁺-ის, Hg₂²⁺-ისა და Pb²⁺-ის ნაერთებისა.
• ფტორიდები ხსნადია, გარდა Mg²⁺-ის, Ca²⁺-ის, Sr²⁺-ის, Ba²⁺-ის, Pb²⁺-ისა და Fe³⁺-ის ნაერთებისა.
• სულფატები ხსნადია, გარდა Ag⁺-ის, Ba²⁺-ის, Ca²⁺-ის, Hg₂²⁺-ის, Pb²⁺-ისა და Sr²⁺-ის ნაერთებისა.
• კარბონატები, ქრომატები, ფოსფატები და სულფიდები უხსნადია, გარდა პირველი ჯგუფის კატიონებთან და NH₄⁺-თან წარმოქმნილებისა.
• ჰიდროქსიდები უხსნადია, გარდა პირველი ჯგუფის კატიონებთან და Ba²⁺-თან წარმოქმნილებისა; Ca(OH)₂ და Sr(OH)₂ ოდნავ ხსნადია.

წმინდა იონური განტოლების ეტაპობრივი აგება

თითოეულ ნაბიჯს მიზეზი აქვს. მოლეკულური განტოლების წინასწარ გატოლება ატომების რაოდენობას გარანტირებულად ათანაბრებს. ძლიერი ელექტროლიტების დაშლა გვიჩვენებს, რა არის ნამდვილად ჭიქაში. მაყურებელი იონების გადახაზვა შლის სახეობებს, რომლებიც ორივე მხარეს უცვლელად ჩანს და ცვლილებაში მონაწილეობას არ იღებს.

მუხტის შემოწმება აჩენს შეცდომებს, რომლებსაც ატომების დათვლა ვერ ამჩნევს. წმინდა იონურ განტოლებას შეიძლება არანულოვანი ჯამური მუხტი ჰქონდეს, მაგრამ ეს მუხტი ორივე მხარეს ერთნაირი უნდა იყოს, რადგან მუხტი ისევე შენახვადია, როგორც ატომები.

• დაწერეთ გატოლებული მოლეკულური განტოლება აგრეგატული მდგომარეობის ნიშნით ყოველ ფორმულაზე.
• ყოველი (aq) ძლიერი ელექტროლიტი გადაწერეთ განცალკევებულ იონებად, ინდექსზეც და კოეფიციენტზეც გამრავლებით.
• გადახაზეთ იონები, რომლებიც ორივე მხარეს უცვლელად ჩანს. ესენი მაყურებელი იონებია.
• დარჩენილი კოეფიციენტები დაიყვანეთ უმცირეს მთელ რიცხვებამდე.
• შეამოწმეთ, რომ თითოეული ელემენტი და ჯამური მუხტი გატოლებულია.

გადაწყვეტილი მაგალითი: ვერცხლის ქრომატის გამოლექვა

ურევთ 18.0 mL 0.0850 mol/L კალიუმის ქრომატს წყალხსნარი ვერცხლის ნიტრატის სიჭარბესთან. ახალი წყვილებია Ag⁺ CrO₄²⁻-თან და K⁺ NO₃⁻-თან. ვერცხლი პირველი ჯგუფის კატიონი არ არის, ამიტომ წითელ-ყავისფერი ვერცხლის ქრომატი გამოილექება; კალიუმის ნიტრატი გახსნილი რჩება. მოლეკულური განტოლება: 2AgNO₃(aq) + K₂CrO₄(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2KNO₃(aq). სრული იონური განტოლება: 2Ag⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq) + 2K⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2K⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq). K⁺-ისა და NO₃⁻-ის გადახაზვა გვაძლევს წმინდა იონურ განტოლებას 2Ag⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s). მუხტის შემოწმება: 2(+1) + (−2) = 0 მარცხნივ და 0 მარჯვნივ.

