高考复杂离子反应方程式的书写
时间:2021-04-08 08:02 来源:化学原理补正 作者:伍伟夫 点击:次 所属专题: 离子方程式书写
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由于涉及的变量很少,反应形式也极为简单,普通的复分解反应方程式都是很容易书写的。在一般人的印象中,这类反应似乎也谈不上还有什么书写的“规律”,需要再加以讨论。
一、问题的提出
由于中学化学教学内容的不断扩展,一些本来没有什么实际意义的复分解反应,也以“复杂离子反应”的形式进入了人们的视野。教师们也只好在如何讲清楚这类反应上,再多下一些功夫。于是,在有关化学教学研究的期刊上就出现了这样的一篇文章[1]。
该文主张把“复杂离子”反应,再分为3种类型(连锁反应、并列反应、竞争反应)。并就每一种类型的反应,给出了各自的“概念界定、反应规律、分析策略、书写步骤”。且仅连锁反应的“分析策略”就涉及了,“启动反应”、“连带反应”、“子反应”、“关联物”、“参与量”等多个新概念,这些概念间的关系要用一个有12个“程序框”的框图来描述。这几乎就是一个,独立于普通化学方程式书写之外的,新理论体系。
该文针对连锁反应中的一个例子,所给出的“书写步骤”,就复杂如下。
例1,向碳酸氢钠溶液中滴加少量的澄清石灰水。试写出其离子方程式。
解1,该文给出的标准书写步骤是4步:
第1步,类型界定。由于OH-与HCO3-反应生成了CO32-。是它引发与滴入的Ca2+生成CaCO3沉淀。属于连锁反应。
第2步,子反应界定。HCO3-+ OH-=CO32-+ H2O(启动反应)。其后的CO32-+ Ca2+=CaCO3↓(连带反应)。
第3步,关联物界定。CO32-是启动反应的产物,又是连带反应的反应物。所以,为两反应的“关联物”,
第4步,关联物“参与量”确定。因滴入“少量的澄清石灰水”,在启动反应中用量最少的是OH-。其计量为“1”。
由启动反应计量系数知,关联物CO32-的生成量为“1”。
根据Ca(OH)2的组成,加入CO32-为“1/2”。关联物用于生成沉淀消耗“1/2”,剩余“1/2”没有沉淀。
有HCO3-+OH-+1/2Ca2+=1/2CaCO3↓+H2O+1/2CO32-。
最后整理系数为整数,可得离子方程式
2HCO3-+2OH-+Ca2+=CaCO3↓+2H2O+CO32-……(1)
由这个“书写”过程可见,该文所给的方程式书写方法,既繁琐又难于被学生接受。
繁琐与抽象的原因在于,这个方法没有紧紧抓住这类反应的本质。
二、一些复杂离子反应的本质
如果能关注到这个反应的本质是,其中有两个必定不会同时完成的离子反应。这类反应的书写应该是十分容易的。
如对上述的例1,可以考虑的解题思路及方法为。
解2,当NaHCO3与Ca(OH)2这个碱反应时,应把NaHCO3看作是Na+、H+、CO32-,这样的3个离子组成的。它与Ca(OH)2间有两个同时要进行的反应。一个是中和反应(H++ OH-= H2O),另一个是沉淀反应(Ca2++ CO32-= CaCO3)。且这两个反应完全进行时,所需要的反应物的物质的量比值不同。
这样,就可以不考虑反应的具体过程。而从反应物间的物质的量,直接得出反应最有代表性的不同结果。
如,欲让Ca(OH)2沉淀掉NaHCO3中所有的CO32-离子。其物质的量比,只要保持“1:1”即可。
针对这个被确定的反应物的物质的量,当然立即就可以直接写出方程式,
Ca(OH)2+NaHCO3= CaCO3↓+NaOH + H2O……(2)
这就是,只考虑CO32-离子要沉淀完全的情况(此时,Ca(OH)2中的OH-离子会有剩余)。
如果要让中和反应恰好进行完全,Ca(OH)2中的“OH-”就不得像上式那样有“剩余”。而必须全部与NaHCO3中的“H+”去中和才行。这就需要有两个NaHCO3,去与一个Ca(OH)2反应。即,Ca(OH)2与NaHCO3的物质的量比为“1:2”。
从而有,Ca(OH)2+2NaHCO3=CaCO3↓+Na2CO3+2H2O……(3)
此时,NaHCO3中的CO32-离子一定会有剩余。
在滴入“少量的澄清石灰水”的情况下,进行的当然是后一个反应。
式(3)可以很容易地改写为离子方程式。消去Na2CO3中的2个Na+离子,而有Ca2++2OH-+ 2HCO3-= CaCO3↓+ CO32-+2H2O。
这也就是前面的式(1)。
