ชนิดของปฏิกิริยา แนวทางการละลาย และสมการไอออนิกสุทธิ

แรงขับเคลื่อนสามอย่างเบื้องหลังปฏิกิริยาในสารละลายน้ำ

เมื่อผสมสารละลายสองชนิด ปฏิกิริยาจะเกิดก็ต่อเมื่อมีบางอย่างดึงไอออนออกจากสารละลายหรือเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอน ให้ถามสามข้อ แคตไอออนจากสารละลายหนึ่งกับแอนไอออนจากอีกสารละลายหนึ่งรวมกันเป็นสารประกอบที่ละลายได้น้อยหรือไม่ กรดถ่ายโอนโปรตอนให้เบส เกิดเป็นน้ำหรืออิเล็กโทรไลต์อ่อนอื่นหรือไม่ อะตอมใดเปลี่ยนเลขออกซิเดชันจนอิเล็กตรอนส่งผ่านจากสปีชีส์หนึ่งไปอีกสปีชีส์หนึ่งหรือไม่

ถ้าข้อแรกใช่คือปฏิกิริยาการตกตะกอน ถ้าข้อสองใช่คือปฏิกิริยากรด–เบส และถ้าข้อสามใช่คือปฏิกิริยารีดอกซ์ ปฏิกิริยาที่เกิดแก๊ส เช่น HCO₃⁻(aq) + H⁺(aq) → H₂O(l) + CO₂(g) มักจัดเป็นปฏิกิริยากรด–เบส เพราะขั้นแรกคือการถ่ายโอนโปรตอน การเผาไหม้และการที่โลหะหนึ่งแทนที่โลหะอีกชนิดหนึ่งเป็นปฏิกิริยารีดอกซ์

กลุ่มเหล่านี้ไม่ได้แยกขาดจากกัน เมื่อแบเรียมไฮดรอกไซด์ในน้ำทำปฏิกิริยาสะเทินกับกรดซัลฟิวริก Ba(OH)₂(aq) + H₂SO₄(aq) → BaSO₄(s) + 2H₂O(l) จะเกิดน้ำและซัลเฟตที่ไม่ละลายตกตะกอนในปฏิกิริยาเดียวกัน

ตัดสินว่าสปีชีส์ใดควรเขียนเป็นไอออน

สมการไอออนิกสุทธิขึ้นกับการรู้ว่าสารใดอยู่ในน้ำในรูปไอออนที่แยกกัน อิเล็กโทรไลต์แก่แตกตัวเกือบสมบูรณ์ ได้แก่ สารประกอบไอออนิกที่ละลายได้ กรดแก่ และเบสแก่ ให้เขียนสารเหล่านี้เป็นไอออนเมื่อมีป้าย (aq) ส่วนที่เหลือคงสูตรไว้ ได้แก่ ของแข็ง ของเหลว แก๊ส กรดอ่อน เบสอ่อน และตัวถูกละลายที่เป็นโมเลกุลอย่างกลูโคส

กรดแก่ที่พบทั่วไปคือ HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ และ H₂SO₄ (สำหรับโปรตอนตัวแรก) ให้ถือว่ากรดอื่นเกือบทั้งหมดที่คุณพบในเคมีทั่วไป รวมถึง HF กรดแอซีติก (CH₃COOH) และกรดคาร์บอนิก เป็นกรดอ่อน และคงไว้เป็นโมเลกุล เบสแก่คือไฮดรอกไซด์ของหมู่ 1 และไฮดรอกไซด์ของหมู่ 2 ที่หนักกว่า แอมโมเนียเป็นเบสอ่อนและคงเป็น NH₃(aq)

ไอออนพหุอะตอมคงเดิมเมื่อสารประกอบแตกตัว โพแทสเซียมโครเมตในน้ำให้ 2K⁺(aq) และ CrO₄²⁻(aq) ไม่ใช่ไอออนโพแทสเซียม โครเมียม และออกซิเจนแยกกัน

การใช้แนวทางการละลาย

แนวทางการละลายสรุปรูปแบบที่สังเกตได้ของสารประกอบไอออนิกในน้ำใกล้อุณหภูมิห้อง ละลายได้หมายถึงละลายในปริมาณที่ใช้ประโยชน์ได้ ไม่ละลายหมายถึงการละลายต่ำพอที่จะเกิดของแข็งเมื่อไอออนพบกันที่ความเข้มข้นปกติในห้องปฏิบัติการ ไม่มีสารประกอบไอออนิกใดที่การละลายเป็นศูนย์พอดี รายการด้านล่างอิงจากตาราง 4.1 ใน OpenStax Chemistry 2e หัวข้อ 4.2

