Wiadomości dotyczące reakcji i równań jonowych strona 1 z 6 Zakres problemów związanych z reakcjami jonowymi. 1. Zjawisko dysocjacji jonowej co to jest dysocjacja i na czym polega rozpad substancji na jony pod wpływem wody jakie substancje ulegają temu procesowi kwasy, wodorotlenki i sole te z nich, które są rozpuszczalne w wodzie. Wielkość ładunku danego jonu jest równa wartościowości tego elementu: wodoru, grupy wodorotlenkowej, metalu czy reszty kwasowej. równania dysocjacji jonowej nazwy jonów, w tym zwłaszcza anionów reszt kwasowych. (patrz tabelka z kwasami). Szczególny jon jon amonowy NH 4 + (amon). 2. Reakcje jonowe reakcje, w których co najmniej jeden z reagentów jest jonem. Jako reakcje jonowe możemy rozpatrywać poniższe przemiany chemiczne: reakcja metalu z kwasem podstawą do stwierdzenia biegu reakcji jest szereg napięciowy metali; reakcja zobojętniania kwas + wodorotlenek; reakcja strąceniowa typu sól + sól podstawą do stwierdzenia biegu reakcji jest tablica rozpuszczalności; reakcja straceniowa typu sól + zasada - podstawą do stwierdzenia biegu reakcji jest tablica rozpuszczalności; reakcja wypierania metalu z jego soli - podstawą do stwierdzenia biegu reakcji jest szereg aktywności metali. Tablica rozpuszczalności i szereg aktywności metali są podstawowym narzędziem (obok układu okresowego), z którego każdy może korzystać i nie trzeba się tego uczyć na pamięć!!! 3. pojęcie kwasu i zasady w ujęciu jonowym. Jakie jony odpowiadają za to, czym jest dany roztwór (kwasem, zasadą czy roztworem obojętnym) i co można powiedzieć o ich wzajemnym stosunku w roztworze. Szczególnym przypadkiem jest tu zasada amonowa a nie ma wodorotlenku amonu!!! 4. pojecie ph roztworu jak interpretować wartości ph różnych roztworów (odczyn kwasowozasadowy). Szereg aktywności metali aktywność maleje z lewa na prawo! Li, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn(II), Zn, Cr(III), Fe(II, Co(II), Ni(II), Sn(II), Pb(II), H, Bi(III), Cu(II), Ag(I), Hg(II), Au(III) W nawiasach podano typową wartościowość danego metalu, jaką przejawia on w swoich związkach. Metale znajdujące się na lewo od wodoru (zaznaczone na czerwono i zielono) reagują z kwasami z wydzieleniem wodoru są od niego aktywniejsze, więc wypierają go z kwasu. Metale będące na prawo za wodorem (zaznaczone na niebiesko) są od niego mniej aktywne, słabsze, więc nie mogą go wyprzeć z kwasu w efekcie metale te nie reagują z kwasami wg znanego wam schematu: metal + kwas = sól + wodór. Mogą one natomiast reagować z kwasami wg innego mechanizmu, ale o takich reakcja w gimnazjum nie mówimy.
