HSC 化学中的沉淀反应与净离子方程式
学习如何预测不溶性生成物、辨认旁观离子，并为 HSC 化学中的沉淀反应写出配平的净离子方程式。
你把两种澄清、无色的溶液混合在一起。一秒后，烧杯中的液体变得混浊，并出现固体。混合前明明没有任何固体，那么这些固体是从哪里来的？
假设其中一种溶液含有铅(II)离子和硝酸根离子，另一种则含有钾离子和碘离子。在继续阅读之前，先预测它们相遇时会发生甚么事。四种离子是否都只是继续溶解在水中，还是某一种新的离子组合可以离开溶液？
关键概念是，有些离子组合可溶于水，而另一些则不太易溶。如果带相反电荷的离子形成一种溶解度足够低的离子化合物，它们就会聚集成固体晶体。这种固体称为沉淀物。
一旦你能辨认出这种不溶的组合，沉淀反应题就会变得更有规律：预测生成物、配平方程式、把可溶的离子物质拆成离子，然后消去旁观离子。
01水溶液中的离子物质实际上是甚么状态？
先从熟悉的氯化钠 \(\ce{NaCl}\) 开始。
固态氯化钠含有排列在离子晶格中的 \(\mathrm{Na}^{+}\) 和 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 离子。当足够多的氯化钠溶于水时，这些离子会彼此分离，并被水分子包围：
\[ \ce{NaCl(aq) -> Na+(aq) + Cl-(aq)} \]
\((aq)\) 状态表示水溶液态，也就是溶解在水中。
相同的概念也适用于碘化钾：
\[ \ce{KI(aq) -> K+(aq) + I-(aq)} \]
所以，看到标示为「\(\ce{KI(aq)}\)」的烧杯时，不应想像里面漂浮著大量完整的 \(\ce{KI}\) 单位。实际上，其中含有可自由移动的 \(\mathrm{K}^{+}\) 和 \(\mathrm{I}^{-}\) 离子。
当两种离子溶液混合时，这一点非常重要。
你可以粗略地把这些离子想像成派对中的人。每个人都各自走动，而不是一到场就永久和某个特定伙伴绑在一起。当两群人混合之后，其中某一种特定的正离子-负离子配对可能形成非常稳定的固体，使这些离子实际上一起「离开派对」。
不过，这个类比只能到这里为止。离子不会「选择」伙伴，而物质是否难溶，取决于离子之间、晶格与水之间各种作用的平衡。对 HSC 沉淀反应题而言，溶解度规则让我们无须计算所有这些作用，也能实际预测结果。
02判断是否会沉淀的基本方法
考虑把硝酸铅(II)水溶液与碘化钾水溶液混合：
\[ \ce{Pb(NO3)2(aq) + KI(aq)} \]
溶液中的离子为：
- \(\mathrm{Pb}^{2+}\)
- \(\ce{NO3-}\)
- \(\mathrm{K}^{+}\)
- \(\mathrm{I}^{-}\)
预测生成物的一种常见方法，是想像正离子交换了负离子「伙伴」。
可能形成的新组合为：
- \(\mathrm{Pb}^{2+}\) 与 \(\mathrm{I}^{-}\)
- \(\mathrm{K}^{+}\) 与 \(\ce{NO3-}\)
根据电荷中性，可得化学式：
\[ \ce{PbI2} \]
以及
\[ \ce{KNO3} \]
现在到了重要问题：哪一种生成物（如果有的话）是不溶的？
钾化合物和硝酸盐都可溶，因此 \(\ce{KNO3}\) 保持水溶液态。碘化铅(II)的溶解度很低，所以会形成固体：
\[ \ce{PbI2(s)} \]
这就是沉淀物。
配平后的方程式为：
\[ \ce{Pb(NO3)2(aq) + 2KI(aq) -> PbI2(s) + 2KNO3(aq)} \]
这个反应并不是因为化合物有某种神秘的需求，要「交换伙伴」。这种说法只是一种方便整理反应物和生成物的方法。真正推动反应的是 \(\mathrm{Pb}^{2+}\) 和 \(\mathrm{I}^{-}\) 离子以固态 \(\ce{PbI2}\) 的形式从溶液中移除。
