Типи реакцій, настанови щодо розчинності та скорочені йонні рівняння

Три рушійні сили водних реакцій

Коли змішують два розчини, реакція відбувається лише тоді, коли щось видаляє йони з розчину або переміщує електрони. Поставте три запитання. Чи утворюють катіон з одного розчину й аніон з другого сполуку з низькою розчинністю? Чи передає кислота протон основі, утворюючи воду чи інший слабкий електроліт? Чи змінює якийсь атом ступінь окиснення, так що електрони переходять від однієї частинки до іншої?

Відповідь «так» на перше запитання означає реакцію осадження, на друге — кислотно-основну реакцію, на третє — окисно-відновну. Реакції з утворенням газу, як-от HCO₃⁻(aq) + H⁺(aq) → H₂O(l) + CO₂(g), зазвичай відносять до кислотно-основних, бо першим кроком є перенесення протона. Горіння та витіснення одного металу іншим — окисно-відновні реакції.

Ці родини не виключають одна одну. Коли водний барій гідроксид нейтралізує сульфатну кислоту, Ba(OH)₂(aq) + H₂SO₄(aq) → BaSO₄(s) + 2H₂O(l), утворюється вода і в тій самій реакції осаджується нерозчинний сульфат.

Як вирішити, які частинки записувати як йони

Скорочене йонне рівняння залежить від знання того, які речовини існують у воді як роз’єднані йони. Сильні електроліти дисоціюють практично повністю: розчинні йонні сполуки, сильні кислоти й сильні основи. Записуйте їх як йони, коли вони позначені (aq). Усе інше зберігає свою формулу: тверді речовини, рідини, гази, слабкі кислоти, слабкі основи та молекулярні розчинені речовини, як-от глюкоза.

До поширених сильних кислот належать HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ і H₂SO₄ (за першим протоном). Майже будь-яку іншу кислоту, що трапиться вам у загальній хімії, зокрема HF, оцтову кислоту (CH₃COOH) і вугільну кислоту, вважайте слабкою й залишайте у вигляді молекули. Сильні основи — це гідроксиди групи 1 та важчі гідроксиди групи 2. Аміак — слабка основа і лишається як NH₃(aq).

Багатоатомні йони лишаються цілими, коли сполука дисоціює. Водний калій хромат дає 2K⁺(aq) і CrO₄²⁻(aq), а не окремі йони Калію, Хрому й Оксигену.

Застосування настанов щодо розчинності

Настанови щодо розчинності підсумовують спостережувані закономірності для йонних сполук у воді поблизу кімнатної температури. Розчинний означає, що розчиняється корисна кількість; нерозчинний — що розчинність достатньо низька, щоб за звичайних лабораторних концентрацій при зустрічі йонів утворювалася тверда речовина. Жодна йонна сполука не має розчинності, рівної рівно нулю. Список нижче ґрунтується на таблиці 4.1 в OpenStax Chemistry 2e, розділ 4.2.

Щоб передбачити осад, випишіть усі йони, присутні після змішування, а потім з’єднайте кожен катіон з кожним аніоном, з яким він не починав. Якщо будь-яка нова пара потрапляє до нерозчинної категорії, ця сполука осаджується. Якщо кожна можлива пара розчинна, як при змішуванні розчинів калій нітрату й натрій хлориду, йони просто співіснують, і сумарної реакції немає.

• Сполуки катіонів групи 1 (Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺) і NH₄⁺ розчинні.
• Нітрати, ацетати, гідрогенкарбонати й хлорати розчинні.
• Хлориди, броміди й йодиди розчинні, крім сполук Ag⁺, Hg₂²⁺ і Pb²⁺.
• Фториди розчинні, крім сполук Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Pb²⁺ і Fe³⁺.
• Сульфати розчинні, крім сполук Ag⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, Hg₂²⁺, Pb²⁺ і Sr²⁺.
• Карбонати, хромати, фосфати й сульфіди нерозчинні, крім сполук із катіонами групи 1 та NH₄⁺.
• Гідроксиди нерозчинні, крім сполук із катіонами групи 1 та Ba²⁺; Ca(OH)₂ і Sr(OH)₂ малорозчинні.

Побудова скороченого йонного рівняння крок за кроком

Кожен крок має причину. Спершу зрівняне молекулярне рівняння гарантує кількість атомів. Розщеплення сильних електролітів показує, що справді є в стакані. Скорочення йонів-спостерігачів прибирає частинки, які з’являються без змін з обох боків і не беруть участі в перетворенні.

Перевірка заряду ловить помилки, які пропускає підрахунок атомів. Скорочене йонне рівняння може мати ненульовий сумарний заряд, але цей заряд має бути однаковим з обох боків, бо заряд зберігається так само, як і атоми.