Wiadomości dotyczące reakcji i równań jonowych strona 2 z 6 Jedynym metalem z przedstawionych w szeregu nie reagującym w ogóle z kwasem to złoto. Reaguje ono dopiero z mieszaniną kwasów - azotowego(v) i solnego, zwaną wodą królewską. Warto tutaj nadmienić, że metale najbardziej aktywne, znajdujące się w szeregu aktywności metali na jego początku mogą wypierać wodór już z wody. Tak aktywne metale to metale z grupy 1 i 2 układu okresowego (zaznaczone na czerwono). Ten sam szereg aktywności metali informuje nas o tym, kiedy może zajść reakcja typu: sól + metal. Reakcja taka zachodzi według identycznej zależności aktywniejszy metal może wyprzeć mniej aktywny z jego soli. Tak więc np. z roztworu CuSO 4 można wyprzeć miedź przy pomocy np. Zn. Odwrotna sytuacja jest niemożliwa Cu nie wyprze Zn z ZnSO 4. CuSO 4 + Zn = Cu + ZnSO 4 Cu + ZnSO 4 = reakcja nie biegnie! Zapis równań reakcji jonowych Pisząc równania reakcji jonowych pisze się je z reguły 3-krotnie: cząsteczkowo, jonowo w sposób pełny i jonowo w sposób uproszczony. Pisząc równania jonowe należy zadbać o to, aby zgadzało się ono stechiometrycznie jak i pod kątem ładunków elektrycznych łączny ładunek substratów i produktów musi być taki sam. Jest to konsekwencja bardzo ważnego prawa fizycznego zasady zachowania ładunku elektrycznego. Poniżej podano teraz po jednym przykładzie dla każdej z wymienionych wcześniej reakcji jonowych. Reakcje dysocjacji elektrolitycznej (jonowej). Kwasy dysocjują na kationy wodorowe i aniony reszty kwasowej. Wszystkiem kwasy są rozpuszczalne w wodzie H 3 PO 4 = 3H + + PO 4 3- Wodorotlenki dysocjują na kationy metalu i aniony wodorotlenkowe. Rozpuszczalne są tylko wodorotlenki metali grupy 1 i 2, ale dla celów ćwiczeniowych można i rozpisywać i inne wodorotlenki. Ca(OH) 2 = Ca 2+ + 2OH - Sole dysocjują na kationy metalu i aniony reszty kwasowej. Na 2 SO 3 = 2Na + + SO 3 Reakcja metalu z kwasem, np. Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2 zapis cząsteczkowy Teraz rozpisujemy na jony to, co w wodzie się rozpuszcza i ulega dysocjacji z uwzględnieniem współczynników stechiometrycznych równania: Zn + 2H + + SO 4 = Zn 2+ + SO 4 + H 2
Wiadomości dotyczące reakcji i równań jonowych strona 3 z 6 Teraz skracamy te drobiny, które się powtarzają po obu stronach równania są one dla danego procesu nieistotne. Takimi drobinami w tym przykładzie są aniony siarczanowe(vi) SO 4 Zn + 2H + = Zn 2+ + H 2 zapis jonowy uproszczony Dopiero zapis jonowy uproszczony oddaje istotę danej reakcji. Jak widać z powyższego zapisu, tak naprawdę reaguje atom cynku z kationami wodorowymi. Atom cynku, będący bardziej aktywny od wodoru (co wynika z szeregu aktywności) oddaje swoje elektrony walencyjne na korzyść kationów wodorowych. Tym samym atom cynku przekształca się w kation cynku i przechodzi do roztworu, a kationy wodorowe przechodzą w atomy wodoru, łączą się w dwuatomowe cząsteczki i wodór jako gaz opuszcza środowisko reakcji. czyli ucieka, o czym graficznie świadczy strzałka w górę zapisana przy wzorze cząsteczki wodoru. Reakcja zobojętniania, czyli reakcja kwasu z wodorotlenkiem, np. 2HNO 3 + Ba(OH) 2 = Ba(NO 3 ) 2 + 2 H 2 O zapis cząsteczkowy 2H + + 2NO 3- + Ba 2+ + 2OH - = Ba 2+ + 2NO 3- + 2H 2 O 2H + + 2OH - = 2H 2 O zapis jonowy uproszczony Jak poprzednio, zapis jonowy uproszczony oddaję istotę danej reakcji chemicznej. Reakcja zobojętniania polega na reakcji kationów wodorowych z anionami wodorotlenkowymi, w efekcie czego powstają niezdysocjowane cząsteczki wody. Reakcja ta biegnie zawsze tak samo niezależnie od tego, jaki kwas i jaki wodorotlenek reagują ze sobą. Kationy metalu i aniony reszty kwasowej są tutaj nieistotne i pozostają w roztworze. Reakcja strąceniowa typu sól + sól. Reakcja strąceniowa typu sól + sól zachodzi wtedy, gdy obie sole będące substratami są rozpuszczalne w wodzie i jedna z solo będących produktami reakcji jest nierozpuszczalna w wodzie, więc wytrąca się z roztworu jako osad. Niech przykładem takiej reakcji będzie reakcja pomiędzy azotanem(v) srebra AgNO 3 oraz chlorkiem sodu NaCl. AgNO 3 + NaCl = AgCl + NaNO 3 Ag + + NO 3- + Na + + Cl - = AgCl + Na + + NO 3 - Ag + + Cl - = AgCl zapis cząsteczkowy zapis jonowy uproszczony Tutaj również zapis jonowy uproszczony pokazuje istotę tej przemiany. Jeżeli w danym roztworze spotkają się kationy srebra i aniony chlorkowe to będą ze sobą reagowały i powstanie nierozpuszczalna w wodzie sól chlorek srebra, która wytrąci się w postaci odpowiedniego osadu. Jeżeli w roztworze znajdą się jony, które ze sobą nie reagują, czyli nie dają razem substancji nierozpuszczalnej w wodzie (czyli nie powstaje osad), to uznaje się, że reakcja nie zachodzi.