03你需要使用的溶解度规则
你不需要逐一背下每一种离子化合物的溶解度。大部分题目都可以利用规律处理。
如果题目提供了溶解度表，应一律以题目提供的资料为准。否则，以下这些高价值规律对 HSC 程度的题目很有用。
| 离子化合物类型 | 在水中的一般情况 | 重要概念 |
|---|---|---|
| 第 1 族金属盐 | 可溶 | 含有 \(\mathrm{Li}^{+}\)、\(\mathrm{Na}^{+}\)、\(\mathrm{K}^{+}\) 和其他第 1 族离子的化合物一般会保持水溶液态 |
| 铵盐 | 可溶 | 含有 \(\ce{NH4+}\) 的化合物一般会保持水溶液态 |
| 硝酸盐 | 可溶 | 含有 \(\ce{NO3-}\) 的化合物一般会保持水溶液态 |
| 氯化物、溴化物和碘化物 | 通常可溶 | 重要例外包括含有 \(\mathrm{Ag}^{+}\) 和 \(\mathrm{Pb}^{2+}\) 等离子的化合物 |
| 硫酸盐 | 通常可溶 | 某些金属硫酸盐的溶解度很低，包括 \(\ce{BaSO4}\) 和 \(\ce{PbSO4}\) |
| 碳酸盐 | 通常不溶 | 第 1 族金属的碳酸盐和碳酸铵是重要的可溶例外 |
| 磷酸盐 | 通常不溶 | 第 1 族金属的磷酸盐和磷酸铵是重要的可溶例外 |
| 氢氧化物 | 通常不溶 | 第 1 族金属氢氧化物可溶，其他某些氢氧化物则具有一定程度或有限的溶解度 |
留意这里用的是通常和一般，而不是「一定」。实际上，溶解度是一个连续的程度。即使某种化合物被描述为不溶，通常仍会有极少量溶解。
不过，在 HSC 沉淀反应题中，需要作出的判断通常比较简单：根据溶解度资料，这种物质应写成 \((aq)\)，还是写成沉淀物 \((s)\)？
04预测沉淀物的可靠方法
当两种离子化合物的水溶液混合时，可以按照以下次序处理。
- 写出每种溶液中存在的离子。
- 形成可能的新离子组合。
- 确保每种生成物在电荷上呈中性。
- 利用溶解度规则判断每种生成物的状态。
- 如果没有形成不溶的生成物，可能就没有沉淀反应。
- 先配平完整方程式，再写离子方程式。
第三步会造成很多本来可以避免的错误。
例如，\(\mathrm{Fe}^{3+}\) 和 \(\ce{OH-}\) 并不会形成 \(\ce{FeOH}\)。一个 \(\mathrm{Fe}^{3+}\) 需要三个 \(\ce{OH-}\) 离子，才能使总电荷为零：
\[ \ce{Fe(OH)3} \]
化学式是由电荷决定的，而不是把两个离子各写一个、放在一起就可以。
如果你觉得配平方程式本身才是困难之处，可以重温 反应中的原子重新排列：HSC 化学指南 中有关反应如何遵守原子守恒的内容。
例题：氯化银会沉淀吗？
把硝酸银水溶液与氯化钠水溶液混合。预测是否会形成沉淀物，并写出配平的分子方程式。
步骤 1
硝酸银含有 \(\mathrm{Ag}^{+}\) 和 \(\ce{NO3-}\)。
氯化钠含有 \(\mathrm{Na}^{+}\) 和 \(\mathrm{Cl}^{-}\)。
步骤 2
交换负离子后，得到 \(\ce{AgCl}\) 和 \(\ce{NaNO3}\)。
步骤 3
硝酸盐和钠盐可溶，因此：
\[ \ce{NaNO3(aq)} \]
氯化银的溶解度很低，因此：
\[ \ce{AgCl(s)} \]
步骤 4
\[ \ce{AgNO3(aq) + NaCl(aq) -> AgCl(s) + NaNO3(aq)} \]
这条方程式已经配平。
