4.8: 水溶液中の化学反応

化学物質はさまざまな方法で相互作用します。 ある種の化学反応には、共通の反応性のパターンがあります。 化学反応の数は膨大なため、観察された相互作用のパターンに基づいて分類する必要があります。

水は多くの物質を分解できるよい溶媒です。 このため、多くの化学反応が水中で発生します。 このような反応は、水系反応と呼ばれます。 最も一般的な 3 種類の水系反応は、沈殿、酸塩基、酸化還元です。

水溶液中の反応

沈殿反応では、水性溶液中のイオン化合物間でイオンを交換し、不溶性塩または沈殿物を形成します。 酸塩基反応とは、酸と塩基が反応し、両者が中和して塩と水が生成される反応のことです。 酸化還元反応では、反応する種間の電子の移動が含まれます。 電子を失う反応物質は酸化していると言われ、電子を得る反応物質は還元していると言われます。

水系反応の方程式

イオンが関与している場合、水性媒体で起こる反応を表現する方法は様々であり、それぞれが異なるレベルの詳細を持っています。 これを理解するために、析出反応の例を見てみます。 反応は、 BaCl₂ や AgNO₃ などのイオン化合物の水溶液中で起こります。 反応の生成物は、水性の Ba(NO₃)₂ と固体の AgCl です。

この平衡方程式は分子方程式と呼ばれます。 分子方程式は、定量的計算を行うための化学量論的情報を提供し、使用される試薬と生成される製品の同定にも役立ちます。 しかし、分子方程式は溶液中の反応プロセスの詳細を提供しません。つまり、溶液中に存在するさまざまなイオン種を示すものではありません。  

BaCl₂ 、 AgNO₃ 、 Ba(NO₃)₂ などのイオン化合物は水溶性です。 これらは、構成するイオンに解離して溶解し、そのイオンは溶液中に均一に分散しています。  

AgCl は不溶性塩であるため、イオンに解離せず、溶液中に固体としてとどまります。 上記の要因を考慮すると、より現実的な反応表現は次のようになります。  

これは、すべての溶存イオンが明示的に表される完全なイオン方程式です。  

この完全なイオン方程式は、両サイドに同一の形態で存在する 2 種類の化学種、 Ba²⁺(aq) と NO₃⁻ (aq)を示しています。 これらは傍観イオンと呼ばれます。 電荷の中立性を維持するには、これらのイオンの存在が必要です。 これらは化学的にも物理的にもプロセスによって変化しないため、方程式から除去される可能性があります。  

この方程式をさらに単純化することで、次のようになります。  

これが正味のイオン方程式です。 これは、これらのイオン源に関係なく、塩化銀および銀イオンから固体塩化銀が生成される可能性があることを示しています。  

このテキストは 、 OpenStax Chemistry 2e 、 Section 4.1: Writing and Balancing Chemical Equations から引用しています。  

水溶液中では多くの 化学反応が起こります これらの反応は主に3つの カテゴリーに分類されます 沈殿反応 酸-塩基反応 酸化-還元反応です 典型的な沈殿反応では 溶解した陽イオンと陰イオンが 一緒になって 不溶性の イオン性化合物を形成し 溶液から沈殿します 例えば 塩化カリウム水溶液と 硝酸銀水溶液との反応では 不溶性の塩化銀が析出します 酸-塩基反応では 酸からのプロトンと 塩基からのOHイオンが反応して 水を生成するように 酸と塩基が互いに中和します 対イオンは通常 反応して塩を形成します 例えば 臭化水素は 水酸化カリウムと反応して 水と臭化カリウムを生成します 酸化還元反応である レドックス反応では 電子がある反応物から 別の反応物に移動します 例えば カリウムの原子が 塩素の原子と結合して 塩化カリウムを形成するとき カリウムの原子は 塩素の原子に電子を1個失います 水溶液中で化学反応が起こると 水溶性の分子状固体は そのままの分子として溶解し 水溶性のイオン状固体は 分離したイオンとして存在します 水に溶けないイオン性固体は 未溶解のままです 水溶液中で起こる 反応の式を書く際には 溶解している物質の 性質を示す必要があります 硝酸鉛水溶液と ヨウ化ナトリウム水溶液との 沈殿反応で 固体のヨウ化鉛と 硝酸ナトリウム水溶液が 生成する場合を 考えてみましょう 化合物の完全な中性式が あたかも溶液中に 分子または全単位として 存在しているかのように 書かれているので 平衡式は分子式と 呼ばれています 硝酸鉛 ヨウ化ナトリウム 硝酸ナトリウムなどの 水溶性イオン性化合物は 溶液中にイオンとして存在し 水不溶性のヨウ化鉛は イオン性固体として存在します したがって 分子方程式は 完全なイオン方程式として 書き換えることができ これは可溶性イオン種を 溶液中の 自由イオンとして示します 完全なイオン方程式の両側に 同じ形で現れるイオンは スペクテータイオンと呼ばれます スペクテータイオンを 両辺からキャンセルすると 実際に反応に参加する イオンと分子のみを含む 正味のイオン方程式が得られます