Wiadomości dotyczące reakcji i równań jonowych strona 4 z 6 Reakcja strąceniowa typu sól + zasada. Reakcja strąceniowa typu sól + zasada jest reakcją analogiczną do poprzedniej, tylko dotyczy strącania się osadów nierozpuszczalnych w wodzie wodorotlenków metali spoza grupy 1 i 2 (tzw. metali ciężkich). Zachodzi pomiędzy solą danego metalu spoza grupy 1 i 2 rozpuszczalną w wodzie i mocną zasadą, czyli wodorotlenkiem metalu z grupy 1, z reguły wodorotlenkiem sodu lub potasu. W konsekwencji powstaje sól sodu lub potasu i nierozpuszczalny w wodzie wodorotlenek metalu ciężkiego. Pb(NO 3 ) 2 + 2KOH = Pb(OH) 2 + 2KNO 3 Pb 2+ + 2NO 3 - + 2K + + 2OH - = Pb(OH) 2 + 2K + + 2NO 3 - zapis cząsteczkowy Pb 2+ + 2OH - = Pb(OH) 2 zapis jonowy uproszczony Zapis jonowy uproszczony informuje o tym, że jeżeli w danym roztworze spotkają się kationy metalu ciężkiego i aniony wodorotlenkowe, to będą one ze sobą reagowały i powstanie nierozpuszczalny w wodzie wodorotlenek tego metalu, który wytrąci się w postaci osadu. Reakcja wypierania metalu z jego soli. Podobnie jak metal może wypierać wodór z jego związków (wody lub kwasu), tak metal aktywniejszy może wypierać metal mniej aktywny z roztworu jego soli, co zostało już przedstawione przy omawianiu szeregu aktywności metali. CuSO 4 + Zn = Cu + ZnSO 4 zapis cząsteczkowy Cu 2+ + SO 4 + Zn = Cu + Zn 2+ + SO 4 Cu 2+ + Zn = Cu + Zn 2+ zapis jonowy uproszczony Jak widać z powyższego zapisu, tak naprawdę reaguje atom cynku z kationami miedzi(ii). Atom cynku, będący bardziej aktywny od miedzi (co wynika z szeregu aktywności) oddaje swoje elektrony walencyjne na korzyść kationów miedzi(ii). Tym samym atom cynku przekształca się w kation cynku i przechodzi do roztworu, a kationy miedzi(ii) przechodzą w atomy miedzi, co wizualnie widać, że szara blaszka cynku pokrywa się czerwono-rudym nalotem metalicznej miedzi. Pojęcie kwasu i zasady w ujęciu jonowym. W kategoriach grupy substancji mówimy o kwasach i wodorotlenkach. W szerszym ujęciu mówimy o roztworach wodnych o charakterze kwasu lub zasady. W czystej wodzie zachodzi, choć w bardzo niewielkim stopniu reakcja autodysocjacji wody wg zapisu: H 2 O = H + + OH - Z zapisu tego wynika, że w czystej wodzie znajdują się w proporcji 1:1 zarówno kationy wodorowe, jak i aniony wodorotlenkowe. O każdym roztworze wodnym, w którym ilość obu jonów jest identyczna mówimy, że jest obojętny (ma odczyn obojętny). Są substancje, które dodane do wody powodują wzrost ilości kationów wodorowych H +. Roztwory wodne, w których ilość kationów wodorowych jest większa niż ilość anionów wodorotlenkowych
Wiadomości dotyczące reakcji i równań jonowych strona 5 z 6 nazywamy roztworami kwasowymi (o odczynie kwasowym). Takimi substancjami są kwasy, które w wodzie dysocjują na kationy wodorowe i aniony reszty kwasowej. Są również substancje, które dodane do wody powodują wzrost ilości anionów wodorotlenkowych OH -. Roztwory wodne, w których ilość anionów wodorotlenkowych jest większa niż ilość kationów wodorowych nazywamy roztworami zasadowymi (o odczynie zasadowym). Takimi substancjami są rozpuszczalne w wodzie wodorotlenki, które w niej dysocjują na kationy metalu i aniony wodorotlenkowe. Jest jednak jedna substancja, która NIE JEST wodorotlenkiem, nie ulega zjawisku dysocjacji jonowej w wodzie, ale