Kemiallinen reaktio muodostaa määritelmän mukaan uudet kemikaalit (kutsutaan tuotteiksi) alkuperäisistä kemikaaleista (nimeltään reagenssit). Sen pitäisi olla järkevää, että muodostuneiden tuotteiden identiteetti riippuu siitä, mistä reagenteista aloitamme. Hapon lisääminen emäteen on esimerkki kemiallisesta reaktiosta, joten meidän pitäisi odottaa näkevämme uusia tuotteita. Vaikka tämän tyyppisellä reaktiolla on malli, lopulta muodostuneet tuotteet riippuvat siitä, mitä happoa ja emästä käytetään.
Ei helppo vastaus
Ensi silmäyksellä tähän kysymykseen on yksinkertainen vastaus. Useimmat johdantokemiakirjat opettavat, että hapon ja emäksen välistä reaktiota kutsutaan neutraloinniksi ja muodostuneet tuotteet ovat vesi ja suola. Jos esimerkiksi sekoitat suolahappoa (HCI) natriumhydroksidiin (NaOH), muodostuvat tuotteet ovat vesi (H20) ja natriumkloridi (NaCl), joka tunnetaan hyvin nimellä pöytäsuola.
HCl + NaOH -> H20 + NaCl
Ongelmana on, että se ei todellakaan ole niin yksinkertaista. Voidaksemme vastata täysin tähän kysymykseen, meidän on oltava paljon tarkempia.
Lähtökohta
Aloitetaan sekoittamalla vahva happo vahvaan emäkseen. Sanan "vahva" lisääminen tarkoittaa, että nämä hapot ja emäkset hajoavat kokonaan (tai hajoavat), kun ne pannaan veteen. Vahvan hapon käyttäminen kokeessa tarkoittaa, että happo on jo liuennut veteen (ja tämä pätee todennäköisesti myös emäksen kohdalla). Jos lisäät sitten happoa emäkseksi, tuotteista tulee vettä (jo olemassa olevan veden lisäksi) ja suolaa (joka ei välttämättä ole ”pöytäsuola”).
Sekoita esimerkiksi vahva happo HNO3 (typpihappo) vahvan emäksen KOH: n (kaliumhydroksidin) kanssa.
HNO3 + KOH -> H2O + KNO3
Tässä esimerkissä KNO3 on suola, joten vettä ja suolaa muodostuu odotetusti. Tämä reaktio tapahtuu vedessä, joten todennäköisesti suola ei ole sitoutunut toisiinsa, vaan sen sijaan erotetaan ioneina vedessä.
Täydellinen ioninen yhtälö
Itse asiassa kemistit kirjoittavat täydelliseksi ioniyhtälöksi osoittamaan, mitkä kemikaalit ovat dissosioituneet:
H + (aq) + NO3- (aq) + K + (aq) + OH- (aq) -> H2O (l) + K + (aq) + NO3- (aq)
Tämä pitkä yhtälö osoittaa, että vahva happo ja vahva emäs dissosioituvat vedessä (“aq” tarkoittaa vesipitoista), ja muodostuu vettä, jolloin kalium (K +) ja nitraatti (NO3-) ionit jäävät vettä.
Netoninen yhtälö
Tämä johtaa toiseen mielenkiintoiseen kysymykseen: Kuinka suola muodostuu? Tässä tapauksessa se ei ole. Suolan muodostavat ionit ovat olemassa, mutta nykyisessä muodossaan ne eivät ole muodostaneet suolaa. Joten kemistit kirjoittavat niin kutsutun nettoioniyhtälön osoittamaan, mitä todella tapahtui:
H + (vesiliuos) + OH- (vesiliuos) -> H20 (l)
Tämä kertoo meille, että ainoa todellinen reaktio on tämä esimerkki veden muodostuminen. Ionit K + ja NO3- eivät ole tehneet mitään, joten ne jätetään pois nettoioniyhtälöstä.
Neutralisaation komplisointi stökiometrialla
Entä jos haluaisit päätyä vain tuotteisiin - suolaan ja veteen - ja haluaisit olla varma, että kaikki happo ja emäs ovat poissa? Tästä tulee stoikiometrinen ongelma. Ilman riittävää emästä reaktiosta jää happoa. Happo ei ole tuote, mutta se sekoitetaan tuotteiden kanssa. Samoin liiallisen hapon lisääminen johtaisi jäljelle jääneeseen emäksen määrään, joka taas sekoitettaisiin tuotteisiin. Matemaattisesti voit laskea kuinka paljon happoa sinun pitäisi sekoittaa tietyn määrän emästä täydellisen neutraloinnin saavuttamiseksi.
Heikot hapot, heikot emäkset ja kaasunmuodostus
Entä jos happo tai emäs (tai molemmat) eivät ole ”vahvoja”? On monia heikkoja happoja ja emäksiä, mikä tarkoittaa, että ne hajoavat hyvin vähän sekoitettuina veteen. Yksinkertaisesti sanottuna neutralointi tapahtuu edelleen (muodostaen vettä ja suolaa), mutta jos ylitämme tämän yksinkertaisen toteamme, että täydelliset ioniset ja nettoioniset yhtälöt ovat hyvin erilaisia kuin vahva happo / vahva emäs reaktio.
On vielä yksi komplikaatio: Entä jos happo sekoitetaan NaHCO3: n kaltaiseen? Harkitse hyvin tunnettua reaktiota, joka tapahtuu, kun sekoitat ruokasoodaa (NaHCO3) happaman etikan kanssa. Muodostuu kaasu. Neutralointi tapahtuu, mutta tuotteet eivät enää ole vain vettä ja suolaa.
Katso esimerkiksi suolahappoa ja soodaa:
HCl + NaHCO3 -> NaCl + H2O + CO2
Tuotteet eivät ole vain suolaa (NaCl) ja vettä (H2O), vaan myös kaasua (CO2).
Johtopäätös
Ei ole yksinkertaista ratkaisua ongelmaan, mitä tuotteita saa sekoitettaessa happoa emäksen kanssa. Sekoituksen ja hapon emäksen kanssa lopputulos riippuu käytetystä haposta ja emäksestä ja siitä, kuinka paljon happoa ja emästä käytät. Hapon ja emäksen vahvuus tai heikkous vaikuttavat myös reaktion tuotteisiin. Yleensä nämä reaktiot johtavat suolan, veden ja joskus kaasun muodostumiseen.