Reakce s podvojnou záměnou

Podvojná záměna je spolu se slučováním (syntézou), rozkladem (analýzou) a vytěsněním (substitucí) druhem chemické reakce. Od ostatních druhů reakcí se odlišuje tím, že ze dvou chemických látek vznikají jiné dvě chemické látky. Obecná rovnice podvojné záměny vypadá takto:

Reakce si můžeme představit jako výměnu kationtů nebo aniontů, tedy pouze jednoho z toho, zkrátka tak abychom neskončili se stejnými látkami, se kterými jsme začali. Rozpouštědlem pro podvojnou záměnu je obvykle voda a výchozí látky a produkty jsou obvykle iontové sloučeniny.

Zde je příklad podvojné záměny:

V tomto příkladu máme kationty $\greenD{\text{Ba}^{2+}}$start color #1fab54, start text, B, a, end text, start superscript, 2, plus, end superscript, end color #1fab54 a $\maroonD{\text{Na}^+}$start color #ca337c, start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #ca337c, a anionty $\greenD{\text{Cl}^-}$start color #1fab54, start text, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #1fab54 a $\maroonD{\text{SO}_4^{2-}}$start color #ca337c, start text, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, 2, minus, end superscript, end color #ca337c. Pokud jedno z toho prohodíme (anionty nebo kationty, ale ne oboje), dostaneme jako produkty $\text{BaSO}_4$start text, B, a, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript a $\text{NaCl}$start text, N, a, C, l, end text.

Poznat, že se jedná o podvojnou záměnu, je obvykle poměrně jednoduché, prostě musí odpovídat obecné rovnici. Rozhodnout, zda k reakci opravdu dojde, může být obtížnější, proto se hodí se trochu zorientovat v nejběžnějších ukázkách podvojných záměn. V tomto článku si rozebereme dva nejznámější typy: srážecí a neutralizační reakce.

Srážecí reakce nastává, když dvě rozpustné iontové sloučeniny vytvoří novou iontovou sloučeninu, která není rozpustná (skoro vždy se jedná o rozpustnost ve vodě. Jedním z příkladů je reakce dusičnanu olovnatého a jodidu draselného. Obě sloučeniny jsou bílé krystalické látky, které lze rozpustit ve vodě, za vzniku bezbarvých roztoků. Slitím těchto roztoků nastane reakce:

Dochází ke vzniku sraženiny, která má nádherně zlatou barvu. Fotografie vznikající sraženiny je na následujícím obrázku:

Nerozpustný produkt této reakce se nazývá sraženina. Rozpouštědlo a rozpustné složky reakce se nazývají supernatant nebo zbytkový roztok. Abychom zjistili, zda dojde ke srážení, je potřeba si zjistit rozpustnost reaktantů a produktů. Tvorba pevné sraženiny je hnací silou, díky níž reakce postupuje směrem ke vzniku produktů.

Neutralizační reakce jsou dalším typem podvojné záměny, ke kterému dochází mezi kyselinou a zásadou. Příkladem neutralizační reakce je toto:

Při neutralizačních reakcích ve vodě obecně vzniká voda a nová iontová sloučenina, které také říkáme sůl. Když máme zjistit, zda se jedná o neutralizaci, je klíčové rozpoznat, že se jedná o reakci kyseliny a zásady. Jakmile si toto uvědomíme, lze předpovědět, že pokud máme silnou kyselinu a/nebo silnou zásadu jako reaktant, tak reakce bude probíhat směrem ke vzniku soli a vody.

Zábavná neutralizační reakce, kterou možná znáš, je reakce jedlé sody, neboli hydrogenuhličitanu sodného, $\text{NaHCO}_3$start text, N, a, H, C, O, end text, start subscript, 3, end subscript – s octem – což je směs vody s kyselinou octovou, $\text {CH}_3 \text{COOH} (aq)$start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, C, O, O, H, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis—kdy vzniká kyselina uhličitá — $\text {H}_2 \text{CO}_3$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, C, O, end text, start subscript, 3, end subscript—a octan sodný —$\text{NaCH}_3 \text{COO}$start text, N, a, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, C, O, O, end text. Pokud to znáš, asi se ti vybaví, jak to bouřlivě šumí a bublá, protože tuto neutralizační reakci doprovází ještě vznik plynu, kde se kyselina uhličitá rozkládá na oxid uhličitý – bublinky a vodu.

Všimněme si, že podvojnou záměnu lze zapsat do úplných, úplných iontových nebo čistě iontových rovnic. V tomto článku píšeme pouze úplnou rovnici, ale doporučujeme si vyzkoušet si ji přepsat na iontovou rovnici.

Podívejme se na příklad, kde neznáme produkty:

Napřed můžeme identifikovat kationty a anionty, které se budou vyměňovat. Kationty jsou $\text{H}^+$start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript a $\text{Ba}^{2+}$start text, B, a, end text, start superscript, 2, plus, end superscript, a anionty jsou $\text{SO}_4^{2-}$start text, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, 2, minus, end superscript a $\text{OH}^-$start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript. Záměnou aniontů získáme produkty $\text{H}_2 \text O$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text a $\text{BaSO}_4$start text, B, a, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript:

Vidíme, že tato podvojná záměna je také neutralizace, protože reaguje kyselina sírová, což je silná kyselina, s hydroxidem barnatým, silnou zásadou. Jak je to s rozpustností síranu barnatého? Podíváme-li se na pravidla rozpustnosti, zjistíme, že síran barnatý je nerozpustný a měl by z roztoku vypadnout jako sraženina. To znamená, že naše reakce je současně také srážecí! To můžeme také vyznačit do rovnice přidáním symbolu $\blueD{(s)}$start color #11accd, left parenthesis, s, right parenthesis, end color #11accd za $\text{BaSO}_4$start text, B, a, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript.

Ale ještě není hotovo. Naše reakce není vyčíslená, protože počet vodíků a kyslíků na obou stranách se neshoduje. Můžeme to opravit tak, že navýšíme počet molekul vody $\text{H}_2 \text O$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text na $\redD{2}$start color #e84d39, 2, end color #e84d39, abychom získali vyčíslenou rovnici:

Při podvojné záměně reagují dvě iontové sloučeniny a dochází k záměně buď jejich aniontů nebo kationtů. Srážecí reakce a neutralizační reakce jsou dva běžné typy podvojné záměny. Při srážecí reakci vzniká nerozpustný produkt ze dvou rozpustných reaktantů a srážení lze předpovědět ze znalostí o rozpustnosti iontových látek. K neutralizačním reakcím dochází, pokud reaguje kyselina se zásadou, neutralizační reakce probíhají, pokud je reaktantem silná kyselina a/nebo silná zásada (báze).