واکنش اکسیدها با آب و تولید یون

راهنمایی کوتاه: در این سوالات، باید واکنش اکسیدهای مختلف با آب را بنویسید و تعداد یون‌های تولید شده را محاسبه کنید.

گام‌به‌گام:

• ۱) شناسایی نوع اکسید: ابتدا باید تشخیص دهید که هر ترکیب (مثلاً N₂O₅، CaO، SO₃) یک اکسید اسیدی است، بازی یا آمفوتر. این تعیین می‌کند که با آب چه واکنشی می‌دهد.
• ۲) نوشتن معادله واکنش با آب: برای هر کدام، معادله شیمیایی متوازن واکنش با آب را بنویسید. مثلاً:
  $N_2{O}_5\left(s\right)+H_{2}O\left(l\right)\to 2{\mathrm{HNO}}_3\left(aq\right)$
  اسید نیتریک در آب به طور کامل به یون تفکیک می‌شود.
• ۳) محاسبه تعداد مول‌های یون: از روی معادله متوازن و با توجه به درجه تفکیک (معمولاً کامل برای اسیدها و بازهای قوی)، تعداد کل مول‌های یون‌های تولید شده از یک مول اکسید اولیه را محاسبه کنید. به یاد داشته باشید که هر فرمول واحد تفکیک شده، چند یون تولید می‌کند.
• ۴) توجه به جزئیات سوال: برای سوال آخر، شما دو اکسید دارید: اکسید باریم (BaO، یک باز قوی) و اکسید بیسموت (احتمالاً Bi₂O₃، یک اکسید آمفوتر یا ضعیف). باید واکنش هر کدام را جداگانه در نظر بگیرید و با توجه به داده‌های اولیه (۰.۱ مول از هر کدام و حجم محلول)، تعداد مول یون حاصل از اکسید بیسموت را پیدا کنید.
• ۵) پر کردن جاهای خالی: با انجام مراحل بالا برای هر قسمت، عبارت یا عدد مناسب را در جای خالی قرار دهید.

پاسخ نهایی: برای حل این سوالات به ترتیب زیر عمل کنید:

• قسمت اول (N₂O₅): این یک اکسید اسیدی است و با آب اسید نیتریک (HNO₃) می‌دهد که یک اسید قوی است و در آب به طور کامل به یون تفکیک می‌شود. از یک مول N₂O₅، دو مول HNO₃ تولید می‌شود و هر مول HNO₃، دو یون (H⁺ و NO₃⁻) می‌دهد. پس در کل ۴ مول یون حاصل می‌شود. بنابراین جای خالی اول احتمالاً «۴» است.
• قسمت دوم (CaO): این یک اکسید بازی قوی (اکسید فلز قلیایی خاکی) است. با آب هیدروکسید کلسیم تولید می‌کند: $\mathrm{CaO}\left(s\right)+H_{2}O\left(l\right)\to \mathrm{Ca}{\left(\mathrm{OH}\right)}^2\left(aq\right)$. Ca(OH)₂ یک باز نسبتاً قوی است و در محلول به یون تفکیک می‌شود (یک یون Ca²⁺ و دو یون OH⁻). بنابراین از یک مول CaO، یک مول Ca(OH)₂ و در نهایت ۳ مول یون حاصل می‌شود. نمای ذره‌ای می‌تواند به صورت Ca²⁺(aq) + 2OH⁻(aq) باشد.
• قسمت سوم (SO₃): این یک اکسید اسیدی قوی است. با آب اسید سولفوریک تولید می‌کند: $S{O}_3\left(g\right)+H_{2}O\left(l\right)\to H_2{\mathrm{SO}}_4\left(aq\right)$. H₂SO₄ یک اسید قوی دی‌پروتیک است و در آب به طور کامل به یون تفکیک می‌شود (۲ یون H⁺ و یک یون SO₄²⁻). بنابراین از یک مول SO₃، یک مول H₂SO₄ و در نهایت ۳ مول یون حاصل می‌شود. نمای ذره‌ای می‌تواند 2H⁺(aq) + SO₄²⁻(aq) باشد.
• قسمت چهارم: ۰.۱ مول BaO (اکسید بازی قوی) در آب حل می‌شود و Ba(OH)₂ می‌دهد که به طور کامل تفکیک می‌شود: BaO + H₂O → Ba(OH)₂ → Ba²⁺ + 2OH⁻. از ۰.۱ مول BaO، ۰.۱ مول Ba(OH)₂ و در نتیجه ۰.۳ مول یون (۰.۱ مول Ba²⁺ و ۰.۲ مول OH⁻) تولید می‌شود. اما سوال می‌گوید از آن ۰.۱۵ مول یون تشکیل می‌شود! این تناقض دارد مگر اینکه منظور سوال چیز دیگری باشد یا حجم محلول و غلظت موثر باشد. معمولاً Ba(OH)₂ در آب غلیظ کاملاً تفکیک می‌شود. ممکن است سوال اشاره به تشکیل یون‌های «مؤثر» یا چیزی شبیه به آن دارد. از طرفی، ۰.۱ مول اکسید بیسموت (احتمالاً Bi₂O₃، یک اکسید آمفوتر) در آب ممکن است به طور کامل حل و تفکیک نشود و واکنش پیچیده‌تری دارد. با توجه به داده ۰.۱۵ مول یون از BaO (که نصف مقدار نظری ۰.۳ است)، شاید در سوال فرض شده که تفکیک ناقص است یا شرایط خاصی حاکم است. برای پر کردن جای خالی، باید با توجه به رابطه یا الگوی ارائه شده در سوال (که مشخص نیست) عدد مناسب را پیدا کنید. از آنجایی که داده کافی نیست، نمی‌توان عدد قطعی گفت. شما باید با معلم خود این بخش را بررسی کنید.

