HSC 化學中的沉澱反應與淨離子方程式
學習如何預測不溶性生成物、辨認旁觀離子，並為 HSC 化學中的沉澱反應寫出配平的淨離子方程式。
你把兩種澄清、無色的溶液混合在一起。一秒後，燒杯中的液體變得混濁，並出現固體。混合前明明沒有任何固體，那麼這些固體是從哪裡來的？
假設其中一種溶液含有鉛(II)離子和硝酸根離子，另一種則含有鉀離子和碘離子。在繼續閱讀之前，先預測它們相遇時會發生甚麼事。四種離子是否都只是繼續溶解在水中，還是某一種新的離子組合可以離開溶液？
關鍵概念是，有些離子組合可溶於水，而另一些則不太易溶。如果帶相反電荷的離子形成一種溶解度足夠低的離子化合物，它們就會聚集成固體晶體。這種固體稱為沉澱物。
一旦你能辨認出這種不溶的組合，沉澱反應題就會變得更有規律：預測生成物、配平方程式、把可溶的離子物質拆成離子，然後消去旁觀離子。
01水溶液中的離子物質實際上是甚麼狀態？
先從熟悉的氯化鈉 \(\ce{NaCl}\) 開始。
固態氯化鈉含有排列在離子晶格中的 \(\mathrm{Na}^{+}\) 和 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 離子。當足夠多的氯化鈉溶於水時，這些離子會彼此分離，並被水分子包圍：
\[
\ce{NaCl(aq) -> Na+(aq) + Cl-(aq)}
\]
\((aq)\) 狀態表示水溶液態，也就是溶解在水中。
相同的概念也適用於碘化鉀：
\[
\ce{KI(aq) -> K+(aq) + I-(aq)}
\]
所以，看到標示為「\(\ce{KI(aq)}\)」的燒杯時，不應想像裡面漂浮著大量完整的 \(\ce{KI}\) 單位。實際上，其中含有可自由移動的 \(\mathrm{K}^{+}\) 和 \(\mathrm{I}^{-}\) 離子。
當兩種離子溶液混合時，這一點非常重要。
你可以粗略地把這些離子想像成派對中的人。每個人都各自走動，而不是一到場就永久和某個特定夥伴綁在一起。當兩群人混合之後，其中某一種特定的正離子-負離子配對可能形成非常穩定的固體，使這些離子實際上一起「離開派對」。
不過，這個類比只能到這裡為止。離子不會「選擇」夥伴，而物質是否難溶，取決於離子之間、晶格與水之間各種作用的平衡。對 HSC 沉澱反應題而言，溶解度規則讓我們無須計算所有這些作用，也能實際預測結果。
02判斷是否會沉澱的基本方法
考慮把硝酸鉛(II)水溶液與碘化鉀水溶液混合：
\[
\ce{Pb(NO3)2(aq) + KI(aq)}
\]
溶液中的離子為：
- \(\mathrm{Pb}^{2+}\)
- \(\ce{NO3-}\)
- \(\mathrm{K}^{+}\)
- \(\mathrm{I}^{-}\)
預測生成物的一種常見方法，是想像正離子交換了負離子「夥伴」。
可能形成的新組合為：
- \(\mathrm{Pb}^{2+}\) 與 \(\mathrm{I}^{-}\)
- \(\mathrm{K}^{+}\) 與 \(\ce{NO3-}\)
根據電荷中性，可得化學式：
\[
\ce{PbI2}
\]
以及
\[
\ce{KNO3}
\]
現在到了重要問題：哪一種生成物（如果有的話）是不溶的？
鉀化合物和硝酸鹽都可溶，因此 \(\ce{KNO3}\) 保持水溶液態。碘化鉛(II)的溶解度很低，所以會形成固體：
\[
\ce{PbI2(s)}
\]
這就是沉澱物。
配平後的方程式為：
\[
\ce{Pb(NO3)2(aq) + 2KI(aq) -> PbI2(s) + 2KNO3(aq)}
\]
這個反應並不是因為化合物有某種神秘的需求，要「交換夥伴」。這種說法只是一種方便整理反應物和生成物的方法。真正推動反應的是 \(\mathrm{Pb}^{2+}\) 和 \(\mathrm{I}^{-}\) 離子以固態 \(\ce{PbI2}\) 的形式從溶液中移除。