เพื่อทำนายตะกอน ให้ลิสต์ไอออนทุกตัวที่มีอยู่หลังผสม แล้วจับคู่แคตไอออนแต่ละตัวกับแอนไอออนแต่ละตัวที่ไม่ได้เริ่มด้วยกัน หากคู่ใหม่ใดตกอยู่ในประเภทที่ไม่ละลาย สารประกอบนั้นจะตกตะกอน หากทุกคู่ที่เป็นไปได้ละลายได้ เช่นเมื่อผสมสารละลายโพแทสเซียมไนเทรตกับโซเดียมคลอไรด์ ไอออนจะอยู่ร่วมกันเฉยๆ และไม่มีปฏิกิริยาสุทธิ

• สารประกอบของแคตไอออนหมู่ 1 (Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺) และของ NH₄⁺ ละลายได้
• ไนเทรต แอซีเตต ไฮโดรเจนคาร์บอเนต และคลอเรตละลายได้
• คลอไรด์ โบรไมด์ และไอโอไดด์ละลายได้ ยกเว้นของ Ag⁺, Hg₂²⁺ และ Pb²⁺
• ฟลูออไรด์ละลายได้ ยกเว้นของ Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Pb²⁺ และ Fe³⁺
• ซัลเฟตละลายได้ ยกเว้นของ Ag⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, Hg₂²⁺, Pb²⁺ และ Sr²⁺
• คาร์บอเนต โครเมต ฟอสเฟต และซัลไฟด์ไม่ละลาย ยกเว้นที่รวมกับแคตไอออนหมู่ 1 และ NH₄⁺
• ไฮดรอกไซด์ไม่ละลาย ยกเว้นที่รวมกับแคตไอออนหมู่ 1 และ Ba²⁺; Ca(OH)₂ และ Sr(OH)₂ ละลายได้เล็กน้อย

สร้างสมการไอออนิกสุทธิทีละขั้น

ทุกขั้นมีเหตุผล การดุลสมการโมเลกุลก่อนรับประกันจำนวนอะตอม การแยกอิเล็กโทรไลต์แก่แสดงสิ่งที่มีอยู่จริงในบีกเกอร์ การตัดไอออนที่ไม่ร่วมปฏิกิริยาออกกำจัดสปีชีส์ที่ปรากฏเหมือนเดิมทั้งสองข้างและไม่ได้มีส่วนในการเปลี่ยนแปลง

การตรวจประจุจับข้อผิดพลาดที่การนับอะตอมมองข้าม สมการไอออนิกสุทธิอาจมีประจุรวมไม่เป็นศูนย์ได้ แต่ประจุนั้นต้องเท่ากันทั้งสองข้าง เพราะประจุอนุรักษ์เช่นเดียวกับอะตอม

• เขียนสมการโมเลกุลที่ดุลแล้วโดยมีสัญลักษณ์สถานะกำกับทุกสูตร
• เขียนอิเล็กโทรไลต์แก่ที่เป็น (aq) แต่ละตัวใหม่เป็นไอออนแยกกัน โดยคูณทั้งตัวห้อยและสัมประสิทธิ์
• ขีดฆ่าไอออนที่ปรากฏเหมือนเดิมทั้งสองข้าง นี่คือไอออนที่ไม่ร่วมปฏิกิริยา
• ลดสัมประสิทธิ์ที่เหลือเป็นจำนวนเต็มที่น้อยที่สุด
• ตรวจว่าแต่ละธาตุและประจุรวมดุลกัน

ตัวอย่างการคำนวณ: การตกตะกอนซิลเวอร์โครเมต

คุณผสมโพแทสเซียมโครเมต 0.0850 mol/L ปริมาตร 18.0 mL กับซิลเวอร์ไนเทรตในน้ำที่เกิน คู่ใหม่คือ Ag⁺ กับ CrO₄²⁻ และ K⁺ กับ NO₃⁻ เงินไม่ใช่แคตไอออนหมู่ 1 ซิลเวอร์โครเมตสีน้ำตาลแดงจึงตกตะกอน ส่วนโพแทสเซียมไนเทรตยังละลายอยู่ สมการโมเลกุล: 2AgNO₃(aq) + K₂CrO₄(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2KNO₃(aq) สมการไอออนิกสมบูรณ์: 2Ag⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq) + 2K⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2K⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq) ตัด K⁺ และ NO₃⁻ ออกได้สมการไอออนิกสุทธิ 2Ag⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s) ตรวจประจุ: 2(+1) + (−2) = 0 ทางซ้าย และ 0 ทางขวา

