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。

粒子图显示混合前,硝酸铅(II)水溶液和碘化钾水溶液中的离子彼此分离;混合后形成固态碘化铅(II),而钾离子和硝酸根旁观离子仍分散在溶液中。
当 Pb²⁺ 和 I⁻ 离子以固态 PbI₂ 的形式离开水溶液混合物时,便会形成沉淀物,而 K⁺ 和 NO₃⁻ 则作为旁观离子继续溶解在水中。

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。

  1. 写出每种溶液中存在的离子。
  2. 形成可能的新离子组合。
  3. 确保每种生成物在电荷上呈中性。
  4. 利用溶解度规则判断每种生成物的状态。
  5. 如果没有形成不溶的生成物,可能就没有沉淀反应。
  6. 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。