03你需要使用的溶解度規則
你不需要逐一背下每一種離子化合物的溶解度。大部分題目都可以利用規律處理。
如果題目提供了溶解度表，應一律以題目提供的資料為準。否則，以下這些高價值規律對 HSC 程度的題目很有用。
| 離子化合物類型 | 在水中的一般情況 | 重要概念 |
|---|---|---|
| 第 1 族金屬鹽 | 可溶 | 含有 \(\mathrm{Li}^{+}\)、\(\mathrm{Na}^{+}\)、\(\mathrm{K}^{+}\) 和其他第 1 族離子的化合物一般會保持水溶液態 |
| 銨鹽 | 可溶 | 含有 \(\ce{NH4+}\) 的化合物一般會保持水溶液態 |
| 硝酸鹽 | 可溶 | 含有 \(\ce{NO3-}\) 的化合物一般會保持水溶液態 |
| 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 \(\mathrm{Pb}^{2+}\) 等離子的化合物 |
| 硫酸鹽 | 通常可溶 | 某些金屬硫酸鹽的溶解度很低，包括 \(\ce{BaSO4}\) 和 \(\ce{PbSO4}\) |
| 碳酸鹽 | 通常不溶 | 第 1 族金屬的碳酸鹽和碳酸銨是重要的可溶例外 |
| 磷酸鹽 | 通常不溶 | 第 1 族金屬的磷酸鹽和磷酸銨是重要的可溶例外 |
| 氫氧化物 | 通常不溶 | 第 1 族金屬氫氧化物可溶，其他某些氫氧化物則具有一定程度或有限的溶解度 |
留意這裡用的是通常和一般，而不是「一定」。實際上，溶解度是一個連續的程度。即使某種化合物被描述為不溶，通常仍會有極少量溶解。
不過，在 HSC 沉澱反應題中，需要作出的判斷通常比較簡單：根據溶解度資料，這種物質應寫成 \((aq)\)，還是寫成沉澱物 \((s)\)？
04預測沉澱物的可靠方法
當兩種離子化合物的水溶液混合時，可以按照以下次序處理。
- 寫出每種溶液中存在的離子。
- 形成可能的新離子組合。
- 確保每種生成物在電荷上呈中性。
- 利用溶解度規則判斷每種生成物的狀態。
- 如果沒有形成不溶的生成物，可能就沒有沉澱反應。
- 先配平完整方程式，再寫離子方程式。
第三步會造成很多本來可以避免的錯誤。
例如，\(\mathrm{Fe}^{3+}\) 和 \(\ce{OH-}\) 並不會形成 \(\ce{FeOH}\)。一個 \(\mathrm{Fe}^{3+}\) 需要三個 \(\ce{OH-}\) 離子，才能使總電荷為零：
\[
\ce{Fe(OH)3}
\]
化學式是由電荷決定的，而不是把兩個離子各寫一個、放在一起就可以。
如果你覺得配平方程式本身才是困難之處，可以重溫 反應中的原子重新排列：HSC 化學指南 中有關反應如何遵守原子守恆的內容。
例題：氯化銀會沉澱嗎？
把硝酸銀水溶液與氯化鈉水溶液混合。預測是否會形成沉澱物，並寫出配平的分子方程式。
步驟 1
硝酸銀含有 \(\mathrm{Ag}^{+}\) 和 \(\ce{NO3-}\)。
氯化鈉含有 \(\mathrm{Na}^{+}\) 和 \(\mathrm{Cl}^{-}\)。
步驟 2
交換負離子後，得到 \(\ce{AgCl}\) 和 \(\ce{NaNO3}\)。
步驟 3
硝酸鹽和鈉鹽可溶，因此：
\[
\ce{NaNO3(aq)}
\]
氯化銀的溶解度很低，因此：
\[
\ce{AgCl(s)}
\]
步驟 4
\[
\ce{AgNO3(aq) + NaCl(aq) -> AgCl(s) + NaNO3(aq)}
\]
這條方程式已經配平。
