Reaktionstyper, löslighetsregler och nettojonformler

Tre drivkrafter bakom reaktioner i vattenlösning

När två lösningar blandas sker en reaktion bara om något tar bort joner ur lösningen eller flyttar elektroner. Ställ tre frågor. Bildar en katjon från den ena lösningen och en anjon från den andra en förening med låg löslighet? Överför en syra en proton till en bas och bildar vatten eller en annan svag elektrolyt? Ändrar några atomer oxidationstal, så att elektroner går från en art till en annan?

Ja på den första frågan betyder en fällningsreaktion, ja på den andra en syra–bas-reaktion och ja på den tredje en redoxreaktion. Gasbildande reaktioner som HCO₃⁻(aq) + H⁺(aq) → H₂O(l) + CO₂(g) förs vanligen till syra–bas eftersom det första steget är protonöverföring. Förbränning och förträngning av en metall av en annan är redoxreaktioner.

Familjerna utesluter inte varandra. När vattenlösning av bariumhydroxid neutraliserar svavelsyra, Ba(OH)₂(aq) + H₂SO₄(aq) → BaSO₄(s) + 2H₂O(l), bildas vatten och ett olösligt sulfat fälls ut i samma reaktion.

Att avgöra vilka arter som ska skrivas som joner

En nettojonformel beror på att man vet vilka ämnen som finns som separerade joner i vatten. Starka elektrolyter dissocierar i stort sett fullständigt: lösliga joniska föreningar, starka syror och starka baser. Skriv dessa som joner när de är märkta (aq). Allt annat behåller sin formel: fasta ämnen, vätskor, gaser, svaga syror, svaga baser och molekylära lösta ämnen som glukos.

De vanliga starka syrorna är HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ och H₂SO₄ (för sin första proton). Behandla nästan varje annan syra du möter i allmän kemi, inklusive HF, ättiksyra (CH₃COOH) och kolsyra, som svag och behåll den som molekyl. De starka baserna är grupp 1-hydroxiderna och de tyngre grupp 2-hydroxiderna. Ammoniak är en svag bas och förblir NH₃(aq).

Flervärda joner förblir intakta när en förening dissocierar. Vattenlöst kaliumkromat ger 2K⁺(aq) och CrO₄²⁻(aq), inte separata kalium-, krom- och syrejoner.

Att tillämpa löslighetsreglerna

Löslighetsreglerna sammanfattar observerade mönster för joniska föreningar i vatten nära rumstemperatur. Lösligt betyder att en användbar mängd löses; olösligt betyder att lösligheten är så låg att ett fast ämne bildas när jonerna möts vid vanliga laboratoriekoncentrationer. Ingen jonförening har en löslighet som är exakt noll. Listan nedan bygger på Tabell 4.1 i OpenStax Chemistry 2e, avsnitt 4.2.

För att förutsäga en fällning, lista alla joner som finns efter blandningen och para sedan ihop varje katjon med varje anjon som den inte började med. Om någon ny parning hamnar i en olöslig kategori fälls den föreningen ut. Om varje möjlig parning är löslig, som när lösningar av kaliumnitrat och natriumklorid blandas, samexisterar jonerna helt enkelt och ingen nettoreaktion sker.

• Föreningar av grupp 1-katjoner (Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺) och av NH₄⁺ är lösliga.
• Nitrater, acetater, vätekarbonater och klorater är lösliga.
• Klorider, bromider och jodider är lösliga utom de av Ag⁺, Hg₂²⁺ och Pb²⁺.
• Fluorider är lösliga utom de av Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Pb²⁺ och Fe³⁺.
• Sulfater är lösliga utom de av Ag⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, Hg₂²⁺, Pb²⁺ och Sr²⁺.
• Karbonater, kromater, fosfater och sulfider är olösliga utom med grupp 1-katjoner och NH₄⁺.
• Hydroxider är olösliga utom med grupp 1-katjoner och Ba²⁺; Ca(OH)₂ och Sr(OH)₂ är svårlösliga.

Att bygga nettojonformeln steg för steg

Varje steg har en anledning. Att balansera molekylformeln först garanterar antalet atomer. Att dela upp starka elektrolyter visar vad som verkligen finns i bägaren. Att stryka åskådarjoner tar bort arter som förekommer oförändrade på båda sidor och inte deltar i förändringen.

Laddningskontrollen fångar fel som en atomräkning missar. En nettojonformel kan ha en total laddning som inte är noll, men den laddningen måste vara densamma på båda sidor, eftersom laddning bevaras precis som atomer.

