Các loại phản ứng, quy tắc về độ tan và phương trình ion thu gọn

Ba động lực đằng sau phản ứng trong nước

Khi trộn hai dung dịch, phản ứng chỉ xảy ra nếu có thứ gì đó lấy ion ra khỏi dung dịch hoặc làm electron dịch chuyển. Hãy đặt ba câu hỏi. Một cation từ dung dịch này và một anion từ dung dịch kia có tạo thành hợp chất ít tan không? Một axit có chuyển proton cho một bazơ, tạo thành nước hoặc một chất điện li yếu khác không? Có nguyên tử nào đổi số oxi hóa, khiến electron truyền từ loại này sang loại khác không?

Câu trả lời có cho câu hỏi đầu nghĩa là phản ứng kết tủa, có cho câu thứ hai là phản ứng axit–bazơ, và có cho câu thứ ba là phản ứng oxi hóa–khử. Các phản ứng tạo khí như HCO₃⁻(aq) + H⁺(aq) → H₂O(l) + CO₂(g) thường được xếp vào axit–bazơ vì bước đầu tiên là chuyển proton. Sự cháy và sự đẩy một kim loại ra khỏi muối bởi kim loại khác là các phản ứng oxi hóa–khử.

Các họ này không loại trừ nhau. Khi bari hiđroxit trong nước trung hòa axit sunfuric, Ba(OH)₂(aq) + H₂SO₄(aq) → BaSO₄(s) + 2H₂O(l), nước tạo thành và một sunfat không tan kết tủa trong cùng một phản ứng.

Quyết định loại nào viết dưới dạng ion

Phương trình ion thu gọn phụ thuộc vào việc biết chất nào tồn tại dưới dạng các ion tách rời trong nước. Các chất điện li mạnh phân li gần như hoàn toàn: hợp chất ion tan, axit mạnh và bazơ mạnh. Hãy viết chúng dưới dạng ion khi có nhãn (aq). Mọi thứ khác giữ nguyên công thức: chất rắn, chất lỏng, chất khí, axit yếu, bazơ yếu và các chất tan phân tử như glucozơ.

Các axit mạnh thường gặp là HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ và H₂SO₄ (với proton thứ nhất). Hãy coi hầu hết mọi axit khác bạn gặp trong hóa học đại cương, kể cả HF, axit axetic (CH₃COOH) và axit cacbonic, là yếu, và giữ nó ở dạng phân tử. Các bazơ mạnh là hiđroxit nhóm 1 và các hiđroxit nhóm 2 nặng hơn. Amoniac là bazơ yếu và giữ nguyên là NH₃(aq).

Các ion đa nguyên tử vẫn nguyên vẹn khi một hợp chất phân li. Kali cromat trong nước cho 2K⁺(aq) và CrO₄²⁻(aq), chứ không phải các ion kali, crom và oxi riêng rẽ.

Áp dụng các quy tắc về độ tan

Các quy tắc về độ tan tóm tắt những quy luật quan sát được đối với hợp chất ion trong nước ở gần nhiệt độ phòng. Tan nghĩa là một lượng đáng kể hòa tan; không tan nghĩa là độ tan thấp đến mức một chất rắn tạo thành khi các ion gặp nhau ở nồng độ phòng thí nghiệm thông thường. Không hợp chất ion nào có độ tan chính xác bằng không. Danh sách dưới đây dựa trên Bảng 4.1 trong OpenStax Chemistry 2e, mục 4.2.

Để dự đoán kết tủa, hãy liệt kê mọi ion có mặt sau khi trộn, rồi ghép mỗi cation với mỗi anion mà nó không xuất phát cùng. Nếu cặp mới nào rơi vào loại không tan, hợp chất đó kết tủa. Nếu mọi cặp có thể có đều tan, như khi trộn dung dịch kali nitrat và natri clorua, các ion chỉ cùng tồn tại và không có phản ứng thực.

• Hợp chất của cation nhóm 1 (Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺) và của NH₄⁺ đều tan.
• Nitrat, axetat, hiđrocacbonat và clorat đều tan.
• Clorua, bromua và iođua đều tan, trừ của Ag⁺, Hg₂²⁺ và Pb²⁺.
• Florua đều tan, trừ của Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Pb²⁺ và Fe³⁺.
• Sunfat đều tan, trừ của Ag⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, Hg₂²⁺, Pb²⁺ và Sr²⁺.
• Cacbonat, cromat, photphat và sunfua không tan, trừ khi đi với cation nhóm 1 và NH₄⁺.
• Hiđroxit không tan, trừ khi đi với cation nhóm 1 và Ba²⁺; Ca(OH)₂ và Sr(OH)₂ tan ít.

Xây dựng phương trình ion thu gọn từng bước

Mỗi bước đều có lý do. Cân bằng phương trình phân tử trước đảm bảo số nguyên tử. Tách các chất điện li mạnh cho thấy cái thực sự có trong cốc. Lược bỏ các ion khán giả loại đi những loại xuất hiện không đổi ở cả hai vế và không tham gia vào sự thay đổi.

Kiểm tra điện tích bắt được những lỗi mà việc đếm nguyên tử bỏ sót. Một phương trình ion thu gọn có thể mang tổng điện tích khác không, nhưng điện tích đó phải như nhau ở cả hai vế, vì điện tích được bảo toàn cũng như nguyên tử.

