반응 유형, 용해도 지침, 알짜 이온 반응식

수용액 반응의 세 가지 추진력

두 용액을 섞었을 때 반응은 무언가가 용액에서 이온을 없애거나 전자를 옮길 때만 일어납니다. 세 가지 질문을 해 보십시오. 한 용액의 양이온과 다른 용액의 음이온이 용해도가 낮은 화합물을 만드는가? 산이 염기에 양성자를 전달해 물이나 다른 약전해질을 만드는가? 어떤 원자의 산화수가 변해서 한 화학종에서 다른 화학종으로 전자가 이동하는가?

첫 번째 질문이 맞으면 침전 반응, 두 번째가 맞으면 산-염기 반응, 세 번째가 맞으면 산화·환원 반응입니다. HCO₃⁻(aq) + H⁺(aq) → H₂O(l) + CO₂(g) 같은 기체 생성 반응은 첫 단계가 양성자 이동이므로 대개 산-염기 반응으로 분류합니다. 연소와 한 금속이 다른 금속을 치환하는 반응은 산화·환원 반응입니다.

이 족들은 서로 배타적이지 않습니다. 수산화 바륨 수용액이 황산을 중화하는 Ba(OH)₂(aq) + H₂SO₄(aq) → BaSO₄(s) + 2H₂O(l)에서는 물이 생기는 동시에 녹지 않는 황산염이 한 반응에서 침전합니다.

어떤 화학종을 이온으로 쓸지 정하기

알짜 이온 반응식은 어떤 물질이 물에서 떨어진 이온으로 존재하는지 아는 데 달려 있습니다. 강전해질은 사실상 완전히 해리됩니다. 녹는 이온 화합물, 강산, 강염기가 이에 해당합니다. 이런 것은 (aq)로 표시되어 있으면 이온으로 씁니다. 나머지는 모두 화학식을 그대로 둡니다. 고체, 액체, 기체, 약산, 약염기, 그리고 포도당 같은 분자성 용질이 그렇습니다.

흔한 강산은 HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄, H₂SO₄(첫 번째 양성자에 한해)입니다. HF, 아세트산(CH₃COOH), 탄산을 비롯해 일반화학에서 만나는 거의 모든 다른 산은 약산으로 보고 분자로 둡니다. 강염기는 1족 수산화물과 더 무거운 2족 수산화물입니다. 암모니아는 약염기이므로 NH₃(aq)로 남습니다.

다원자 이온은 화합물이 해리될 때 그대로 유지됩니다. 크로뮴산 칼륨 수용액은 2K⁺(aq)와 CrO₄²⁻(aq)를 내며, 칼륨, 크로뮴, 산소 이온으로 따로따로 나뉘지 않습니다.

용해도 지침 적용하기

용해도 지침은 실온 부근의 물에서 이온 화합물이 보이는 관찰된 양상을 요약한 것입니다. 녹는다는 것은 쓸 만한 양이 녹는다는 뜻이고, 녹지 않는다는 것은 일반적인 실험실 농도에서 이온이 만났을 때 고체가 생길 만큼 용해도가 낮다는 뜻입니다. 용해도가 정확히 0인 이온 화합물은 없습니다. 아래 목록은 OpenStax Chemistry 2e 4.2절의 표 4.1을 바탕으로 합니다.

침전물을 예측하려면 섞은 뒤 존재하는 모든 이온을 나열하고, 각 양이온을 원래 짝이 아니었던 각 음이온과 짝지으십시오. 새 짝 가운데 하나라도 녹지 않는 범주에 속하면 그 화합물이 침전합니다. 질산 칼륨과 염화 나트륨 용액을 섞을 때처럼 가능한 모든 짝이 녹는다면 이온들이 그냥 공존하며 알짜 반응은 없습니다.

• 1족 양이온(Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺)과 NH₄⁺의 화합물은 녹습니다.
• 질산염, 아세트산염, 탄산 수소염, 염소산염은 녹습니다.
• 염화물, 브로민화물, 아이오딘화물은 Ag⁺, Hg₂²⁺, Pb²⁺의 것을 제외하고 녹습니다.
• 플루오린화물은 Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Pb²⁺, Fe³⁺의 것을 제외하고 녹습니다.
• 황산염은 Ag⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, Hg₂²⁺, Pb²⁺, Sr²⁺의 것을 제외하고 녹습니다.
• 탄산염, 크로뮴산염, 인산염, 황화물은 1족 양이온 및 NH₄⁺와의 화합물을 제외하고 녹지 않습니다.
• 수산화물은 1족 양이온 및 Ba²⁺와의 화합물을 제외하고 녹지 않으며, Ca(OH)₂와 Sr(OH)₂는 약간 녹습니다.

알짜 이온 반응식을 단계별로 만들기

각 단계에는 이유가 있습니다. 분자 반응식의 균형을 먼저 맞추면 원자 수가 보장됩니다. 강전해질을 쪼개면 비커 안에 실제로 무엇이 있는지 드러납니다. 구경꾼 이온을 지우면 양쪽에 변하지 않고 나타나며 변화에 참여하지 않는 화학종이 제거됩니다.