之所以会形成固态 \(\ce{AgCl}\) 沉淀物，是因为溶解的 \(\mathrm{Ag}^{+}\) 和 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 离子结合成不溶的离子晶格。
05从分子方程式到净离子方程式
分子方程式很有用，但它包括了一些实际上没有发生化学变化的离子。
以氯化银反应为例：
\[ \ce{AgNO3(aq) + NaCl(aq) -> AgCl(s) + NaNO3(aq)} \]
记住，水溶液中的物质实际上是以甚么形式存在的。
硝酸银在溶液中以离子形式存在：
\[ \ce{Ag+(aq) + NO3-(aq)} \]
氯化钠则以以下形式溶解：
\[ \ce{Na+(aq) + Cl-(aq)} \]
生成物一侧的硝酸钠也是水溶液态，因此仍然以分离的离子形式存在。
所以，完整离子方程式为：
\[ \ce{Ag+(aq) + NO3-(aq) + Na+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s) + Na+(aq) + NO3-(aq)} \]
现在找出在方程式两边都以相同形式出现的物种。
\(\mathrm{Na}^{+}\) 和 \(\ce{NO3-}\) 在反应前后都存在。这些称为旁观离子。
把它们消去：
\[ \ce{Ag+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s)} \]
这就是净离子方程式。
它只显示造成沉淀的化学变化。
06哪些物质应该拆成离子？
一个实用的规则是：
把可溶的水溶液态离子物质拆成离子。不要把沉淀物拆开。
例如：
\[ \ce{Na2CO3(aq)} \]
会写成：
\[ \ce{2Na+(aq) + CO3^2-(aq)} \]
但是：
\[ \ce{CaCO3(s)} \]
仍然写成：
\[ \ce{CaCO3(s)} \]
如果你把沉淀物重新拆成水溶液中的离子，就等于把方程式原本要描述的过程逆转了。
因此，状态符号并不是装饰。它们告诉你应把某种物质视为溶解的粒子，还是独立的固相。
07例题：使氢氧化铁(III)沉淀
把氯化铁(III)水溶液与氢氧化钠水溶液混合。预测沉淀物，并写出分子方程式、完整离子方程式和净离子方程式。
步骤 1
离子为：
\[ \ce{Fe^3+, Cl-, Na+, OH-} \]
交换后的生成物是氢氧化铁(III)和氯化钠。
由于 \(\mathrm{Fe}^{3+}\) 的电荷为 \(+3\)，而 \(\ce{OH-}\) 的电荷为 \(-1\)，因此需要三个氢氧根离子：
\[ \ce{Fe(OH)3} \]
步骤 2
氯化钠可溶。
氢氧化铁(III)的溶解度很低，因此形成 \(\ce{Fe(OH)3(s)}\)。
步骤 3
\[ \ce{FeCl3(aq) + 3NaOH(aq) -> Fe(OH)3(s) + 3NaCl(aq)} \]
每一个铁(III)离子需要三个氢氧根离子。这些系数反映的正是形成 \(\ce{Fe(OH)3}\) 化学式时所用的相同电荷关系。
步骤 4
把所有可溶的水溶液态离子物质拆成离子：
\[ \ce{Fe^3+(aq) + 3Cl-(aq) + 3Na+(aq) + 3OH-(aq) -> Fe(OH)3(s) + 3Na+(aq) + 3Cl-(aq)} \]
步骤 5
\(\mathrm{Na}^{+}\) 和 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 离子在反应中没有改变：
\[ \ce{Fe^3+(aq) + 3OH-(aq) -> Fe(OH)3(s)} \]
