Cserebomlás

Cserebomlási reakciók – melyeket más néven cserebomlásnak, kölcsönös szubsztitúciónak, vagy metatézisnek nevezünk – akkor játszódnak le, amikor két ionvegyület alkotói kicserélődnek, és ezáltal két új vegyület keletkezik. A cserebomlási reakciók általános sémája:

El lehet képzelni ezt a reakciót úgy, hogy a kationokat vagy az anionokat kicseréljük egymással, azonban nem mindkettőt, mert úgy az eredeti vegyületeket kapnánk vissza. A cserebomlással járó reakciók során általában víz az oldószer, a reagensek és a termékek pedig általában ionvegyületek – de lehetnek savak vagy bázisok is.

Példa a cserebomlásra:

Ebben a példában a $\greenD{\text{Ba}^{2+}}$start color #1fab54, start text, B, a, end text, start superscript, 2, plus, end superscript, end color #1fab54 és a $\maroonD{\text{Na}^+}$start color #ca337c, start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #ca337c a kation, míg a $\greenD{\text{Cl}^-}$start color #1fab54, start text, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #1fab54 és a $\maroonD{\text{SO}_4^{2-}}$start color #ca337c, start text, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, 2, minus, end superscript, end color #ca337c az anion. Ha az anionokat vagy a kationokat felcseréljük egymással, akkor $\text{BaSO}_4$start text, B, a, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript és $\text{NaCl}$start text, N, a, C, l, end text keletkezik.

Ha már ismered a sémát, akkor elég egyszerűen azonosíthatóak a cserebomlási reakciók. Azt, hogy végbemegy-e a reakció, nehezebb megjósolni, viszont segíthet, ha a cserebomlási reakciók leggyakoribb típusait felismered. Ebben a fejezetben a csapadékképződési és a közömbösítési reakciókkal foglalkozunk.

Csapadékképződési reakció akkor megy végbe, amikor két ionvegyület vizes oldatából vízben oldhatatlan ionvegyület keletkezik. Erre példa az ólom(II)-nitrát és kálium-jodid reakciója. Mindkét vegyület fehér színű szilárd anyag, amelyeket vízben oldva tiszta, színtelen oldatot kapunk. Ha ezt a két tiszta oldatot összeöntjük, a következő reakció megy végbe:

Gyönyörű, arany színű szilárd anyag képződött a két tiszta oldatból. Ha valóban elvégeznénk a kísérletet, valahogy úgy nézne ki a kémcső, mint ahogy az az alábbi képen látható:

Az oldhatatlan terméket csapadéknak nevezzük. A reakcióban szereplő oldószert és az oldható komponenseket pedig anyalúgnak, vagy felülúszónak nevezzük. Az oldhatósági szabályokat alkalmazhatjuk annak eldöntéséhez, hogy a csapadékképződési reakció végbe fog-e menni. A szilárd csapadék képződése a reakció előrehaladásának hajtóereje.

A közömbösítési reakciók a cserebomlási reakciók egyik típusa, amelyek egy sav és egy bázis között mennek végbe. Erre a reakcióra példa:

A vizes közegben lejátszódó közömbösítési reakciók során általában víz és egy új ionvegyület, más néven só keletkezik. A közömbösítési reakció azonosításának az a legnehezebb része, hogy felismerjük a savat és a bázist mint reaktánst. Ha már tudjuk, hogy közömbösítésről van szó, akkor általában azt mondhatjuk, hogy mindaddig, amíg van még a kiindulási erős savból és/vagy erős bázisból, a reakció a felső nyíl irányába játszódik le.

Talán te is kipróbáltad már azt a látványos közömbösítési reakciót, amelyben szódabikarbónát – nátrium-hidrogén-karbonátot, $\text{NaHCO}_3$start text, N, a, H, C, O, end text, start subscript, 3, end subscript – és ecetet – többnyire ecetes vizet, $\text {CH}_3 \text{COOH} (aq)$start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, C, O, O, H, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis – elegyítünk, amikor is szénsav – $\text {H}_2 \text{CO}_3$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, C, O, end text, start subscript, 3, end subscript – és nátrium-acetát – $\text{NaCH}_3 \text{COO}$start text, N, a, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, C, O, O, end text – keletkezik. Ha kipróbáltad otthon, akkor talán emlékszel az erőteljes pezsgésre, ugyanis a közömbösítési reakciót gázfejlődési reakció kíséri, amely során a szénsav szén-dioxid gázra – buborékokra – és vízre bomlik.

Megjegyzés: a cserebomlási reakciókat molekulaegyenlet, teljes ionos vagy nettó ionegyenlet formájában is fel lehet írni. Ebben a fejezetben csak molekulaegyenleteket írunk fel, de lehet, hogy meg szeretnéd ismerni az egyenletek felírásának egyéb formáit is.

Vegyünk egy olyan példát, melyben nem ismerjük a termékeket:

Először is azonosíthatjuk, hogy mely kationok és anionok fognak kicserélődni. A kationok a $\text{H}^+$start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript és a $\text{Ba}^{2+}$start text, B, a, end text, start superscript, 2, plus, end superscript, az anionok pedig a $\text{SO}_4^{2-}$start text, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, 2, minus, end superscript és a $\text{OH}^-$start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript. A termékek az anionok cseréjéből adódnak: $\text{H}_2 \text O$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text és $\text{BaSO}_4$start text, B, a, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript:

Láthatjuk, hogy ez a cserebomlás is semlegesítési reakció, mivel kénsavat – amely erős sav – reagáltatunk bárium-hidroxiddal, amely erős bázis. Milyen halmazállapotú a keletkező bárium-szulfát? Ha megnézzük az oldhatósági szabályokat, látjuk, hogy a bárium-szulfát oldhatatlan anyag, és az oldatból ki kell csapódnia. Tehát ez a reakció csapadékképződési reakció is! Ezt az információt is belefoglalhatjuk az egyenletbe, ha a $\text{BaSO}_4$start text, B, a, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript után zárójelbe $\blueD{(sz)}$start color #11accd, left parenthesis, s, z, right parenthesis, end color #11accd-t írunk.

Azonban még nem vagyunk teljesen készen. A reakcióegyenlet nincs rendezve, mivel a nyíl két oldalán a hidrogének és az oxigének száma nem egyezik meg. Ez úgy tudjuk orvosolni, ha a $\text{H}_2 \text O$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text-t megszorozzuk $\redD{2}$start color #e84d39, 2, end color #e84d39-vel, így megkapjuk a végső, rendezett molekulaegyenletet:

A cserebomlási reakciók során két ionvegyület anionja vagy kationja cserélődik ki egymással. A cserebomlási reakciók két gyakori típusa a csapadékképződés és a közömbösítés. A csapadékképződési reakciók során két vízoldható reagensből oldhatatlan termék keletkezik, és a csapadékképződési reakciót az oldhatósági szabályok használatával lehet azonosítani. Közömbösítési reakció akkor játszódik le, ha sav és bázis reagál egymással, és azoknak a közömbösítési reakcióknak van jelentősége, amelyekben erős sav és/vagy erős bázis vesz részt.