ნალექის მასის საპოვნელად გამოიყენეთ IUPAC-ის სტანდარტული ატომური მასები, ორ ათობით თანრიგამდე დამრგვალებული: Ag 107.87, Cr 52.00, O 16.00. Ag₂CrO₄-ის მოლური მასაა 2(107.87) + 52.00 + 4(16.00) = 331.74 g/mol. ქრომატის მოლები = 0.0180 L × 0.0850 mol/L = 1.53 × 10⁻³ mol, ხოლო წმინდა იონური განტოლება 1 mol Ag₂CrO₄-ს იძლევა 1 mol CrO₄²⁻-ზე. მასა = 1.53 × 10⁻³ mol × 331.74 g/mol = 0.508 g. ორივე გაზომილ სიდიდეს სამი მნიშვნელოვანი ციფრი აქვს, ამიტომ პასუხსაც.

გადაწყვეტილი მაგალითები: სუსტი მჟავა და ლითონი ხსნარში

წყალხსნარი ძმარმჟავა წყალხსნარ ნატრიუმის ჰიდროქსიდთან რეაგირებს: CH₃COOH(aq) + NaOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l). ძმარმჟავა სუსტია, ამიტომ მოლეკულურად რჩება, ხოლო NaOH და ნატრიუმის აცეტატი ძლიერი ელექტროლიტებია. Na⁺-ის გადახაზვის შემდეგ წმინდა იონური განტოლებაა CH₃COOH(aq) + OH⁻(aq) → CH₃COO⁻(aq) + H₂O(l). შეადარეთ აზოტმჟავა კალიუმის ჰიდროქსიდთან, სადაც ორივე რეაგენტი ძლიერია და წმინდა იონური განტოლება H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l)-მდე მცირდება.

ვერცხლის ნიტრატის ხსნარში მოთავსებული ნიკელის ზოლი ვერცხლის კრისტალებით იფარება. ნიკელი 0-დან +2-მდე მიდის, ვერცხლი კი +1-დან 0-მდე, ამიტომ ეს რედოქსია; ნიტრატი მაყურებელია. წმინდა იონური განტოლებაა Ni(s) + 2Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + 2Ag(s). კოეფიციენტი 2 მუხტის გამო არის საჭირო და არა ატომების: Ni(s) + Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + Ag(s) ყველა ელემენტს ათანაბრებს, მაგრამ ჯამური მუხტი მარცხნივ +1-ია, მარჯვნივ კი +2.

გავრცელებული შეცდომები იონურ განტოლებებში და მათი შემჩნევა

შეცდომების უმეტესობა არასწორი სახეობის ჩაწერიდან მოდის და არა არითმეტიკიდან. რამეს გადახაზვამდე იკითხეთ, ნამდვილად არსებობს თუ არა თითოეული ფორმულა წყალში განცალკევებული იონების სახით.

ბოლო შემოწმებისთვის წაიკითხეთ წმინდა იონური განტოლება როგორც ფიზიკური მოვლენა. ორი ვერცხლის იონი და ერთი ქრომატის იონი, რომლებიც მყარ ნივთიერებას ქმნიან, ისეთია, რასაც დააკვირდებოდით; განტოლება, რომელიც მხოლოდ გახსნილ იონებს ცვლის პარტნიორებს შორის, არაფერს აღწერს.

• სუსტი მჟავის დაშლა: HF(aq) მოლეკულურად რჩება. ნებისმიერი მჟავა შეადარეთ ექვს ძლიერ მჟავას.
• ნალექის დაშლა: ფორმულა, რომელიც (s)-ით არის აღნიშნული, მთლიანი რჩება, თუმცა მყარი ნივთიერება იონურია.
• მრავალატომიანი იონის დაშლა: NO₃⁻, SO₄²⁻ და CrO₄²⁻ ხელუხლებელი დატოვეთ.
• ინდექსების არასწორ ადგილზე დაყენება: K₂CrO₄ იძლევა 2K⁺-ს; K₂⁺ იონი არ არსებობს.
• ვერცხლისწყლის(I) Hg⁺-ად მიჩნევა: ის არსებობს ორატომიანი Hg₂²⁺ კატიონის სახით.
• კოეფიციენტების დაუყვანელად დატოვება, მაგალითად 4Ag⁺ + 2CrO₄²⁻ → 2Ag₂CrO₄.
• წმინდა იონური განტოლების დაწერა, როცა ყველა წყვილი ხსნადია, არ წარმოიქმნება წყალი, სუსტი ელექტროლიტი ან აირი, და არაფერი იჟანგება ან აღდგება. სწორი პასუხია რეაქცია არ არის.