这条净离子方程式所表达的资讯比完整方程式更有用。任何合适且可溶的 \(\mathrm{Fe}^{3+}\) 来源，只要与合适且可溶的 \(\ce{OH-}\) 来源混合，都可以产生相同的沉淀过程。
08常见陷阱：假设每次离子交换都是反应
假设把硝酸钾水溶液与氯化钠水溶液混合。
学生可能会写：
\[ \ce{KNO3(aq) + NaCl(aq) -> KCl(aq) + NaNO3(aq)} \]
这条方程式已配平，所以看起来似乎没有问题。
但试著预测粒子层次的情况。混合前，水中有 \(\mathrm{K}^{+}\)、\(\ce{NO3-}\)、\(\mathrm{Na}^{+}\) 和 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 离子自由移动。混合之后，这四种物种仍然全部溶解在水中。
从化学角度来看，实际上甚么也没有改变。
两种可能的生成物都可溶。没有沉淀物、气体、弱电解质或其他推动过程把离子从溶液中移除。
完整离子「方程式」会是：
\[ \ce{K+(aq) + NO3-(aq) + Na+(aq) + Cl-(aq) -> K+(aq) + Cl-(aq) + Na+(aq) + NO3-(aq)} \]
所有物种都可以消去。
因此，这个情况没有沉淀反应的净离子方程式，因为根本没有发生沉淀反应。
所以，「复分解」并不能保证一定会发生反应。它只是一种可能的生成物排列方式。是否真的由沉淀推动化学变化，要由溶解度决定。
09相信一条净离子方程式之前要做的四项检查
正确的净离子方程式应该通过四项检查。
| 检查项目 | 要问甚么？ |
|---|---|
| 原子 | 方程式两边每种原子的数目是否相同？ |
| 电荷 | 方程式两边的总电荷是否相同？ |
| 状态 | 溶解的物种是否标为 \((aq)\)，而沉淀物是否标为 \((s)\)？ |
| 旁观离子 | 是否已消去所有没有改变的离子，而且只消去了没有改变的离子？ |
例如：
\[ \ce{Pb^2+(aq) + I-(aq) -> PbI2(s)} \]
无法通过电荷和原子检查。左边的总电荷为 \(+1\)，而且只有一个碘离子。
正确的方程式是：
\[ \ce{Pb^2+(aq) + 2I-(aq) -> PbI2(s)} \]
现在左边的总电荷为 \(0\)，与右边的中性固体相同，而且方程式两边各有两个碘原子。
10问题与解答
问题 1
把氯化镁水溶液与碳酸钠水溶液混合。
预测是否会形成沉淀物。写出沉淀物的名称和净离子方程式。
解答 1
碳酸镁会沉淀，而净离子方程式为 \(\ce{Mg^2+(aq) + CO3^2-(aq) -> MgCO3(s)}\)。
最初存在的离子为 \(\mathrm{Mg}^{2+}\)、\(\mathrm{Cl}^{-}\)、\(\mathrm{Na}^{+}\) 和 \(\ce{CO3^2-}\)。
交换伙伴后，得到碳酸镁和氯化钠：
\[ \ce{MgCl2(aq) + Na2CO3(aq) -> MgCO3(s) + 2NaCl(aq)} \]
大多数碳酸盐的溶解度很低，但与第 1 族阳离子或铵离子等形成的碳酸盐除外。因此，\(\ce{MgCO3}\) 会沉淀。
完整离子方程式为：
\[ \ce{Mg^2+(aq) + 2Cl-(aq) + 2Na+(aq) + CO3^2-(aq) -> MgCO3(s) + 2Na+(aq) + 2Cl-(aq)} \]
消去 \(\mathrm{Na}^{+}\) 和 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 后得到：
\[ \ce{Mg^2+(aq) + CO3^2-(aq) -> MgCO3(s)} \]