• Skriv den balanserade molekylformeln med ett tillståndssymbol på varje formel.
• Skriv om varje (aq)-stark elektrolyt som separata joner, multiplicerade med både index och koefficient.
• Stryk joner som förekommer oförändrade på båda sidor. Dessa är åskådarjonerna.
• Förkorta de återstående koefficienterna till de minsta heltalen.
• Kontrollera att varje grundämne och den totala laddningen balanserar.

Räkneexempel: utfällning av silverkromat

Du blandar 18.0 mL kaliumkromat på 0.0850 mol/L med överskott av vattenlöst silvernitrat. De nya parningarna är Ag⁺ med CrO₄²⁻ och K⁺ med NO₃⁻. Silver är inte en grupp 1-katjon, så rödbrunt silverkromat fälls ut; kaliumnitrat förblir löst. Molekylformel: 2AgNO₃(aq) + K₂CrO₄(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2KNO₃(aq). Fullständig jonformel: 2Ag⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq) + 2K⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2K⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq). Strykning av K⁺ och NO₃⁻ ger nettojonformeln 2Ag⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s). Laddningskontroll: 2(+1) + (−2) = 0 till vänster, och 0 till höger.

För att hitta fällningens massa, använd IUPAC:s standardatomvikter avrundade till två decimaler: Ag 107.87, Cr 52.00, O 16.00. Molmassan för Ag₂CrO₄ är 2(107.87) + 52.00 + 4(16.00) = 331.74 g/mol. Substansmängd kromat = 0.0180 L × 0.0850 mol/L = 1.53 × 10⁻³ mol, och nettojonformeln ger 1 mol Ag₂CrO₄ per 1 mol CrO₄²⁻. Massa = 1.53 × 10⁻³ mol × 331.74 g/mol = 0.508 g. Båda uppmätta storheterna har tre gällande siffror, så det har svaret också.

Räkneexempel: en svag syra och en metall i lösning

Vattenlöst ättiksyra reagerar med vattenlöst natriumhydroxid: CH₃COOH(aq) + NaOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l). Ättiksyra är svag, så den förblir molekylär, medan NaOH och natriumacetat är starka elektrolyter. Efter att Na⁺ strukits är nettojonformeln CH₃COOH(aq) + OH⁻(aq) → CH₃COO⁻(aq) + H₂O(l). Jämför salpetersyra med kaliumhydroxid, där båda reaktanterna är starka och nettojonformeln krymper till H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l).

Ett nickelstycke som läggs i silvernitratlösning blir täckt av silverkristaller. Nickel går från 0 till +2 och silver från +1 till 0, så det här är redox; nitrat är en åskådarjon. Nettojonformeln är Ni(s) + 2Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + 2Ag(s). Koefficienten 2 krävs av laddningen, inte av atomerna: Ni(s) + Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + Ag(s) balanserar varje grundämne men har en total laddning på +1 till vänster och +2 till höger.

Vanliga misstag i jonformler och hur du fångar dem

De flesta fel kommer av att man skriver fel art, inte av räknandet. Innan du stryker något, fråga om varje formel verkligen förekommer som separata joner i vatten.

Som en sista kontroll, läs nettojonformeln som en fysisk händelse. Två silverjoner och en kromatjon som bildar ett fast ämne är något du skulle kunna se; en reaktionsformel som bara byter lösta joner mellan partner beskriver ingenting.

• Att dela upp en svag syra: HF(aq) förblir molekylär. Jämför varje syra med de sex starka syrorna.
• Att dela upp en fällning: en formel märkt (s) förblir hel trots att det fasta ämnet är joniskt.
• Att bryta isär en flervärd jon: behåll NO₃⁻, SO₄²⁻ och CrO₄²⁻ intakta.
• Att placera index fel: K₂CrO₄ ger 2K⁺; det finns ingen K₂⁺-jon.
• Att behandla kvicksilver(I) som Hg⁺: det förekommer som den tvåatomiga katjonen Hg₂²⁺.
• Att lämna koefficienter ofullständigt förkortade, till exempel 4Ag⁺ + 2CrO₄²⁻ → 2Ag₂CrO₄.
• Att skriva en nettojonformel när varje parning är löslig och inget vatten, ingen svag elektrolyt eller gas bildas, och inget oxideras eller reduceras. Det rätta svaret är ingen reaktion.