考虑到式(2)与式(3)描述的是,Ca(OH)2与NaHCO3的物质的量比为两个特定值时的反应。
可以想见,如果用“Ca(OH)2与NaHCO3的物质的量为1:1.5”这样的反应条件来约束。那么其反应方程式就是“式(2)与式(3)简单相加”的结果,
2Ca(OH)2+3 NaHCO3=2CaCO3↓+NaOH +Na2CO3+3H2O。
用“a×(1)+b×(2)”(其中的a与b为1、2、3……中的任意数值)所构造出来的化学方程式,都是一个被“配平”的化学方程式。
如,当“2×(1)+1×(2)”时,得到的就是如下的,
3Ca(OH)2+4 NaHCO3=3CaCO3↓+2NaOH +Na2CO3+4H2O。
总之,当反应物间的物质的量比在某一区间时,这个反应就是一个化学计量数有着无数组解的反应。把它称为“复杂离子反应”,或“复杂复分解反应”,应该都是可以的。
当然,在反应物间的物质的量比为某些特定值时,其方程式也会有比较简单的“特解”。
三、没有区分“连锁反应”与“并列反应”的必要
从反应本质,也就是“哪个离子要反应完全”,这样的角度来看。该文欲对“连锁反应”与“并列反应”进行区分,实际上完全没有这个必要。
因为,其“并列反应”的代表,只是形式上的“不分反应的先后”,本质上还是一个反应物间物质的量比值问题。
该文对并列反应,所给出的典型的例子为,
例2,向硫酸氢钠溶液中加入Ba(OH)2溶液至中性。试写出离子方程式。
解,它与例1的区别仅在于,将“Ca(OH)2与NaHCO3反应”中的,Ca(OH)2改成了Ba(OH)2。将NaHCO3替换成了NaHSO4(当然溶液也从碱性变成了酸性)。
但是,这实际上这还是一个,反应后溶液中“不再有SO42-离子”,还是“不再有OH-离子”的问题。
由于该题要求“溶液为中性”,也就是“不得有OH-离子”。从反应物Ba(OH)2的组成,也可以直接看出,要有2个NaHSO4与其反应。
这样就能直接写出,Ba(OH)2+2NaHSO4=BaSO4↓+Na2SO4+2H2O。
如果例2的反应目的改为“向硫酸氢钠溶液中加入Ba(OH)2溶液,至SO42-离子沉淀完全”。
那么当然反应物间物质的量比就是“1:1”。可直接写出,
Ba(OH)2+NaHSO4= BaSO4↓+NaOH +H2O。
其离子方程式为,Ba2++ OH-+ HsO4-=BaSO4↓+H2O。
总之,从反应形式、反应本质、及书写方法的角度来看,例2与例1间没有什么值得关注的区别。不应该从所谓的反应“机理”出发,将其划分为两个不同反应类型。
四、更多反应的组合
当然,所谓的复杂离子反应也不会只限于,一个中和(酸碱)反应与一个沉淀反应,这样两个反应的组合。还可能有其他的、或更多个反应的组合。如
例3,向明矾溶液中加入Ba(OH)2溶液。写出下列情况的离子方程式:
(1)生成沉淀的物质的量最多。
(2)生成沉淀的质量最多。
解,明矾KAl(SO4)2与Ba(OH)2反应时,会生成Al(OH)3与BaSO4,这样的两个沉淀。且所需Ba(OH)2的物质的量是不同的。
当Ba(OH)2的加入量,恰好使Al3+离子完全沉淀时。KAl(SO4)2与Ba(OH)2的物质的量比为“2:3”(Al3+与OH-离子恰好为,1:3)。
这样就可直接写出,
2KAl(SO4)2+3Ba(OH)2=K2SO4+3BaSO4↓+ 2Al(OH)3↓……(4)
当Ba(OH)2的加入量,恰好使SO42-离子完全沉淀时。KAl(SO4)2与Ba(OH)2的物质的量比为“1:2”(Ba2+与SO42-离子恰好为,1:1)。这样就有,
KAl(SO4)2+2Ba(OH)2=K[Al(OH)4]+2BaSO4↓……(5)
反应(5)是较难一下子就写出来的。
一般是先写出,KAl(SO4)2+2Ba(OH)2=KOH+BaSO4↓+Al(OH)3↓。注意到其中的产物Al(OH)3是两性氢氧化物,它还会与另一产物KOH继续反应,并最终成K[Al(OH)4]。这样,才会得出式(5)。
也就是说,这个所谓复杂离子反应可以是两个沉淀反应的组合。也可以是是两个沉淀反应,与一个酸碱反应,这样3个反应的组合。
把这两个方程式改写成离子方程式不难,这里就略去。
这也不会影响从这两个反应中选出,符合特定“最多”要求的那个方程式。
从这两个方程式直观地看,产生沉淀的物质的量,就有区别。因为反应(4)表示的是,当KAl(SO4)2与Ba(OH)2的物质的量为“2mol:3mol”时,有3mol BaSO4与2 mol 的Al(OH)3沉淀的生成。沉淀的总量为5 mol。