之所以會形成固態 \(\ce{AgCl}\) 沉澱物，是因為溶解的 \(\mathrm{Ag}^{+}\) 和 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 離子結合成不溶的離子晶格。
05從分子方程式到淨離子方程式
分子方程式很有用，但它包括了一些實際上沒有發生化學變化的離子。
以氯化銀反應為例：
\[
\ce{AgNO3(aq) + NaCl(aq) -> AgCl(s) + NaNO3(aq)}
\]
記住，水溶液中的物質實際上是以甚麼形式存在的。
硝酸銀在溶液中以離子形式存在：
\[
\ce{Ag+(aq) + NO3-(aq)}
\]
氯化鈉則以以下形式溶解：
\[
\ce{Na+(aq) + Cl-(aq)}
\]
生成物一側的硝酸鈉也是水溶液態，因此仍然以分離的離子形式存在。
所以，完整離子方程式為：
\[
\ce{Ag+(aq) + NO3-(aq) + Na+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s) + Na+(aq) + NO3-(aq)}
\]
現在找出在方程式兩邊都以相同形式出現的物種。
\(\mathrm{Na}^{+}\) 和 \(\ce{NO3-}\) 在反應前後都存在。這些稱為旁觀離子。
把它們消去：
\[
\ce{Ag+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s)}
\]
這就是淨離子方程式。
它只顯示造成沉澱的化學變化。
06哪些物質應該拆成離子？
一個實用的規則是：
把可溶的水溶液態離子物質拆成離子。不要把沉澱物拆開。
例如：
\[
\ce{Na2CO3(aq)}
\]
會寫成：
\[
\ce{2Na+(aq) + CO3^2-(aq)}
\]
但是：
\[
\ce{CaCO3(s)}
\]
仍然寫成：
\[
\ce{CaCO3(s)}
\]
如果你把沉澱物重新拆成水溶液中的離子，就等於把方程式原本要描述的過程逆轉了。
因此，狀態符號並不是裝飾。它們告訴你應把某種物質視為溶解的粒子，還是獨立的固相。
07例題：使氫氧化鐵(III)沉澱
把氯化鐵(III)水溶液與氫氧化鈉水溶液混合。預測沉澱物，並寫出分子方程式、完整離子方程式和淨離子方程式。
步驟 1
離子為：
\[
\ce{Fe^3+, Cl-, Na+, OH-}
\]
交換後的生成物是氫氧化鐵(III)和氯化鈉。
由於 \(\mathrm{Fe}^{3+}\) 的電荷為 \(+3\)，而 \(\ce{OH-}\) 的電荷為 \(-1\)，因此需要三個氫氧根離子：
\[
\ce{Fe(OH)3}
\]
步驟 2
氯化鈉可溶。
氫氧化鐵(III)的溶解度很低，因此形成 \(\ce{Fe(OH)3(s)}\)。
步驟 3
\[
\ce{FeCl3(aq) + 3NaOH(aq) -> Fe(OH)3(s) + 3NaCl(aq)}
\]
每一個鐵(III)離子需要三個氫氧根離子。這些係數反映的正是形成 \(\ce{Fe(OH)3}\) 化學式時所用的相同電荷關係。
步驟 4
把所有可溶的水溶液態離子物質拆成離子：
\[
\ce{Fe^3+(aq) + 3Cl-(aq) + 3Na+(aq) + 3OH-(aq) -> Fe(OH)3(s) + 3Na+(aq) + 3Cl-(aq)}
\]
步驟 5
\(\mathrm{Na}^{+}\) 和 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 離子在反應中沒有改變：
\[
\ce{Fe^3+(aq) + 3OH-(aq) -> Fe(OH)3(s)}
\]