roztwór wodny tej substancji ma odczyn zasadowy. Substancją tą jest amoniak NH3, substancja gazowa i charakterystycznym zapachu, świetnie rozpuszczająca się w wodzie. Niewielka część cząsteczek amoniaku reaguje z wodą dając OD RAZU jony poniższego równania. Dlatego roztwór amoniaku w wodzie tzw. woda amoniakalna ma charakter zasadowy, może reagować z kwasami dając sole amonowe, jedyne sole, w których zamiast kationu metalu jest kation amonowy NH 4 + Sole amonowe. NH 3 + H 2 O = NH 4+ + OH - NH 3 + HCl = NH 4 Cl chlorek amonu Sole amonowe są bardzo podobne do soli sodu i potasu, bo kation amonowy jest bardo podobny w swoich własnościach do kationu sodu i potasu. Tak jak wszystkie sole sodu im potasu są bezbarwne i świetnie rozpuszczalne w wodzie, tak i sole amonowe są bezbarwne i świetnie rozpuszczalne w wodzie. Jest jednak jedna cecha pozwalająca szybko odróżnić sole amonowe od soli sodu i potasu - są one nietrwałe w środowisku zasadowym i wydziela się wtedy amoniak, gaz, który można wykryć po charakterystycznym zapachu lub przy pomocy wilgotnego papierka uniwersalnego. Barwi się on wtedy na charakterystyczny dla środowiska zasadowego kolor zielono-niebieski. NH 4 Cl + NaOH = NH 3 + NaCl + H 2 O NH 4+ + Cl - + Na + + OH - = NH 3 + H 2 O + Na + + Cl - NH 4+ + OH - = NH 3 + H 2 O ph roztworu i skala ph W celu dokładnego oznaczenia kwasowości i zasadowości roztworów przyjęto posługiwać się tzw. skalą ph. Jest to skala liczbowa o wartościach zmieniających się od 0 do 14 (w skrajnie stężonych kwasach wartość ph < 0, w w skrajne stężonych zasadach ph>14). Nie wdając się w szczegóły matematyczne można w pewnym przybliżeniu powiedzieć, że łączna ilość obu jonów H + i OH - jest w każdym roztworze wodnym i w czystej wodzie taka sama i ściśle określona. Jeżeli zwiększa się ilość jednych jonów, to zmniejsza się automatycznie ilość drugich jonów. Jeżeli znamy ilość (stężenie) jednych jonów, to i znamy zarazem ilość (stężenie) drugich jonów. Skala ph powstała przez pewien zabieg matematyczny na wartościach stężenia kationów wodorowych H + w roztworze (dlatego ph!) i dlatego skala ta opisuje zarówno odczyn kwasowy jak i zasadowy. Z tej matematyki wynika również, że: a) w czystej wodzie stężenie jonów H + i OH - jest takie samo i ph czystej wody wynosi 7. Taką sytuację nazywamy odczynem obojętnym. Każdy roztwór, w którym istnieje równowaga pomiędzy tymi jonami ma ph = 7 i jest roztworem obojętnym;
Wiadomości dotyczące reakcji i równań jonowych strona 6 z 6 b) w roztworach kwasów ilość jonów H + jest większa od ilości jonów OH - i ph jest wtedy mniejsze od 7, czyli: 0 < ph < 7. Mówimy, że roztwór ma odczyn kwasowy. Warto tutaj dodać, że są i inne substancje, które powodują spadek ph poniżej 7, nie tylko kwasy. c) w roztworach zasad, czyli rozpuszczalnych wodorotlenków ilość jonów H + jest mniejsza od ilości jonów OH - i ph jest wtedy większe od 7, czyli: 7 < ph < 14. Mówimy, że roztwór ma odczyn zasadowy. Warto tutaj również nadmienić, że są i inne substancje, które powodują podwyższanie ph powyżej 7, nie tylko zasady. Takim znanym już przykładem jest amoniak. Ale nie tylko! Ogólnie rzecz biorąc, im wyższe jest ph, to tym mniej jest kwasowy roztwór lub tym bardziej zasadowy. Możemy porównywać ze sobą różne roztwory wodne na podstawie wartości ich ph.