Równania reakcji - postać jonowa a postać cząsteczkowa

Z postacią cząsteczkową i jonową równań reakcji spotykamy się często, ale są sprawy, które dla wielu stanowią zagwozdkę. W wielu przypadkach zapisanie jonowego równania reakcji nie stanowi problemu, ale cząsteczkowego dla tej samej reakcji – już tak. I to czasem spotykam na grupach dyskusyjnych. I o to to właśnie dostałem pytanie bezpośrednio. Z dziedziny tych, które lubię. Rozpatrzmy najpierw wyjściowe, a raczej: wejściowe równanie reakcji.

Ale co się stanie, gdy zamiast KOH, użyjemy NaOH?

Może powstanie K₂MnO₄ i Na₂SO₄?

Ale czemu akurat one? Więc może powstanie Na₂MnO₄ i K₂SO₄?

Tu jak widzimy, ze względu na brak odpowiedniej liczby kationów sodu musi powstać też K₂MnO₄. No ale czemu tak? A może kationy Na⁺ i K⁺ tworzą z anionami MnO₄^2- sól podwójną?

A może jeszcze inna sól podwójna się tworzy? No właśnie. Która wersja jej poprawna? No bo skąd mamy wiedzieć „jak to się połączy ze sobą?” No właśnie, skąd? Póki były tylko kationy potasu, to nie mieliśmy problemu… A co, gdy dodać NaOH zamiast KOH? Które jony połączą się z którymi, byśmy mogli zapisać postać cząsteczkową? Jak to przewidzieć? Zadajmy sobie najpierw inne pytanie: czy którekolwiek równanie reakcji, w którym użyliśmy NaOH zamiast KOH ma sens? Stechiometrycznie się zgadza, ale reszta? Przecież na papierze to każda reakcja zachodzi, bo zbilansujemy wszystko. Właśnie to pytanie, które jest mi znane z różnych grup dyskusyjnych, ale pierwszy raz dostałem bezpośrednio pokazuje sedno problemu. Nie we wszystkich reakcjach jest uzasadnione, by zapisywać je w postaci cząsteczkowej. Wyjaśnimy, dlaczego. Przyjrzyjmy się pierwszej wersji z NaOH:

Jak w praktyce wygląda wykonanie takiej reakcji? Mieszamy ze sobą roztwory wodne: roztwór KMnO₄ z roztworem NaOH i z roztworem K₂SO₃. Otrzymujemy ciemnofioletowy roztwór, który po dodaniu reduktora zmienia kolor na zielony. No właśnie – rozwór substratów przechodzi w roztwór produktów. Wszystkie nasze substancje (poza wodą) są związkami jonowymi. W roztworze są zdysocjowane praktycznie całkowicie. Teraz naszą postać cząsteczkową zamienimy na formę jonową:

Uporządkujmy to teraz nieco inaczej, dla większej przejrzystości:

A teraz rozpatrzmy teraz wersję z solą podwójną:

Po identycznym zabiegu otrzymujemy:

Czyli to samo. I trzecia wersja znowu da nam ten sam wynik. A wynika to stąd, że otrzymujemy zupę jonową. Żadne kationy nie tworzą tutaj trwałego połączenia z jakimiś konkretnymi anionami. Nie ma konkretnych „cząsteczek”*. Z perspektywy kationów jest obojętne, co robią aniony ze sobą. Co więc z tą postacią cząsteczkową? Każda jest prawidłowa i żadna nie jest prawidłowa. Bo to i tak nie ma znaczenia, skoro nic z niczym się nie wiąże. Zobaczmy: w wypadku reakcji wymiany podwójnej nie mamy problemu z ustaleniem co się z czym połączy – pomaga nam w tym tabela rozpuszczalności, z której odczytujemy, że np. jony Ag⁺ i Cl^- wiążą się ze sobą w osad AgCl.