這條淨離子方程式所表達的資訊比完整方程式更有用。任何合適且可溶的 \(\mathrm{Fe}^{3+}\) 來源，只要與合適且可溶的 \(\ce{OH-}\) 來源混合，都可以產生相同的沉澱過程。
08常見陷阱：假設每次離子交換都是反應
假設把硝酸鉀水溶液與氯化鈉水溶液混合。
學生可能會寫：
\[
\ce{KNO3(aq) + NaCl(aq) -> KCl(aq) + NaNO3(aq)}
\]
這條方程式已配平，所以看起來似乎沒有問題。
但試著預測粒子層次的情況。混合前，水中有 \(\mathrm{K}^{+}\)、\(\ce{NO3-}\)、\(\mathrm{Na}^{+}\) 和 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 離子自由移動。混合之後，這四種物種仍然全部溶解在水中。
從化學角度來看，實際上甚麼也沒有改變。
兩種可能的生成物都可溶。沒有沉澱物、氣體、弱電解質或其他推動過程把離子從溶液中移除。
完整離子「方程式」會是：
\[
\ce{K+(aq) + NO3-(aq) + Na+(aq) + Cl-(aq) -> K+(aq) + Cl-(aq) + Na+(aq) + NO3-(aq)}
\]
所有物種都可以消去。
因此，這個情況沒有沉澱反應的淨離子方程式，因為根本沒有發生沉澱反應。
所以，「複分解」並不能保證一定會發生反應。它只是一種可能的生成物排列方式。是否真的由沉澱推動化學變化，要由溶解度決定。
09相信一條淨離子方程式之前要做的四項檢查
正確的淨離子方程式應該通過四項檢查。
| 檢查項目 | 要問甚麼？ |
|---|---|
| 原子 | 方程式兩邊每種原子的數目是否相同？ |
| 電荷 | 方程式兩邊的總電荷是否相同？ |
| 狀態 | 溶解的物種是否標為 \((aq)\)，而沉澱物是否標為 \((s)\)？ |
| 旁觀離子 | 是否已消去所有沒有改變的離子，而且只消去了沒有改變的離子？ |
例如：
\[
\ce{Pb^2+(aq) + I-(aq) -> PbI2(s)}
\]
無法通過電荷和原子檢查。左邊的總電荷為 \(+1\)，而且只有一個碘離子。
正確的方程式是：
\[
\ce{Pb^2+(aq) + 2I-(aq) -> PbI2(s)}
\]
現在左邊的總電荷為 \(0\)，與右邊的中性固體相同，而且方程式兩邊各有兩個碘原子。
10問題與解答
問題 1
把氯化鎂水溶液與碳酸鈉水溶液混合。
預測是否會形成沉澱物。寫出沉澱物的名稱和淨離子方程式。
解答 1
碳酸鎂會沉澱，而淨離子方程式為 \(\ce{Mg^2+(aq) + CO3^2-(aq) -> MgCO3(s)}\)。
最初存在的離子為 \(\mathrm{Mg}^{2+}\)、\(\mathrm{Cl}^{-}\)、\(\mathrm{Na}^{+}\) 和 \(\ce{CO3^2-}\)。
交換夥伴後，得到碳酸鎂和氯化鈉：
\[
\ce{MgCl2(aq) + Na2CO3(aq) -> MgCO3(s) + 2NaCl(aq)}
\]
大多數碳酸鹽的溶解度很低，但與第 1 族陽離子或銨離子等形成的碳酸鹽除外。因此，\(\ce{MgCO3}\) 會沉澱。
完整離子方程式為：
\[
\ce{Mg^2+(aq) + 2Cl-(aq) + 2Na+(aq) + CO3^2-(aq) -> MgCO3(s) + 2Na+(aq) + 2Cl-(aq)}
\]
消去 \(\mathrm{Na}^{+}\) 和 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 後得到：
\[
\ce{Mg^2+(aq) + CO3^2-(aq) -> MgCO3(s)}
\]
