Vrste reakcij, smernice o topnosti in neto ionske enačbe

Tri gonilne sile vodnih reakcij

Ko zmešamo dve raztopini, reakcija poteče le, če nekaj odstrani ione iz raztopine ali premakne elektrone. Zastavite si tri vprašanja. Ali kation iz ene raztopine in anion iz druge tvorita spojino z nizko topnostjo? Ali kislina prenese proton na bazo in tvori vodo ali drug šibek elektrolit? Ali kateri od atomov spremeni oksidacijsko število, tako da elektroni preidejo z ene vrste na drugo?

Da na prvo vprašanje pomeni obarjanje, da na drugo kislinsko-bazno reakcijo, da na tretje pa redoks reakcijo. Reakcije, pri katerih nastane plin, kot je HCO₃⁻(aq) + H⁺(aq) → H₂O(l) + CO₂(g), običajno uvrščamo med kislinsko-bazne, ker je prvi korak prenos protona. Zgorevanje in izpodrivanje ene kovine z drugo sta redoks reakciji.

Družine se ne izključujejo. Ko vodni barijev hidroksid nevtralizira žveplovo kislino, Ba(OH)₂(aq) + H₂SO₄(aq) → BaSO₄(s) + 2H₂O(l), v isti reakciji nastane voda in obori se netopen sulfat.

Odločanje, katere vrste zapisati kot ione

Neto ionska enačba je odvisna od tega, ali veste, katere snovi obstajajo v vodi kot ločeni ioni. Močni elektroliti disociirajo skoraj popolnoma: topne ionske spojine, močne kisline in močne baze. Te zapišite kot ione, kadar so označene z (aq). Vse drugo obdrži svojo formulo: trdne snovi, tekočine, plini, šibke kisline, šibke baze in molekulski topljenci, kot je glukoza.

Pogoste močne kisline so HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ in H₂SO₄ (za prvi proton). Skoraj vse druge kisline, ki jih srečate pri splošni kemiji, vključno s HF, ocetno kislino (CH₃COOH) in ogljikovo kislino, obravnavajte kot šibke in jih obdržite kot molekule. Močne baze so hidroksidi skupine 1 in težji hidroksidi skupine 2. Amoniak je šibka baza in ostane kot NH₃(aq).

Večatomni ioni ostanejo pri disociaciji spojine nedotaknjeni. Vodni kalijev kromat da 2K⁺(aq) in CrO₄²⁻(aq), ne ločenih ionov kalija, kroma in kisika.

Uporaba smernic o topnosti

Smernice o topnosti povzemajo opažene vzorce za ionske spojine v vodi blizu sobne temperature. Topno pomeni, da se raztopi uporabna količina; netopno pomeni, da je topnost dovolj nizka, da nastane trdna snov, ko se ioni srečajo pri običajnih laboratorijskih koncentracijah. Nobena ionska spojina nima topnosti natanko nič. Spodnji seznam temelji na tabeli 4.1 v OpenStax Chemistry 2e, razdelek 4.2.

Za napoved oborine naštejte vse ione, prisotne po mešanju, nato vsak kation povežite z vsakim anionom, s katerim ni začel. Če katera nova povezava spada v netopno kategorijo, ta spojina obori. Če je vsaka možna povezava topna, kot pri mešanju raztopin kalijevega nitrata in natrijevega klorida, ioni preprosto soobstajajo in neto reakcije ni.

• Spojine kationov skupine 1 (Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺) in NH₄⁺ so topne.
• Nitrati, acetati, hidrogenkarbonati in klorati so topni.
• Kloridi, bromidi in jodidi so topni, razen tistih z Ag⁺, Hg₂²⁺ in Pb²⁺.
• Fluoridi so topni, razen tistih z Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Pb²⁺ in Fe³⁺.
• Sulfati so topni, razen tistih z Ag⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, Hg₂²⁺, Pb²⁺ in Sr²⁺.
• Karbonati, kromati, fosfati in sulfidi so netopni, razen s kationi skupine 1 in NH₄⁺.
• Hidroksidi so netopni, razen s kationi skupine 1 in Ba²⁺; Ca(OH)₂ in Sr(OH)₂ sta rahlo topna.

Gradnja neto ionske enačbe korak za korakom

Vsak korak ima svoj razlog. Najprej uravnoteženje molekulske enačbe zagotovi števila atomov. Razcep močnih elektrolitov pokaže, kaj je v čaši dejansko prisotno. Krajšanje ionov opazovalcev odstrani vrste, ki se na obeh straneh pojavijo nespremenjene in pri spremembi ne sodelujejo.

Preverjanje naboja ujame napake, ki jih štetje atomov zgreši. Neto ionska enačba ima lahko neničelni skupni naboj, vendar mora biti ta naboj na obeh straneh enak, ker se naboj ohranja prav tako kot atomi.