大小相等、符号相反的 \(2+\) 和 \(2-\) 电荷，也解释了为甚么沉淀物的化学式中离子比例为 \(1:1\)。
问题 2
某学生把硝酸铵水溶液与氯化钾水溶液混合，并因为离子「交换了伙伴」，所以预测会形成固态氯化铵。
这个预测正确吗？请利用溶解度和粒子层次的情况解释。
解答 2
不会形成沉淀物，因此学生的预测不正确。
可能的生成物是氯化铵和硝酸钾：
\[ \ce{NH4NO3(aq) + KCl(aq) -> NH4Cl(aq) + KNO3(aq)} \]
铵盐可溶、钾盐可溶，而且硝酸盐也可溶。因此，两种假设的生成物都会保持水溶液态。
在粒子层次上，混合前后的溶液都含有相同的四种溶解离子：
\[ \ce{NH4+, NO3-, K+, Cl-} \]
没有不溶的生成物把离子从溶液中移除。这里容易出现的错误观念，是把「离子交换」当成反应已经发生的证据。事实并非如此。真正决定是否发生沉淀的是溶解度检查。
问题 3
把硫酸铝 \(\ce{Al2(SO4)3}\) 水溶液与硝酸钡 \(\ce{Ba(NO3)2}\) 水溶液混合。
写出：
- 配平的分子方程式，
- 完整离子方程式，以及
- 净离子方程式。
解答 3
硫酸钡会沉淀，而净离子变化为 \(\ce{Ba^2+(aq) + SO4^2-(aq) -> BaSO4(s)}\)。
交换后的生成物为 \(\ce{BaSO4}\) 和 \(\ce{Al(NO3)3}\)。硫酸钡的溶解度很低，而硝酸盐可溶。
配平的分子方程式为：
\[ \ce{Al2(SO4)3(aq) + 3Ba(NO3)2(aq) -> 3BaSO4(s) + 2Al(NO3)3(aq)} \]
现在把可溶的水溶液态离子物质拆成离子：
\[ \ce{2Al^3+(aq) + 3SO4^2-(aq) + 3Ba^2+(aq) + 6NO3-(aq) -> 3BaSO4(s) + 2Al^3+(aq) + 6NO3-(aq)} \]
\(\mathrm{Al}^{3+}\) 和 \(\ce{NO3-}\) 离子是旁观离子，因此可以消去：
\[ \ce{3Ba^2+(aq) + 3SO4^2-(aq) -> 3BaSO4(s)} \]
净离子方程式应使用最简整数系数，因此写成：
\[ \ce{Ba^2+(aq) + SO4^2-(aq) -> BaSO4(s)} \]
分子方程式中的系数三，是配平完整化合物时产生的。它并不是描述一次沉淀事件时最简形式的一部分。
问题 4
某学生预测，把硝酸铅(II)水溶液与氯化钠水溶液混合会产生 \(\ce{PbCl(s)}\)，然后写出：
\[ \ce{Pb^2+(aq) + Cl-(aq) -> PbCl(s)} \]
指出错误，并写出正确的沉淀物化学式和净离子方程式。
解答 4
沉淀物是 \(\ce{PbCl2(s)}\)，而正确的净离子方程式为 \(\ce{Pb^2+(aq) + 2Cl-(aq) -> PbCl2(s)}\)。
学生的主要错误，是在写生成物化学式时没有平衡离子电荷。
铅(II)离子的电荷为 \(+2\)：
\[ \mathrm{Pb}^{2+} \]
氯离子的电荷为 \(-1\)：
\[ \mathrm{Cl}^{-} \]
因此，需要两个氯离子才能形成电荷中性的离子化合物：
\[ (+2) + 2(-1) = 0 \]
所以沉淀物为：
\[ \ce{PbCl2(s)} \]
正确的净离子方程式为：
\[ \ce{Pb^2+(aq) + 2Cl-(aq) -> PbCl2(s)} \]
这条方程式同时符合原子守恒和电荷守恒。错误版本的左边总电荷为 \(+1\)，而且氯离子的数目也不正确。
问题 5
有三种没有标签的水溶液，已知分别是氯化钙、碳酸钠和硝酸钾。