大小相等、符號相反的 \(2+\) 和 \(2-\) 電荷，也解釋了為甚麼沉澱物的化學式中離子比例為 \(1:1\)。
問題 2
某學生把硝酸銨水溶液與氯化鉀水溶液混合，並因為離子「交換了夥伴」，所以預測會形成固態氯化銨。
這個預測正確嗎？請利用溶解度和粒子層次的情況解釋。
解答 2
不會形成沉澱物，因此學生的預測不正確。
可能的生成物是氯化銨和硝酸鉀：
\[
\ce{NH4NO3(aq) + KCl(aq) -> NH4Cl(aq) + KNO3(aq)}
\]
銨鹽可溶、鉀鹽可溶，而且硝酸鹽也可溶。因此，兩種假設的生成物都會保持水溶液態。
在粒子層次上，混合前後的溶液都含有相同的四種溶解離子：
\[
\ce{NH4+, NO3-, K+, Cl-}
\]
沒有不溶的生成物把離子從溶液中移除。這裡容易出現的錯誤觀念，是把「離子交換」當成反應已經發生的證據。事實並非如此。真正決定是否發生沉澱的是溶解度檢查。
問題 3
把硫酸鋁 \(\ce{Al2(SO4)3}\) 水溶液與硝酸鋇 \(\ce{Ba(NO3)2}\) 水溶液混合。
寫出：
- 配平的分子方程式，
- 完整離子方程式，以及
- 淨離子方程式。
解答 3
硫酸鋇會沉澱，而淨離子變化為 \(\ce{Ba^2+(aq) + SO4^2-(aq) -> BaSO4(s)}\)。
交換後的生成物為 \(\ce{BaSO4}\) 和 \(\ce{Al(NO3)3}\)。硫酸鋇的溶解度很低，而硝酸鹽可溶。
配平的分子方程式為：
\[
\ce{Al2(SO4)3(aq) + 3Ba(NO3)2(aq) -> 3BaSO4(s) + 2Al(NO3)3(aq)}
\]
現在把可溶的水溶液態離子物質拆成離子：
\[
\ce{2Al^3+(aq) + 3SO4^2-(aq) + 3Ba^2+(aq) + 6NO3-(aq) -> 3BaSO4(s) + 2Al^3+(aq) + 6NO3-(aq)}
\]
\(\mathrm{Al}^{3+}\) 和 \(\ce{NO3-}\) 離子是旁觀離子，因此可以消去：
\[
\ce{3Ba^2+(aq) + 3SO4^2-(aq) -> 3BaSO4(s)}
\]
淨離子方程式應使用最簡整數係數，因此寫成：
\[
\ce{Ba^2+(aq) + SO4^2-(aq) -> BaSO4(s)}
\]
分子方程式中的係數三，是配平完整化合物時產生的。它並不是描述一次沉澱事件時最簡形式的一部分。
問題 4
某學生預測，把硝酸鉛(II)水溶液與氯化鈉水溶液混合會產生 \(\ce{PbCl(s)}\)，然後寫出：
\[
\ce{Pb^2+(aq) + Cl-(aq) -> PbCl(s)}
\]
指出錯誤，並寫出正確的沉澱物化學式和淨離子方程式。
解答 4
沉澱物是 \(\ce{PbCl2(s)}\)，而正確的淨離子方程式為 \(\ce{Pb^2+(aq) + 2Cl-(aq) -> PbCl2(s)}\)。
學生的主要錯誤，是在寫生成物化學式時沒有平衡離子電荷。
鉛(II)離子的電荷為 \(+2\)：
\[
\mathrm{Pb}^{2+}
\]
氯離子的電荷為 \(-1\)：
\[
\mathrm{Cl}^{-}
\]
因此，需要兩個氯離子才能形成電荷中性的離子化合物：
\[
(+2) + 2(-1) = 0
\]
所以沉澱物為：
\[
\ce{PbCl2(s)}
\]
正確的淨離子方程式為：
\[
\ce{Pb^2+(aq) + 2Cl-(aq) -> PbCl2(s)}
\]
這條方程式同時符合原子守恆和電荷守恆。錯誤版本的左邊總電荷為 \(+1\)，而且氯離子的數目也不正確。
問題 5
有三種沒有標籤的水溶液，已知分別是氯化鈣、碳酸鈉和硝酸鉀。
