تفاعلات الترسيب في الكيمياء

تفاعلات الترسيب

يشير الترسيب إلى حدوث تفاعل كيميائي، وهو يحدث في محلول مائي عندما يترابط أيونان معًا لتكوين ملح غير قابل للذوبان والذي يُعرف بالراسب، ومن الممكن أن يحدث تفاعل الترسيب عندما يتم خلط محلولين يحتويان على أملاح مختلفة ويشكل زوج الكاتيون والأنيون في المحلول المشترك الناتج ملحًا غير قابل للذوبان ثم يترسب هذا الملح خارج المحلول.

فيما يلي مثال شائع جدا لتفاعلات الترسيب إذ تضاف نترات الفضة المائية (AgNO3) إلى محلول يحتوي على كلوريد البوتاسيوم (KCl) ويلاحظ ترسيب مادة صلبة بيضاء وهي مادة كلوريد الفضة (AgCl) عبر التفاعل التالي:

AgNO3 (aq) + KCl (aq) → AgCl (s) + KNO3 (aq)

لاحظ أن كلوريد الفضة المنتج هو الراسب ويتم تحديده كمادة صلبة، كما ويمكن أيضًا كتابة هذا التفاعل من حيث الأيونات الفردية المنفصلة في المحلول المشترك، ويُعرف هذا بالمعادلة الأيونية الكاملة:

Ag + (aq) + NO3− (aq) + K + (aq) + Cl− (aq) → AgCl (s) + K + (aq) + NO3− (aq)

تُعرف الطريقة الأخيرة لتمثيل تفاعلات الترسيب بالمعادلة الأيونية الصافية، وفي هذه الحالة تُترك أي أيونات متفرجة (تلك التي لا تساهم في تفاعلات الترسيب) خارج الصيغة تمامًا، وبدون الأيونات المتفرجة يتم تبسيط معادلة التفاعل إلى ما يلي:

Ag + (aq) + Cl− (aq) → AgCl (s)

يمكن أن تكون مراقبة تفاعلات الترسيب مفيدة في المختبر لتحديد وجود أيونات مختلفة في المحلول، وعلى سبيل المثال إذا تمت إضافة نترات الفضة إلى محلول ملح غير معروف ولوحظ وجود راسب فقد يحتوي المحلول غير المعروف على كلوريد (-Cl).

يحدث تكوين مركب غير قابل للذوبان أحيانًا عندما يتم خلط محلول يحتوي على كاتيون معين (أيون موجب الشحنة) بمحلول آخر يحتوي على أنيون معين (أيون سالب الشحنة)، حيث المادة الصلبة التي تنفصل تسمى راسب، غالبًا ما تكون المركبات التي تحتوي على الأنيونات مثل الكبريتيد (S2−) والهيدروكسيد (OH) والكربونات (CO32−) والفوسفات (PO43−) غير قابلة للذوبان في الماء، سيتشكل الراسب إذا تمت إضافة محلول يحتوي على أحد هذه الأنيونات إلى محلول يحتوي على كاتيون معدني مثل +Fe2 أو +Cu2 أو +Al3.

Fe²⁺(aq) + 2 OH⁻(aq) → Fe(OH)2(s)

Al³⁺(aq) + PO₄³⁻(aq) → AlPO4(s)

المعادن مركبات غير قابلة للذوبان في الماء، ويمكن أن تكون تفاعلات الترسيب في الطبيعة مسؤولة عن تكوين المعادن في كثير من الحالات كما هو الحال مع الفتحات الموجودة تحت سطح البحر والتي تسمى “المدخنين السود” والتي تشكل الكبريتيدات المعدنية.

تحدث تفاعلات الترسيب عندما تتحد الكاتيونات والأنيونات في محلول مائي لتشكيل مادة صلبة أيونية غير قابلة للذوبان ويمكن تحديد ما إذا كان مثل هذا التفاعل يحدث أم لا باستخدام قواعد الذوبان للمواد الصلبة الأيونية الشائعة، ونظرًا لأن ليس كل التفاعلات المائية تشكل رواسبًا، يجب على المرء الرجوع إلى قواعد الذوبان قبل تحديد حالة المنتجات وكتابة معادلة أيونية صافية، وتسمح القدرة على التنبؤ بهذه التفاعلات للعلماء بتحديد الأيونات الموجودة في المحلول وتسمح للصناعات بتكوين مواد كيميائية عن طريق استخراج المكونات من هذه التفاعلات.

الرواسب عبارة عن نواتج صلبة أيونية غير قابلة للذوبان تتشكل عندما تتحد كاتيونات وأنيونات معينة في محلول مائي، ويمكن أن تختلف العوامل المحددة لتشكيل الراسب، إذ تعتمد بعض التفاعلات على درجة الحرارة مثل المحاليل المستخدمة للمخازن المؤقتة، بينما يعتمد البعض الآخر على تركيز المحلول فقط.

المواد الصلبة المنتجة في التفاعلات المترسبة هي مواد صلبة بلورية، ويمكن تعليقها في جميع أنحاء السائل أو تسقط في قاع المحلول، ويسمى السائل المتبقي سائل طاف، ويمكن فصل مكوني الخليط (الراسب والطاف) بطرق مختلفة مثل الترشيح أو الطرد المركزي أو الصب.