• Viết phương trình phân tử đã cân bằng với ký hiệu trạng thái trên mọi công thức.
• Viết lại mỗi chất điện li mạnh (aq) thành các ion riêng rẽ, nhân với cả chỉ số dưới lẫn hệ số.
• Gạch bỏ các ion xuất hiện không đổi ở cả hai vế. Đó là các ion khán giả.
• Rút gọn các hệ số còn lại về những số nguyên nhỏ nhất.
• Kiểm tra từng nguyên tố và tổng điện tích có cân bằng.

Ví dụ có lời giải: kết tủa bạc cromat

Bạn trộn 18.0 mL kali cromat 0.0850 mol/L với bạc nitrat dư trong nước. Các cặp mới là Ag⁺ với CrO₄²⁻ và K⁺ với NO₃⁻. Bạc không phải cation nhóm 1, nên bạc cromat màu nâu đỏ kết tủa; kali nitrat vẫn tan. Phương trình phân tử: 2AgNO₃(aq) + K₂CrO₄(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2KNO₃(aq). Phương trình ion đầy đủ: 2Ag⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq) + 2K⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2K⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq). Lược bỏ K⁺ và NO₃⁻ cho phương trình ion thu gọn 2Ag⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s). Kiểm tra điện tích: 2(+1) + (−2) = 0 ở vế trái, và 0 ở vế phải.

Để tìm khối lượng kết tủa, hãy dùng khối lượng nguyên tử chuẩn của IUPAC làm tròn đến hai chữ số thập phân: Ag 107.87, Cr 52.00, O 16.00. Khối lượng mol của Ag₂CrO₄ là 2(107.87) + 52.00 + 4(16.00) = 331.74 g/mol. Số mol cromat = 0.0180 L × 0.0850 mol/L = 1.53 × 10⁻³ mol, và phương trình ion thu gọn cho 1 mol Ag₂CrO₄ trên 1 mol CrO₄²⁻. Khối lượng = 1.53 × 10⁻³ mol × 331.74 g/mol = 0.508 g. Cả hai đại lượng đo đều có ba chữ số có nghĩa, nên đáp án cũng vậy.

Các ví dụ có lời giải: một axit yếu và một kim loại trong dung dịch

Axit axetic trong nước phản ứng với natri hiđroxit trong nước: CH₃COOH(aq) + NaOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l). Axit axetic là axit yếu nên giữ nguyên dạng phân tử, trong khi NaOH và natri axetat là các chất điện li mạnh. Sau khi Na⁺ được lược bỏ, phương trình ion thu gọn là CH₃COOH(aq) + OH⁻(aq) → CH₃COO⁻(aq) + H₂O(l). So sánh với axit nitric và kali hiđroxit, trong đó cả hai chất phản ứng đều mạnh và phương trình ion thu gọn rút lại thành H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l).

Một mảnh niken đặt trong dung dịch bạc nitrat bị phủ các tinh thể bạc. Niken đi từ 0 lên +2 và bạc đi từ +1 xuống 0, nên đây là phản ứng oxi hóa–khử; nitrat là ion khán giả. Phương trình ion thu gọn là Ni(s) + 2Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + 2Ag(s). Hệ số 2 do điện tích đòi hỏi chứ không phải do nguyên tử: Ni(s) + Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + Ag(s) cân bằng mọi nguyên tố nhưng có tổng điện tích +1 ở vế trái và +2 ở vế phải.

Những sai lầm thường gặp trong phương trình ion và cách phát hiện

Hầu hết lỗi đến từ việc viết sai loại chất, không phải từ số học. Trước khi lược bỏ bất cứ thứ gì, hãy tự hỏi mỗi công thức có thực sự tồn tại dưới dạng ion riêng rẽ trong nước không.

Như phép kiểm tra cuối, hãy đọc phương trình ion thu gọn như một sự kiện vật lý. Hai ion bạc và một ion cromat tạo thành chất rắn là điều bạn có thể quan sát được; một phương trình chỉ hoán đổi các ion hòa tan giữa các cặp thì không mô tả điều gì cả.

• Tách một axit yếu: HF(aq) giữ nguyên dạng phân tử. Hãy đối chiếu mọi axit với sáu axit mạnh.
• Tách một kết tủa: công thức có nhãn (s) giữ nguyên dù chất rắn đó là hợp chất ion.
• Tách rời một ion đa nguyên tử: hãy giữ nguyên NO₃⁻, SO₄²⁻ và CrO₄²⁻.
• Đặt sai chỉ số dưới: K₂CrO₄ cho 2K⁺; không có ion K₂⁺.
• Coi thủy ngân(I) là Hg⁺: nó tồn tại dưới dạng cation lưỡng nguyên tử Hg₂²⁺.
• Để các hệ số chưa tối giản, như 4Ag⁺ + 2CrO₄²⁻ → 2Ag₂CrO₄.
• Viết phương trình ion thu gọn khi mọi cặp đều tan và không tạo thành nước, chất điện li yếu hay chất khí, và không có gì bị oxi hóa hay khử. Đáp án đúng là không có phản ứng.