بسیاری از ترکیبات فلزی معدنی هنگامی که در آب حل می شوند (یعنی محلول آبی) به شکل یون در می آیند. قوانینی که بر واکنش‌های آن‌ها حاکم است، مشابه نحوه واکنش ترکیبات است، اما با یک تاکید مهم بر نقش آب در واکنش‌ها. در واقع، معادلات متعادل آنها شامل آب در یک تعمیم است استوکیومتری فرمی که می توان آن را به صورت زیر نوشت:

• M نشان دهنده هر عنصر فلزی است
• زیرنویس ‘n’ نشان دهنده تعداد متعادل آب در یون است
• بالانویس ‘z’ با بار مثبت نشان دهنده تعداد بارهای یونی است.

واکنش یون ها در محلول های آبی در واقع نیمی از واکنش های ترکیبات یونی محلول در آب است. آنها معمولاً مجتمع هایی را تشکیل می دهند. این واکنش ها و کمپلکس هایی که تشکیل می دهند ماهیتی فراگیر دارند. آنها همچنین در صنایع، پزشکی و سایر کاربردهای روزمره بسیار مفید هستند.

محلول های آبی یونی چیست؟

یک محلول آبی می تواند یک محلول یونی (الکترولیت) یا یک محلول غیریونی (غیر الکترولیت) باشد. تمرکز ما در این مقاله، با این حال، راه حل های یونی است. همانطور که از نام آن پیداست، یک محلول یونی آبی شامل آب به عنوان حلال و حداقل یک ترکیب یونی به عنوان املاح است. املاح محلول به صورت یون های مثبت و منفی در آب تفکیک می شود. املاح می تواند اسید، باز یا نمک باشد.

محلول های آبی یونی خواص و رفتارهای شیمیایی متفاوتی با محلول های غیریونی دارند. به عنوان مثال، محلول های یونی می توانند الکتریسیته را هدایت کنند. یون‌ها همچنین می‌توانند الکتریسیته تولید کنند که محلول‌ها در سلول‌های باتری با دو فلز مختلف غوطه‌ور شده در آنها قرار گیرند و به عنوان پایانه‌های آند و کاتد عمل کنند.

وقتی دو محلول یونی مختلف با هم مخلوط می شوند، واکنش های شیمیایی ممکن است رخ دهد، به خصوص اگر محلول ها محلول اسید و محلول باز باشند. واکنش‌های اسید-باز به عنوان واکنش‌های دو جایگزینی طبقه‌بندی می‌شوند. این نوع واکنش نسبتاً ساده است و تعادل آن آسان است زیرا عناصر ترکیبات شرکای تبادلی هستند.

از سوی دیگر، نوع خاصی از واکنش که کمپلکس‌ها را تشکیل می‌دهد، کانون مطالعه است شیمی هماهنگی. این واکنش معمولا شامل کاتیون های فلزی با لیگاندهای متصل است که یکی از رایج ترین انواع لیگاندها آب است. این واکنش ها یون های فلزی هیدراته را به صورت کمپلکس های هگزا آکوا در محلول آبی تشکیل می دهند.

مجتمع ها چیست؟

کمپلکس هایی به نام ترکیبات هماهنگی را خواهید شنید. اینها مولکولهایی هستند که یک فلز به عنوان اتم مرکزی دارند. اتم مرکزی لیگاندهایی دارد – یونهایی که به این اتم مرکزی متصل می شوند – که به آن متصل هستند. لیگاندها می‌توانند اتم‌ها، یون‌ها یا مولکول‌های منفرد باشند، مثلاً در مورد کمپلکس‌های هگزاآکوا هیدراته.

هنگامی که یون های فلزی و غیرفلزی با یکدیگر واکنش می دهند، محصولات پیچیده باردار (یونی) یا خنثی را تشکیل می دهند. اگر دومی باشد، محصول پیچیده معمولاً یک رسوب جامد است.

مجتمع ها کانون اصلی شاخه ای از شیمی هستند که به نام شیمی هماهنگی شناخته می شود. این مطالعه پیشگام بود آلفرد ورنر، که منجر به کشف ساختار ترکیبات هماهنگ کننده شد.

ورنر ترکیبات مختلف کلرید کبالت (III) و آمونیاک را مطالعه و آزمایش کرد. او سعی کرد با افزودن اسید کلریدریک آمونیاک را از ترکیبات آزاد کند. با این حال، او متوجه شد که جزء آمونیاک را نمی توان به طور کامل با استفاده از HCl به تنهایی حذف کرد.