전하 점검은 원자 수 확인에서 놓치는 오류를 잡아냅니다. 알짜 이온 반응식의 총전하가 0이 아닐 수 있지만, 원자와 마찬가지로 전하도 보존되므로 양쪽에서 같아야 합니다.

• 모든 화학식에 상태 기호를 붙여 균형 잡힌 분자 반응식을 씁니다.
• (aq)인 강전해질을 각각 이온으로 따로 다시 쓰되, 첨자와 계수를 모두 곱합니다.
• 양쪽에 변하지 않고 나타나는 이온을 지웁니다. 이것이 구경꾼 이온입니다.
• 남은 계수를 가장 작은 정수로 약분합니다.
• 각 원소와 총전하의 균형이 맞는지 확인합니다.

풀이 예제: 크로뮴산 은 침전시키기

0.0850 mol/L 크로뮴산 칼륨 18.0 mL를 과량의 질산 은 수용액과 섞습니다. 새로운 짝은 Ag⁺과 CrO₄²⁻, 그리고 K⁺과 NO₃⁻입니다. 은은 1족 양이온이 아니므로 적갈색 크로뮴산 은이 침전하고, 질산 칼륨은 녹은 채로 남습니다. 분자 반응식: 2AgNO₃(aq) + K₂CrO₄(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2KNO₃(aq). 완전 이온 반응식: 2Ag⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq) + 2K⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2K⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq). K⁺과 NO₃⁻을 지우면 알짜 이온 반응식 2Ag⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s)가 됩니다. 전하 점검: 왼쪽은 2(+1) + (−2) = 0이고 오른쪽도 0입니다.

침전물의 질량을 구하려면 소수 둘째 자리로 반올림한 IUPAC 표준 원자량 Ag 107.87, Cr 52.00, O 16.00을 씁니다. Ag₂CrO₄의 몰 질량은 2(107.87) + 52.00 + 4(16.00) = 331.74 g/mol입니다. 크로뮴산 이온의 몰 수는 0.0180 L × 0.0850 mol/L = 1.53 × 10⁻³ mol이며, 알짜 이온 반응식에 따라 CrO₄²⁻ 1 mol당 Ag₂CrO₄ 1 mol이 생깁니다. 질량 = 1.53 × 10⁻³ mol × 331.74 g/mol = 0.508 g. 측정한 두 양의 유효숫자가 모두 세 개이므로 답도 세 개입니다.

풀이 예제: 약산, 그리고 용액 속의 금속

아세트산 수용액이 수산화 나트륨 수용액과 반응합니다. CH₃COOH(aq) + NaOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l). 아세트산은 약산이므로 분자로 남고, NaOH와 아세트산 나트륨은 강전해질입니다. Na⁺을 지우고 나면 알짜 이온 반응식은 CH₃COOH(aq) + OH⁻(aq) → CH₃COO⁻(aq) + H₂O(l)입니다. 질산과 수산화 칼륨을 비교해 보십시오. 두 반응물이 모두 강하므로 알짜 이온 반응식은 H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l)로 줄어듭니다.

질산 은 용액에 니켈 조각을 넣으면 은 결정이 달라붙습니다. 니켈은 0에서 +2로, 은은 +1에서 0으로 바뀌므로 산화·환원 반응이며 질산 이온은 구경꾼입니다. 알짜 이온 반응식은 Ni(s) + 2Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + 2Ag(s)입니다. 계수 2는 원자가 아니라 전하 때문에 필요합니다. Ni(s) + Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + Ag(s)는 모든 원소의 균형이 맞지만 총전하가 왼쪽 +1, 오른쪽 +2입니다.

이온 반응식의 흔한 실수와 이를 잡아내는 방법

오류는 대부분 산술이 아니라 잘못된 화학종을 쓰는 데서 생깁니다. 무엇이든 지우기 전에, 각 화학식이 정말 물에서 떨어진 이온으로 존재하는지 물어보십시오.

마지막 점검으로 알짜 이온 반응식을 물리적 사건으로 읽어 보십시오. 은 이온 두 개와 크로뮴산 이온 한 개가 고체를 만드는 것은 눈으로 볼 수 있는 일입니다. 녹아 있는 이온을 짝끼리 맞바꾸기만 하는 반응식은 아무것도 설명하지 못합니다.

• 약산을 쪼개는 것: HF(aq)는 분자로 남습니다. 모든 산을 여섯 가지 강산과 비교하십시오.
• 침전물을 쪼개는 것: (s)로 표시된 화학식은 이온성 고체여도 그대로 둡니다.
• 다원자 이온을 분해하는 것: NO₃⁻, SO₄²⁻, CrO₄²⁻는 그대로 둡니다.
• 첨자를 엉뚱한 곳에 두는 것: K₂CrO₄는 2K⁺를 내며 K₂⁺ 이온은 없습니다.
• 수은(I)을 Hg⁺로 취급하는 것: 이원자 양이온 Hg₂²⁺로 존재합니다.
• 4Ag⁺ + 2CrO₄²⁻ → 2Ag₂CrO₄처럼 계수를 약분하지 않고 두는 것.
• 모든 짝이 녹고, 물이나 약전해질이나 기체가 생기지 않고, 산화되거나 환원되는 것도 없는데 알짜 이온 반응식을 쓰는 것. 올바른 답은 반응 없음입니다.