مثال مشابه: واکنش ۰.۵ مول Na₂O (اکسید سدیم) با آب را در نظر بگیرید. معادله: Na₂O + H₂O → 2NaOH. NaOH یک باز قوی است و به طور کامل به یون تفکیک می‌شود: NaOH → Na⁺ + OH⁻. از ۰.۵ مول Na₂O، ۱ مول NaOH تولید می‌شود که upon dissociation، ۲ مول یون (۱ مول Na⁺ و ۱ مول OH⁻) می‌دهد.

اگر می‌خواهی بیشتر یاد بگیری: درباره «اکسیدهای اسیدی و بازی» و «درجه تفکیک الکترولیت‌ها» بیشتر مطالعه کن. سعی کن برای ترکیبات مختلف مانند P₄O₁₀، CO₂، MgO و Al₂O₃ نیز واکنش با آب و تولید یون را پیش‌بینی و محاسبه کنی.

یادآوری ایمنی: در آزمایشگاه، هنگام کار با اکسیدها (به ویژه اکسیدهای اسیدی مانند SO₃ یا N₂O₅ که با آب واکنش‌های گرمازا و خورنده دارند) و محلول‌های اسیدی/بازی قوی، همیشه از لوازم حفاظت فردی (دستکش، عینک، روپوش) استفاده کن و تحت نظارت معلم آزمایش را انجام دهی.

راهنمایی کوتاه: در این سوال، باید واکنش اکسیدهای مختلف با آب را بنویسیم و تعداد یون‌های تولید شده را محاسبه کنیم.

گام‌به‌گام:

• ۱) N₂O₅ با آب: این اکسید اسیدی است و با آب واکنش داده و اسید نیتریک (HNO₃) می‌دهد. معادله واکنش:
  $N_2{O}_5+H_{2}O\to 2HN{O}_3$
  اسید نیتریک در آب به طور کامل تفکیک می‌شود:
  $HN{O}_3\to H^{+}+{\mathrm{NO}}_3^{-}$
  از ۱ مول N₂O₅، ۲ مول HNO₃ تولید می‌شود. هر مول HNO₃، ۲ یون (یک H⁺ و یک NO₃^-) می‌دهد. پس در کل: ۲ مول HNO₃ × ۲ یون بر مول = ۴ مول یون.
• ۲) CaO با آب: این اکسید بازی است (اکسید فلز قلیایی خاکی). واکنش با آب:
  $\mathrm{CaO}+H_{2}O\to \mathrm{Ca}{\left(\mathrm{OH}\right)}^2$
  Ca(OH)₂ یک باز قوی است و در آب به طور کامل تفکیک می‌شود:
  $\mathrm{Ca}{\left(\mathrm{OH}\right)}^2\to {\mathrm{Ca}}^{2+}+2{\mathrm{OH}}^{-}$
  پس از ۱ مول CaO، ۱ مول Ca(OH)₂ تولید می‌شود که ۳ یون (یک Ca²⁺ و دو OH^-) می‌دهد. بنابراین ۳ مول یون حاصل می‌شود.
• ۳) SO₃ با آب: این اکسید اسیدی است. واکنش با آب:
  $S{O}_3+H_{2}O\to H_{2}S{O}_4$
  اسید سولفوریک (H₂SO₄) در آب به طور کامل تفکیک می‌شود (در غلظت‌های معمولی، تفکیک دو مرحله‌ای دارد، اما برای محاسبه تعداد یون، معمولاً تفکیک کامل در نظر گرفته می‌شود):
  $H_{2}S{O}_4\to 2H^{+}+{\mathrm{SO}}_4^{2-}$
  از ۱ مول SO₃، ۱ مول H₂SO₄ تولید می‌شود که ۳ یون (دو H⁺ و یک SO₄^2-) می‌دهد. پس ۳ مول یون حاصل می‌شود.
• ۴) BaO و Bi₂O₃: این بخش احتمالاً درباره انحلال ۰.۱ مول اکسید باریم (BaO) و ۰.۱ مول اکسید بیسموت (Bi₂O₃) در آب است. برای BaO (اکسید بازی، شبیه CaO):
  ۰.۱ مول BaO → ۰.۱ مول Ba(OH)₂ → ۰.۱ مول × ۳ یون/مول = ۰.۳ مول یون. اما در صورت سوال ۰.۱۵ مول ذکر شده که ممکن است مربوط به یک ترکیب دیگر یا شرایط خاص باشد. برای Bi₂O₃ (اکسید آمفوتر)، واکنش با آب پیچیده‌تر است و ممکن است به طور کامل تفکیک نشود. با توجه به داده‌ها، احتمالاً باید تعداد یون حاصل از Bi₂O₃ را محاسبه کرد. اگر از ۰.۱ مول BaO، ۰.۱۵ مول یون حاصل شود (یعنی ۱.۵ یون به ازای هر مول BaO)، نشان می‌دهد که شاید تفکیک کامل نبوده یا سوال شرایط دیگری دارد. برای Bi₂O₃، با فرض رفتار مشابه، ممکن است عدد متفاوتی باشد.

پاسخ نهایی:

• از واکنش ۱ مول N₂O₅ با آب، ۴ مول یون حاصل می‌شود.
• نمای ذره‌ای حاصل از واکنش ۱ مول CaO با آب می‌تواند به صورت ۳ مول یون (یک Ca²⁺ و دو OH^-) باشد.
• نمای ذره‌ای ۳ مول یون می‌تواند حاصل از یک مول SO₃ در آب باشد.
• برای بخش آخر، با اطلاعات داده شده، نیاز به بررسی دقیق‌تر واکنش Bi₂O₃ با آب است. اگر از ۰.۱ مول BaO، ۰.۱۵ مول یون تشکیل شود (یعنی ۱.۵ یون به ازای هر فرمول واحد)، ممکن است برای Bi₂O₃ نیز عددی مشابه یا متفاوت در نظر گرفته شود.

مثال مشابه: واکنش P₄O₁₀ با آب را در نظر بگیرید. این اکسید اسیدی با آب واکنش داده و اسید فسفریک (H₃PO₄) تولید می‌کند. از ۱ مول P₄O₁₀، ۴ مول H₃PO₄ حاصل می‌شود. اگر اسید فسفریک را به طور کامل تفکیک شده در نظر بگیریم، هر مول آن ۴ یون (سه H⁺ و یک PO₄^3-) می‌دهد. پس در کل: ۴ مول اسید × ۴ یون/مول = ۱۶ مول یون.

اگر می‌خواهی بیشتر یاد بگیری: درباره تفاوت اکسیدهای اسیدی، بازی و آمفوتر بیشتر مطالعه کن. همچنین، مفهوم «تفکیک کامل» در مقابل «تفکیک جزئی» اسیدها و بازها را بررسی کن تا درک بهتری از تعداد یون‌های تولید شده پیدا کنی.

یادآوری ایمنی: در آزمایشگاه، هنگام کار با اسیدها و بازهای قوی مانند H₂SO₄ یا Ca(OH)₂، همیشه از لوازم حفاظتی مانند عینک و دستکش استفاده کن.