Pomijając reakcje wymiany podwójnej to w ogromnej liczbie przypadków zapisywanie w postaci cząsteczkowej równań reakcji, w których otrzymujemy roztwór i zupę jonową – nie ma sensu. Czyli w rozważanym przypadku nie ma to sensu. Ma to sens dopiero, gdy dana reakcja służy do otrzymywania jakiegoś związku, czyli jest podstawą metody preparatywnej.I tak w przypadku reakcji, gdzie zamiast K₂SO₃ użyć BaSO₃ jako reduktora możemy ustalić postać cząsteczkową, np. dla takiej reakcji, której równanie widzimy poniżej.

Nie powstanie nam tutaj inny związek baru niż BaSO₄, bo związek ten jest praktycznie nierozpuszczalny, w przeciwieństwie do pozostałych soli. Innej kombinacji niż KNO₃ i Mn(NO₃)₂ zresztą nie mamy. No chyba żeby powstała sól podwójna, co w niektórych przypadkach jest możliwe. Podobnie cząsteczkową postać można zapisać w przypadku redukcji K₂Cr₂O₇ alkoholem w środowisku kwasowym. Dopóki pozostajemy w roztworze, to wygląda to tak (w szkolnym zapisie):

Ale w pełnej postaci jonowej otrzymamy:

To też postać „uszkolniona” bo ja bym zapisał 4H⁺ + 4HSO₄^- po lewej. Ale co, gdybyśmy ten roztwór odparowali? Aldehyd i woda odparują, ale jony K⁺, Cr³⁺, SO₄^2- i część wody utworzą jeden związek: dwunastowodny siarczan(VI) chromu(III)-potasu KCr(SO₄)₂*12H₂O. Zauważmy, że w reakcji powstaje za mało wody, by ten związek powstał, ale jest tam ona użyta jako rozpuszczalnik. Redukcja alkoholem zakwaszonego przez H₂SO₄ roztworu K₂Cr₂O₇ jest metodą otrzymywania tego ałunu.  Całość możemy zamknąć w bilansie (równaniu) stechiometrycznym:

Takie zapisy znajdziemy np. w preparatykach. Bo dotyczy to sytuacji, gdy można otrzymać konkretne substancje - można je w jakiś sposób wydzielić, albo same opuszczają układ reakcyjny. A w roztworze to i tak nie ma sensu i nikt nie powinien nikogo zmuszać do zapisywania postaci cząsteczkowej. A ogólnie to ma sens tylko dlatego, że w tym wypadku takie substancje jesteśmy w stanie otrzymać z mieszaniny poreakcyjnej i ma one znaczenie preparatywne. Przedstawione równanie dotyczy bilansu, gdy odparujemy roztwór poreakcyjny. W większości znanych mi źródeł i tak jest on niezbyt poprawny, bo widzę w zapisie cząsteczkowym K₂SO₄ + Cr₂(SO₄)₃. A wracając do wejściowego równania: to nic się nie strąca, byśmy mogli powiązać jakoś jony, które z którymi się zwiążą. I jak sami zauważymy, takich przypadków jest sporo. Póki więc rozpatrujemy roztwory, z zwykle zapisujemy reakcje zachodzące po zmieszaniu wodnych roztworów, to zapis cząsteczkowy nie ma sensu. Co innego, gdyby zamiast wody rozpuścić substraty w innym rozpuszczalniku. Np. w takim, w którym dobrze rozpuszczają się KMnO₄, K₂SO₃ i NaOH, ale źle rozpuszcza się np. K₂MnO₄. Wtedy jesteśmy w stanie wydedukować resztę, bo byłaby tylko jedna kombinacja:

Albo gdyby znaleźć rozpuszczalnik, w którym potencjalna sól podwójna była słabo rozpuszczalna:

To hipotetyczne sytuacje, bo być może ani taka sól podwójna, ani odpowiedni rozpuszczalni nie są znane. Ale już w przypadku:

Otrzymujemy sól podwójną, bo jest ona mniej rozpuszczalna niż K₂SO₄ czy Cr₂(SO₄)₃*7H₂O. W przeciwnym przypadku moglibyśmy otrzymać równomolową mieszaninę K₂SO₄ i Cr₂(SO₄)₃*7H₂O.