觀察結果如下：
- 把 A 與 B 混合會產生沉澱物，
- 把 A 與 C 混合不會產生沉澱物，
- 把 B 與 C 混合不會產生沉澱物。
辨認溶液 C。只利用這些觀察結果，能否判斷 A 和 B 之中哪一個是氯化鈣、哪一個是碳酸鈉？寫出沉澱反應的淨離子方程式。
解答 5
溶液 C 必定是硝酸鉀，但這些觀察結果無法告訴我們 A 是氯化鈣、B 是碳酸鈉，還是相反。沉澱反應為 \(\ce{Ca^2+(aq) + CO3^2-(aq) -> CaCO3(s)}\)。
氯化鈣和碳酸鈉會發生反應，因為碳酸鈣的溶解度很低：
\[
\ce{CaCl2(aq) + Na2CO3(aq) -> CaCO3(s) + 2NaCl(aq)}
\]
硝酸鉀與另外兩種溶液中的任何一種混合都不會產生沉澱物，因為鉀鹽和硝酸鹽都保持可溶。
因此，唯一能產生觀察到的沉澱物的組合，是氯化鈣加碳酸鈉。由於 A 和 B 是會產生沉澱的那一對，所以 C 必定是硝酸鉀。
不過，這些證據是對稱的。它們告訴我們 A 和 B 是兩種會互相反應的溶液，但沒有任何觀察結果能區分哪一種含有 \(\mathrm{Ca}^{2+}\)，哪一種含有 \(\ce{CO3^2-}\)。
淨離子方程式為：
\[
\ce{Ca^2+(aq) + CO3^2-(aq) -> CaCO3(s)}
\]
這題真正困難的部分不是寫方程式，而是不要作出超過證據所能支持的結論。
問題 6
某學生得到硝酸銀水溶液和磷酸鈉水溶液。
他們認為銀的電荷是 \(+1\)，磷酸根的電荷是 \(3-\)，因此把沉澱物寫成 \(\ce{AgPO4}\)。
預測正確的沉澱物，寫出配平的分子方程式，並給出淨離子方程式。
解答 6
正確的沉澱物是磷酸銀 \(\ce{Ag3PO4(s)}\)，而淨離子方程式為 \(\ce{3Ag+(aq) + PO4^3-(aq) -> Ag3PO4(s)}\)。
學生提出的化學式 \(\ce{AgPO4}\) 並非電荷中性。一個 \(\mathrm{Ag}^{+}\) 帶來 \(+1\) 電荷，而一個 \(\ce{PO4^3-}\) 帶來 \(-3\) 電荷，因此總電荷為 \(-2\)。
每一個磷酸根離子需要三個銀離子：
\[
3(+1) + (-3) = 0
\]
所以，中性的沉澱物為：
\[
\ce{Ag3PO4(s)}
\]
分子方程式為：
\[
\ce{3AgNO3(aq) + Na3PO4(aq) -> Ag3PO4(s) + 3NaNO3(aq)}
\]
把水溶液中的物質拆成離子可得：
\[
\ce{3Ag+(aq) + 3NO3-(aq) + 3Na+(aq) + PO4^3-(aq) -> Ag3PO4(s) + 3Na+(aq) + 3NO3-(aq)}
\]
消去旁觀離子 \(\mathrm{Na}^{+}\) 和 \(\ce{NO3-}\) 後，淨離子方程式為：
\[
\ce{3Ag+(aq) + PO4^3-(aq) -> Ag3PO4(s)}
\]
這題反映了一個很實用的習慣：不要只根據離子的名稱猜測離子化合物的化學式。先讓總電荷等於零，再配平反應。
11這個概念接下來會引向甚麼？
一旦你能預測沉澱物，下一步就是利用沉澱作為證據。
如果加入某種已知離子後會形成具有特徵的不溶化合物，這個反應就可以幫助辨認未知離子。不論最初是哪一種可溶性鹽提供這些參與反應的離子，都可以使用相同的淨離子方程式。
沉澱反應也會引出一個更精確的概念：「不溶」並不代表真的完全沒有粒子溶解。在平衡狀態下，少量離子固體仍可以溶解，而溶解離子與固體之間的平衡可以用定量方式描述。
目前，對 HSC 而言，更實用的判斷方式比較簡單：辨認離子、建立電荷中性的生成物、檢查它們的溶解度，然後只針對實際發生變化的物種寫出淨離子方程式。