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 ${\text{Ba}}^{2+}$‍ és a ${\text{Na}}^{+}$‍ a kation, míg a ${\text{Cl}}^{-}$‍ és a ${\text{SO}}_4^{2-}$‍ az anion. Ha az anionokat vagy a kationokat felcseréljük egymással, akkor ${\text{BaSO}}_4$‍ és $\text{NaCl}$‍ 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, ${\text{NaHCO}}_3$‍ – és ecetet – többnyire ecetes vizet, ${\text{CH}}_3\text{COOH}(aq)$‍ – elegyítünk, amikor is szénsav – ${\text{H}}_2{\text{CO}}_3$‍ – és nátrium-acetát – ${\text{NaCH}}_3\text{COO}$‍ – 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 ${\text{H}}^{+}$‍ és a ${\text{Ba}}^{2+}$‍, az anionok pedig a ${\text{SO}}_4^{2-}$‍ és a ${\text{OH}}^{-}$‍. A termékek az anionok cseréjéből adódnak: ${\text{H}}_2\text{O}$‍ és ${\text{BaSO}}_4$‍:

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 ${\text{BaSO}}_4$‍ után zárójelbe $(sz)$‍-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 ${\text{H}}_2\text{O}$‍-t megszorozzuk $2$‍-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.