Konkretny przebieg reakcji można wymusić też dodając odpowiedniego rozpuszczalnika do roztworu poreakcyjnego, a nawet „przedreakcyjnego” – jeśli zmieszamy wodne roztwory CuSO₄ i np. KCl, to otrzymujemy też roztwór. Pozornie nic się nie dzieje**. Ale jeśli dodać tam alkoholu, to wytrąci się K₂SO₄ i otrzymamy roztwór CuCl₂ – wszystko dlatego, że CuCl₂ dobrze rozpuszcza się w alkoholach, a K₂SO₄ jest w nich bardzo słabo rozpuszczalny.

Możemy przyjąć, że reakcja zaszła dopiero po dodaniu alkoholu**. To nas może trochę dziwić, bo uczymy się, że i CuCl₂ i K₂SO₄ są dobrze rozpuszczalne i jak popatrzymy do tabeli rozpuszczalności, to żaden z nich się nie strąca. Ale tabela rozpuszczalności dotyczy wodnych roztworów. A wymiana rozpuszczalnika na inny to też inna chemia niż ta, do której przywykliśmy i której się uczymy i w kategoriach której myślimy.

Wspomniałem o tym, że takie zapisy, jak z tym ałunem, spotykamy w preparatykach. I tak preparatyka Brauera podaje takie równanie redukcji KMnO₄ w silnie zasadowym środowisku (stężona zasada sodowa – wtedy powstają manganiany V, a nie manganiany (VI):

Zapis taki wynika z faktów, że 1) do reakcji używamy nie roztworu K₂SO₃, tylko stałego (krystalicznego) K₂SO₃*7H₂O, a 2) w roztworze poreakcyjnym pojawiają się kryształy (osad) najsłabiej rozpuszczalnego Na₃MnO₄*10H₂O. Kryształy te można odsączyć, a przesącz jest roztworem Na₂SO₄ i KOH, czy roztworem K₂SO₄ i NaOH? Nie rozstrzygniemy tego, bo wracamy do punktu wyjścia, a raczej wejścia. Dlatego ostatnie dwa wyrazy prawej strony równania należy traktować czysto formalnie, a do tego można zamiennie napisać tak:

I w sumie to nawet wygląda lepiej niż oryginalne równanie, bo w pierwotnej wersji mieliśmy niewykorzystane jony OH^- w reakcji. Wygląda to na pomyłkę po prostu. Gdyby fioletowy roztwór przeszedł po prostu z niebieski roztwór – to zapis w formie cząsteczkowej znowu nie miałby większego sensu…No bo znowu: a może powstanie K₃MnO₄? W końcu jony potasu też tam mamy 😉 A że coś konkretnego się wytrąca – to ma to sens.

Kończąc: nie bez powodu pisze się redoksy (np. na maturze) w postaci jonowej. Bo często tylko jonowy zapis ma sens. Zmuszanie więc kogoś, by zapisał postać cząsteczkową reakcji KMnO₄ + K₂SO₄ + NaOH zachodzącej w roztworze wodnym („Popatrzcie dzieci, kolor z pomarańczowego zmienił się na zielony”) nie ma sensu pod względem chemicznym. Chyba, że jesteśmy w stanie których produkt wydzielić i układamy bilans dla metody preparatywnej, ale w probówce – sensu to nie ma.

* W roztworze poreakcyjnym mogą istnieć małe ilości par jonowych. Pojęcie to wyjaśniam tutaj.

** W rzeczywistości ze względu na kowalencyjnych charakter CuCl₂ reakcja zachodzi także w roztworze wodnym, ale jej produkty są dobrze rozpuszczalne. W roztworach o niezbyt małym stężeniu CuCl₂ jest słabo zdysocjowany – po zmieszaniu roztworu CuSO₄ z roztworem KCl, NaCl itp. obserwujemy zmianę zabarwienia z niebieskiej do zielonej – typowej dla roztworu CuCl₂. Dodanie alkoholu umożliwia wytrącenie jonowego produktu reakcji.