เพื่อหามวลของตะกอน ใช้มวลอะตอมมาตรฐานของ IUPAC ที่ปัดเป็นทศนิยมสองตำแหน่ง: Ag 107.87, Cr 52.00, O 16.00 มวลโมลาร์ของ Ag₂CrO₄ คือ 2(107.87) + 52.00 + 4(16.00) = 331.74 g/mol โมลของโครเมต = 0.0180 L × 0.0850 mol/L = 1.53 × 10⁻³ mol และสมการไอออนิกสุทธิให้ Ag₂CrO₄ 1 mol ต่อ CrO₄²⁻ 1 mol มวล = 1.53 × 10⁻³ mol × 331.74 g/mol = 0.508 g ปริมาณที่วัดได้ทั้งสองมีเลขนัยสำคัญสามหลัก คำตอบจึงมีสามหลักเช่นกัน

ตัวอย่างการคำนวณ: กรดอ่อนและโลหะในสารละลาย

กรดแอซีติกในน้ำทำปฏิกิริยากับโซเดียมไฮดรอกไซด์ในน้ำ: CH₃COOH(aq) + NaOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l) กรดแอซีติกเป็นกรดอ่อน จึงคงเป็นโมเลกุล ส่วน NaOH และโซเดียมแอซีเตตเป็นอิเล็กโทรไลต์แก่ หลังตัด Na⁺ ออก สมการไอออนิกสุทธิคือ CH₃COOH(aq) + OH⁻(aq) → CH₃COO⁻(aq) + H₂O(l) เทียบกับกรดไนตริกกับโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ ซึ่งสารตั้งต้นทั้งสองเป็นแก่ และสมการไอออนิกสุทธิหดเหลือ H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l)

แผ่นนิกเกิลที่ใส่ในสารละลายซิลเวอร์ไนเทรตถูกเคลือบด้วยผลึกเงิน นิกเกิลเปลี่ยนจาก 0 เป็น +2 และเงินเปลี่ยนจาก +1 เป็น 0 นี่จึงเป็นรีดอกซ์ ไนเทรตไม่ร่วมปฏิกิริยา สมการไอออนิกสุทธิคือ Ni(s) + 2Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + 2Ag(s) สัมประสิทธิ์ 2 จำเป็นเพราะประจุ ไม่ใช่เพราะอะตอม: Ni(s) + Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + Ag(s) ดุลทุกธาตุแต่มีประจุรวม +1 ทางซ้ายและ +2 ทางขวา

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในสมการไอออนิกและวิธีจับให้ได้

ข้อผิดพลาดส่วนใหญ่มาจากการเขียนสปีชีส์ผิด ไม่ใช่เลขคณิต ก่อนตัดสิ่งใดออก ให้ถามว่าแต่ละสูตรมีอยู่จริงในน้ำเป็นไอออนที่แยกกันหรือไม่

ตรวจครั้งสุดท้าย ให้อ่านสมการไอออนิกสุทธิเป็นเหตุการณ์ทางกายภาพ ไอออนเงินสองตัวกับโครเมตไอออนหนึ่งตัวรวมกันเป็นของแข็งเป็นสิ่งที่คุณสังเกตได้ ส่วนสมการที่เพียงสลับไอออนที่ละลายอยู่ระหว่างคู่ ไม่ได้บรรยายอะไรเลย

• แยกกรดอ่อน: HF(aq) คงเป็นโมเลกุล ให้เทียบกรดทุกตัวกับกรดแก่หกตัว
• แยกตะกอน: สูตรที่มีป้าย (s) คงเป็นสูตรเดียวแม้ของแข็งนั้นเป็นไอออนิก
• แยกไอออนพหุอะตอมออกจากกัน: ให้คง NO₃⁻, SO₄²⁻ และ CrO₄²⁻ ไว้ครบ
• วางตัวห้อยผิดที่: K₂CrO₄ ให้ 2K⁺ ไม่มีไอออน K₂⁺
• ถือว่าเมอร์คิวรี(I) เป็น Hg⁺: มันอยู่ในรูปแคตไอออนไดอะตอมิก Hg₂²⁺
• ทิ้งสัมประสิทธิ์ไว้โดยไม่ลดทอน เช่น 4Ag⁺ + 2CrO₄²⁻ → 2Ag₂CrO₄
• เขียนสมการไอออนิกสุทธิทั้งที่ทุกคู่ละลายได้ ไม่เกิดน้ำ อิเล็กโทรไลต์อ่อน หรือแก๊ส และไม่มีสิ่งใดถูกออกซิไดส์หรือรีดิวซ์ คำตอบที่ถูกคือไม่มีปฏิกิริยา