• Запишіть зрівняне молекулярне рівняння з позначкою стану біля кожної формули.
• Перепишіть кожен сильний електроліт (aq) як окремі йони, множачи і на індекс, і на коефіцієнт.
• Закресліть йони, що з’являються без змін з обох боків. Це йони-спостерігачі.
• Скоротіть коефіцієнти, що залишилися, до найменших цілих чисел.
• Перевірте, що кожен елемент і сумарний заряд зрівняні.

Розв’язаний приклад: осадження аргентум хромату

Ви змішуєте 18.0 mL калій хромату 0.0850 mol/L з надлишком водного аргентум нітрату. Нові пари — Ag⁺ із CrO₄²⁻ та K⁺ з NO₃⁻. Срібло не є катіоном групи 1, тому осаджується червоно-коричневий аргентум хромат; калій нітрат лишається розчиненим. Молекулярне рівняння: 2AgNO₃(aq) + K₂CrO₄(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2KNO₃(aq). Повне йонне рівняння: 2Ag⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq) + 2K⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2K⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq). Скорочення K⁺ і NO₃⁻ дає скорочене йонне рівняння 2Ag⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s). Перевірка заряду: 2(+1) + (−2) = 0 ліворуч і 0 праворуч.

Щоб знайти масу осаду, використайте стандартні атомні маси IUPAC, округлені до двох десяткових розрядів: Ag 107.87, Cr 52.00, O 16.00. Молярна маса Ag₂CrO₄ дорівнює 2(107.87) + 52.00 + 4(16.00) = 331.74 g/mol. Кількість хромату = 0.0180 L × 0.0850 mol/L = 1.53 × 10⁻³ mol, а скорочене йонне рівняння дає 1 mol Ag₂CrO₄ на 1 mol CrO₄²⁻. Маса = 1.53 × 10⁻³ mol × 331.74 g/mol = 0.508 g. Обидві виміряні величини мають три значущі цифри, тож і відповідь також.

Розв’язані приклади: слабка кислота та метал у розчині

Водна оцтова кислота реагує з водним натрій гідроксидом: CH₃COOH(aq) + NaOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l). Оцтова кислота слабка, тож лишається молекулярною, тоді як NaOH і натрій ацетат — сильні електроліти. Після скорочення Na⁺ скорочене йонне рівняння має вигляд CH₃COOH(aq) + OH⁻(aq) → CH₃COO⁻(aq) + H₂O(l). Порівняйте нітратну кислоту з калій гідроксидом: обидва реагенти сильні, і скорочене йонне рівняння зводиться до H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l).

Смужка нікелю, занурена в розчин аргентум нітрату, вкривається кристалами срібла. Нікель переходить від 0 до +2, а срібло — від +1 до 0, тож це окисно-відновна реакція; нітрат — йон-спостерігач. Скорочене йонне рівняння: Ni(s) + 2Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + 2Ag(s). Коефіцієнт 2 вимагає заряд, а не атоми: Ni(s) + Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + Ag(s) зрівнює кожен елемент, але має сумарний заряд +1 ліворуч і +2 праворуч.

Типові помилки в йонних рівняннях і як їх помітити

Більшість помилок походить від запису не тих частинок, а не від арифметики. Перш ніж щось скорочувати, запитайте себе, чи кожна формула справді існує у воді як окремі йони.

Як остаточну перевірку прочитайте скорочене йонне рівняння як фізичну подію. Два йони срібла й один хромат-йон, що утворюють тверду речовину, — це те, що можна спостерігати; рівняння, яке лише обмінює розчинені йони між партнерами, не описує нічого.

• Розщеплення слабкої кислоти: HF(aq) лишається молекулярною. Порівнюйте будь-яку кислоту із шістьма сильними кислотами.
• Розщеплення осаду: формула з позначкою (s) лишається цілою, хоча тверда речовина йонна.
• Розбиття багатоатомного йона: зберігайте NO₃⁻, SO₄²⁻ і CrO₄²⁻ цілими.
• Хибне розміщення індексів: K₂CrO₄ дає 2K⁺; йона K₂⁺ не існує.
• Сприйняття меркурію(I) як Hg⁺: він існує як двоатомний катіон Hg₂²⁺.
• Нескорочені коефіцієнти, наприклад 4Ag⁺ + 2CrO₄²⁻ → 2Ag₂CrO₄.
• Запис скороченого йонного рівняння, коли кожна пара розчинна, не утворюється ні вода, ні слабкий електроліт, ні газ, і ніщо не окиснюється й не відновлюється. Правильна відповідь — реакції немає.