الترسيب وردود الفعل المزدوجة

يتطلب استخدام قواعد الذوبان فهم الطريقة التي تتفاعل بها الأيونات، ومعظم تفاعلات الترسيب هي تفاعلات استبدال مفردة أو تفاعلات استبدال مزدوجة، ويحدث تفاعل الاستبدال المزدوج عندما ينفصل اثنان من المتفاعلات الأيونية ويترابطان مع الأنيون أو الكاتيون المعين من المادة المتفاعلة الأخرى، وتستبدل الأيونات بعضها البعض بناءً على رسومها إما كاتيون أو أنيون، حيث يمكن اعتبار هذا على أنه “تبديل الشركاء” أي أن المتفاعلين “يفقد” كل منهما شريكه ويشكل رابطة مع شريك مختلف.

يتم تصنيف تفاعل الاستبدال المزدوج على وجه التحديد على أنه تفاعل ترسيب عندما تحدث المعادلة الكيميائية المعنية في محلول مائي ويكون أحد المنتجات المتكونة غير قابل للذوبان، وفيما يلي مثال عليه:

CdSO4 (aq)+K2S (aq) → CdS (s) + K2SO4 (aq)

كلا المتفاعلين مائيان ومنتج واحد صلب، ونظرًا لأن المواد المتفاعلة أيونية ومائية فإنها تنفصل وبالتالي فهي قابلة للذوبان، ومع ذلك هناك ستة مبادئ توجيهية للذوبان تستخدم للتنبؤ بالجزيئات غير القابلة للذوبان في الماء، وتشكل هذه الجزيئات راسبًا صلبًا في المحلول.

تملي قواعد الذوبان ما إذا كان التفاعل يشكل راسبًا أم لا، توفر هذه القواعد إرشادات تخبرنا عن الأيونات التي تشكل المواد الصلبة والتي تبقى في شكلها الأيوني في محلول مائي، ويجب اتباع القواعد من أعلى إلى أسفل مما يعني أنه إذا كان هناك شيء غير قابل للذوبان (أو قابل للذوبان) بسبب القاعدة 1، فإن له الأسبقية على القاعدة ذات الأرقام الأعلى.

1. الأملاح المتكونة من كاتيونات المجموعة 1 و NH+ 4 كاتيونات قابلة للذوبان، وهناك بعض الاستثناءات لبعض أملاح +Li.
2. الأسيتات (C2H3O − 2) والنترات (NO − 3) والبيركلورات (ClO − 4) قابلة للذوبان.
3. البروميدات والكلوريدات واليود قابلة للذوبان.
4. الكبريتات (SO2−4) قابلة للذوبان باستثناء الكبريتات المكونة من +Ca2 و +Sr2 و +Ba2.
5. الأملاح المحتوية على الفضةوالرصاص والزئبق (I) غير قابلة للذوبان.
6. الكربونات (CO2−3) والفوسفات (PO3−4) والكبريتيدات والأكاسيد والهيدروكسيدات (OH) غير قابلة للذوبان، تعتبر الكبريتيدات المتكونة من المجموعة 2 الكاتيونات والهيدروكسيدات المتكونة من الكالسيوم والسترونشيوم والباريوم استثناءات.

إذا كانت القواعد تنص على أن الأيون قابل للذوبان فإنه يبقى في شكله الأيوني المائي، وإذا كان أيون غير قابل للذوبان بناءً على قواعد الذوبان فإنه يشكل مادة صلبة مع أيون من المادة المتفاعلة الأخرى، إذا تبين أن جميع الأيونات في التفاعل قابلة للذوبان، فلن يحدث تفاعل ترسيب.

صافي المعادلات الأيونية

لفهم تعريف المعادلة الأيونية الصافية تذكر معادلة تفاعل الاستبدال المزدوج، نظرًا لأن هذا التفاعل المعين هو تفاعل الترسيب يمكن تعيين حالات المادة لكل زوج متغير:

AB (aq) + CD (aq) → AD (aq) + CB (s)

تتمثل الخطوة الأولى لكتابة معادلة أيونية صافية في فصل المواد المتفاعلة القابلة للذوبان (المائية) والمنتجات إلى كاتيونات وأنيونات كل منها، لا تتفكك الرواسب في الماء لذلك لا ينبغي فصل المادة الصلبة، وتبدو المعادلة الناتجة كما يلي:

A + (aq) + B- (aq) + C + (aq) + D- (aq) → A + (aq) + D- (aq) + CB (s)

في المعادلة أعلاه A + و D- أيونات موجودة على جانبي المعادلة، وهذه تسمى أيونات متفرجة لأنها تظل دون تغيير طوال التفاعل، ونظرًا لأنها تمر بالمعادلة دون تغيير يمكن حذفها لإظهار المعادلة الأيونية الصافية:

C + (aq) + B- (aq) → CB (s)

تظهر المعادلة الأيونية الصافية فقط الترسيب، ويجب موازنة المعادلة الأيونية الصافية على كلا الجانبين ليس فقط من حيث ذرات العناصر ، ولكن أيضًا من حيث الشحنة الكهربائية، عادة ما يتم تمثيل تفاعلات الهطول فقط من خلال صافي المعادلات الأيونية، إذا كانت جميع المنتجات مائية فلا يمكن كتابة معادلة أيونية صافية لأن جميع الأيونات يتم إلغاؤها كأيونات متفرجة لذلك لا يحدث تفاعل الترسيب.