• Zapišite uravnoteženo molekulsko enačbo z oznako agregatnega stanja pri vsaki formuli.
• Vsak močni elektrolit (aq) prepišite kot ločene ione, pomnožene z indeksom in koeficientom.
• Prečrtajte ione, ki se na obeh straneh pojavijo nespremenjeni. To so ioni opazovalci.
• Preostale koeficiente skrajšajte na najmanjša cela števila.
• Preverite, da sta uravnotežena vsak element in skupni naboj.

Rešen primer: obarjanje srebrovega kromata

Zmešate 18.0 mL kalijevega kromata 0.0850 mol/L s presežkom vodnega srebrovega nitrata. Nove povezave so Ag⁺ s CrO₄²⁻ in K⁺ z NO₃⁻. Srebro ni kation skupine 1, zato se obori rdečerjav srebrov kromat; kalijev nitrat ostane raztopljen. Molekulska enačba: 2AgNO₃(aq) + K₂CrO₄(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2KNO₃(aq). Popolna ionska enačba: 2Ag⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq) + 2K⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2K⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq). S krajšanjem K⁺ in NO₃⁻ dobimo neto ionsko enačbo 2Ag⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s). Preverjanje naboja: 2(+1) + (−2) = 0 na levi in 0 na desni.

Za maso oborine uporabite IUPAC standardne atomske mase, zaokrožene na dve decimalki: Ag 107.87, Cr 52.00, O 16.00. Molska masa Ag₂CrO₄ je 2(107.87) + 52.00 + 4(16.00) = 331.74 g/mol. Množina kromata = 0.0180 L × 0.0850 mol/L = 1.53 × 10⁻³ mol, neto ionska enačba pa da 1 mol Ag₂CrO₄ na 1 mol CrO₄²⁻. Masa = 1.53 × 10⁻³ mol × 331.74 g/mol = 0.508 g. Obe izmerjeni količini imata tri veljavne števke, zato jih ima tudi odgovor.

Rešena primera: šibka kislina in kovina v raztopini

Vodna ocetna kislina reagira z vodnim natrijevim hidroksidom: CH₃COOH(aq) + NaOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l). Ocetna kislina je šibka, zato ostane molekulska, medtem ko sta NaOH in natrijev acetat močna elektrolita. Ko se Na⁺ pokrajša, je neto ionska enačba CH₃COOH(aq) + OH⁻(aq) → CH₃COO⁻(aq) + H₂O(l). Primerjajte dušikovo kislino s kalijevim hidroksidom, kjer sta oba reaktanta močna in se neto ionska enačba skrči na H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l).

Trak niklja v raztopini srebrovega nitrata se prekrije s srebrovimi kristali. Nikelj preide z 0 na +2 in srebro s +1 na 0, torej gre za redoks; nitrat je ion opazovalec. Neto ionska enačba je Ni(s) + 2Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + 2Ag(s). Koeficient 2 zahteva naboj, ne atomi: Ni(s) + Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + Ag(s) uravnoteži vse elemente, vendar ima skupni naboj +1 na levi in +2 na desni.

Pogoste napake v ionskih enačbah in kako jih ujeti

Večina napak izhaja iz zapisa napačne vrste in ne iz računanja. Preden karkoli pokrajšate, se vprašajte, ali vsaka formula v vodi res obstaja kot ločeni ioni.

Kot zadnje preverjanje preberite neto ionsko enačbo kot fizikalni dogodek. Dva srebrova iona in en kromatni ion, ki tvorijo trdno snov, je nekaj, kar bi lahko opazovali; enačba, ki le zamenja raztopljene ione med partnerji, ne opisuje ničesar.

• Razcep šibke kisline: HF(aq) ostane molekulski. Vsako kislino primerjajte s šestimi močnimi kislinami.
• Razcep oborine: formula z oznako (s) ostane cela, čeprav je trdna snov ionska.
• Razbijanje večatomnega iona: NO₃⁻, SO₄²⁻ in CrO₄²⁻ naj ostanejo nedotaknjeni.
• Napačni indeksi: K₂CrO₄ da 2K⁺; iona K₂⁺ ni.
• Obravnavanje živega srebra(I) kot Hg⁺: obstaja kot dvoatomni kation Hg₂²⁺.
• Neskrajšani koeficienti, na primer 4Ag⁺ + 2CrO₄²⁻ → 2Ag₂CrO₄.
• Zapis neto ionske enačbe, kadar so vse povezave topne in ne nastane voda, šibek elektrolit ali plin, nič pa se ne oksidira ali reducira. Pravilni odgovor je, da reakcije ni.