观察结果如下：
- 把 A 与 B 混合会产生沉淀物，
- 把 A 与 C 混合不会产生沉淀物，
- 把 B 与 C 混合不会产生沉淀物。
辨认溶液 C。只利用这些观察结果，能否判断 A 和 B 之中哪一个是氯化钙、哪一个是碳酸钠？写出沉淀反应的净离子方程式。
解答 5
溶液 C 必定是硝酸钾，但这些观察结果无法告诉我们 A 是氯化钙、B 是碳酸钠，还是相反。沉淀反应为 \(\ce{Ca^2+(aq) + CO3^2-(aq) -> CaCO3(s)}\)。
氯化钙和碳酸钠会发生反应，因为碳酸钙的溶解度很低：
\[ \ce{CaCl2(aq) + Na2CO3(aq) -> CaCO3(s) + 2NaCl(aq)} \]
硝酸钾与另外两种溶液中的任何一种混合都不会产生沉淀物，因为钾盐和硝酸盐都保持可溶。
因此，唯一能产生观察到的沉淀物的组合，是氯化钙加碳酸钠。由于 A 和 B 是会产生沉淀的那一对，所以 C 必定是硝酸钾。
不过，这些证据是对称的。它们告诉我们 A 和 B 是两种会互相反应的溶液，但没有任何观察结果能区分哪一种含有 \(\mathrm{Ca}^{2+}\)，哪一种含有 \(\ce{CO3^2-}\)。
净离子方程式为：
\[ \ce{Ca^2+(aq) + CO3^2-(aq) -> CaCO3(s)} \]
这题真正困难的部分不是写方程式，而是不要作出超过证据所能支持的结论。
问题 6
某学生得到硝酸银水溶液和磷酸钠水溶液。
他们认为银的电荷是 \(+1\)，磷酸根的电荷是 \(3-\)，因此把沉淀物写成 \(\ce{AgPO4}\)。
预测正确的沉淀物，写出配平的分子方程式，并给出净离子方程式。
解答 6
正确的沉淀物是磷酸银 \(\ce{Ag3PO4(s)}\)，而净离子方程式为 \(\ce{3Ag+(aq) + PO4^3-(aq) -> Ag3PO4(s)}\)。
学生提出的化学式 \(\ce{AgPO4}\) 并非电荷中性。一个 \(\mathrm{Ag}^{+}\) 带来 \(+1\) 电荷，而一个 \(\ce{PO4^3-}\) 带来 \(-3\) 电荷，因此总电荷为 \(-2\)。
每一个磷酸根离子需要三个银离子：
\[ 3(+1) + (-3) = 0 \]
所以，中性的沉淀物为：
\[ \ce{Ag3PO4(s)} \]
分子方程式为：
\[ \ce{3AgNO3(aq) + Na3PO4(aq) -> Ag3PO4(s) + 3NaNO3(aq)} \]
把水溶液中的物质拆成离子可得：
\[ \ce{3Ag+(aq) + 3NO3-(aq) + 3Na+(aq) + PO4^3-(aq) -> Ag3PO4(s) + 3Na+(aq) + 3NO3-(aq)} \]
消去旁观离子 \(\mathrm{Na}^{+}\) 和 \(\ce{NO3-}\) 后，净离子方程式为：
\[ \ce{3Ag+(aq) + PO4^3-(aq) -> Ag3PO4(s)} \]
这题反映了一个很实用的习惯：不要只根据离子的名称猜测离子化合物的化学式。先让总电荷等于零，再配平反应。
11这个概念接下来会引向甚么？
一旦你能预测沉淀物，下一步就是利用沉淀作为证据。
如果加入某种已知离子后会形成具有特征的不溶化合物，这个反应就可以帮助辨认未知离子。不论最初是哪一种可溶性盐提供这些参与反应的离子，都可以使用相同的净离子方程式。
沉淀反应也会引出一个更精确的概念：「不溶」并不代表真的完全没有粒子溶解。在平衡状态下，少量离子固体仍可以溶解，而溶解离子与固体之间的平衡可以用定量方式描述。
目前，对 HSC 而言，更实用的判断方式比较简单：辨认离子、建立电荷中性的生成物、检查它们的溶解度，然后只针对实际发生变化的物种写出净离子方程式。