ورنر این فرضیه را ایجاد کرد که جزء آمونیاکی ترکیبات باید پیوند بسیار قوی با یون کبالت مرکزی داشته باشد. هنگامی که نیترات نقره را به ترکیبات اضافه کرد، مشاهده کرد که میزان رسوبات کلرید نقره تشکیل شده با تعداد مولکول های آمونیاک متصل به آمونیاک ارتباط مستقیم دارد. کلرید کبالت (III)..

بنابراین، او توانست الگوهای واکنش و ساختارهای تعمیم یافته یون های فلزی را با لیگاندها کشف کند. به عنوان مثال، مجتمع های فلزی aquo دارای اشکال هشت وجهی هستند، به زودی در تصویر زیر:

اگر کاتیون فلزی مرکزی متعلق به گروه های عنصر اصلی باشد، کمپلکس های آنها بی رنگ است. با این حال، اگر متعلق به عناصر انتقال باشد، معمولاً رسوبات رنگی دارند.

در اینجا چند نمونه از کمپلکس‌های هگزا آکوا با رنگ‌های مربوط به آنها آورده شده است.

• [Fe(H₂O)₆]²⁺ – سبز کمرنگ
• [Co(H₂O)₆]²⁺ – رنگ صورتی
• [Cr(H₂O)₆]²⁺ – آبی
• [Mn(H₂O)₆]²⁺ – صورتی کمرنگ
• [Fe(H₂O)₆]³⁺ – رنگ زرد
• [Ni(H₂O)₆]²⁺ – سبز
• [Cu(H₂O)₆]²⁺ – آبی

انواع واکنش های یونی در محلول های آبی چیست؟

واکنش یون ها در محلول های آبی بسته به واکنش دهنده ها متفاوت است شماره هماهنگی غلظت محلول و حالت اکسیداسیون فلز مرکزی. در حالی که برخی از یون ها رسوبات پیچیده جامد را تشکیل می دهند، برخی دیگر ممکن است محصولات خنثی یا ترکیبات یونی را تشکیل دهند.

1. واکنش های اسید-باز لوئیس

آشناترین نوع واکنش یونی است واکنش اسید-باز لوئیس، که در آن یک واکنش دهنده یک پروتون (هیدروژن) اهدا می کند در حالی که واکنش دهنده دیگر پروتون را دریافت می کند. به طور معمول، این یک واکنش خنثی سازی است که نمک را تشکیل می دهد. کاتیون های فلزی هنگام ایجاد پیوند با لیگاندها مانند اسیدهای لوئیس عمل می کنند. در مورد محلول های آبی، آب ممکن است به عنوان گیرنده پروتون عمل کند.

در اینجا نمونه ای از واکنش اسید-باز لوئیس بین دو مولکول آمونیاک و یک یون نقره است که یک کمپلکس یون نقره-آمونیاک تولید می کند:

2. کاتیون های فلزی هیدراته شده

کمپلکس های Hexaaqua رایج ترین نوع کاتیون های فلزی در محلول های آبی هستند. همانطور که از نام آن پیداست، آنها شش مولکول آب به عنوان لیگاند دارند. همانطور که قبلا ذکر شد، کمپلکس‌های فلزات انتقالی رنگ‌های روشنی دارند. کمپلکس ها و ترکیبات فلزی گروه اصلی بی رنگ هستند. کاتیون های فلزی در آب حل می شوند هیدرولیز در تعادل دینامیکی. معادله تعمیم یافته را می توان به صورت زیر نوشت:

[M(H₂O)_n]^z+ + اچ₂O ⇋ [M(H₂O)_n-1(OH)]^(z-1)+ + اچ₃O⁺

3. یون های کمپلکس فلزی

یون‌های کمپلکس فلزی می‌توانند به روش‌های مختلفی واکنش دهند و می‌توانند تحت دو نوع واکنش اصلی قرار گیرند: واکنش‌های deprotonation و تعویض لیگاند. در اینجا چند نمونه آورده شده است:

1. پروتون زدایی توسط آب: [Fe(H₂O)₆]²⁺_(ق) + اچ₂O_(ل) ⇌ [Fe(H₂O)₅(OH)]⁺_(ق) + اچ₃O⁺_(ق)
2. پروتون زدایی توسط یون های هیدروکسید: [Cu(H₂O)₆]²⁺_(ق) + 2OH^–_(ق) ⇌ [Cu(H₂O)₄(OH)₂]_(ها) + 2 ساعت₂O_(ل)
3. پروتون زدایی توسط آمونیاک: [Cr(H₂O)₆]³⁺_(ق) + 3 NH_{3 (ق)} ⇌ [Cr(H₂O)₃(OH)₃]_(ها) + 3 NH⁴⁺_(ق)
4. تبادل لیگاند: [Cu(H₂O)₆]²⁺_(ق) + 2NH_{3 (ق)}⇌ [Cu(H₂O)₄(OH)₂]_(ها) + 2NH⁴⁺_(ق)