然后,再加Ba(OH)2溶液时,在前者的基础上又有了反应(5)。它是在反应(4)所得2mol Al(OH)3的溶解过程中,同时有了1mol BaSO4的生成。沉淀物质的总物质的量在减少,最终反而变成了4 mol 的BaSO4。
这样,“生成沉淀的物质的量最多”的就是反应(4)。
“生成沉淀物质的质量最多”的是反应(5)。因为于反应(4)相比较,它又生成1mol 的BaSO4,质量增加的是233g。这要远大于2mol Al(OH)3的质量减少(78×2=156 g)。
其实,上面这些例题几乎都没有什么实际意义。因为,在化学实验室中,Ba(OH)2与Ca(OH)2很少会作为强碱来使用。这是由于,它们除了可以提供出OH-离子来参与反应外,其阳离子还能使许多阴离子沉淀。不但增加了反应的复杂性,还要时时提防空气中的CO2使它“变质”(也就是试液的存放条件要更为苛刻)。
况且,这两种碱的溶解度也不大,也就是其溶液的碱性强度有限。
如,在实验室《常用酸、碱的浓度》表中,给出的Ca(OH)2浓度就是0.15%,相当于0.020mol•L-1。
而在化学手册中Ca(OH)2的溶解度在25是0.12g/100g H2O,只相当于0.016mol•L-1)。
另外,Ca(OH)2作为难溶物,还可查得其Ksp=4×10-6。这相当于,其饱和溶液中的[Ca2+]=0.010 mol•L-1、[OH-]=0.020 mol•L-1。
虽然这些有关Ca(OH)2的数据间,吻合的并不很好。但也可以概括地说,Ca(OH)2饱和溶液中的[OH-]约为0.020 mol•L-1。
而Ba(OH)2溶液的浓度,也仅为2%,相当于0.1 mol•L-1。也就是其溶液中的[OH-]=0.20 mol•L-1。
用这样浓度的“强碱”溶液。使Al3+离子沉淀并不难。但要使Al(OH)3沉淀溶解则会比较麻烦。因为使Al(OH)3完全溶解,所要求的溶液pH是10.8。这就要求,所加的Ba(OH)2溶液,要有更大幅度的“过量”。而不只是方程式所给出的计算量。
即便如此,中学化学知识体系构架者们,还不满足于这类反应的“复杂程度”。他们还要引入一个更为特殊的反应如下。
例4,向铝铵矾[NH4Al(SO4)2]溶液逐滴加入Ba(OH)2溶液。试用离子方程式表示发生的化学反应。
解,这里涉及的反应,除了有Ba2+离子与SO42-离子的沉淀反应外。还涉及了OH-离子与NH4+离子的酸碱反应,OH-离子与Al3+离子的沉淀反应,及OH-离子与反应产物Al(OH)3的后续酸碱反应。
这4个反应中,Ba2+离子与SO42-离子的沉淀反应,是随着Ba(OH)2溶液的不断加入,而在逐渐“完全”之中的。它远不如其它3个反应复杂,可以最后再考虑。
OH-离子与Al3+离子的沉淀反应,及OH-离子与Al(OH)3的酸碱反应,是顺次进行的。因为没有前一步反应生成的Al(OH)3,就没有Al(OH)3在过量OH-离子中的溶解。
OH-离子究竟是与Al3+离子先反应,还是与NH4+离子反应呢?这里涉及到一个,Al3+离子与NH4+离子,谁的酸性更强的问题?
学生要能自行判断出,Al3+离子要比NH4+离子的酸性强,因为它的酸性只比HAc稍弱。OH-离子要率先与Al3+离子反应。并且是以物质的量为“1:3”的关系来反应。也就是,NH4Al(SO4)2与Ba(OH)2的物质的量比为“2:3”。
这样就有,2NH4Al(SO4)2+3Ba(OH)2=3BaSO4+(NH4)2SO4+2Al(OH)3……(6)
其后,是多加1个Ba(OH)2,以便再把式(6)产物中这2个NH4+离子给中和掉。
从而有
2NH4Al(SO4)2+4Ba(OH)2=4BaSO4+2NH3•H2O+2Al(OH)3……(7)
欲使式(7)产物端的2个Al(OH)3溶解掉,只要再加2个离子(1个Ba(OH)2)就可以。
这样就有,
2NH4Al(SO4)2+5Ba(OH)2=4BaSO4+2NH3•H2O+Ba[Al(OH)3]2……(8)
检查一下这3个反应。不难看出,式(7)中的Ba2+离子与SO42-离子数目是相等的。没有必要再单独考虑Ba2+离子与SO42-离子,相互沉淀完全的问题。
改写后的离子方程式,这里就略去。
当然,方程式(6)、(7)、(8)也只是这整个反应过程中的3个节点。当[NH4Al(SO4)2]与Ba(OH)2的物质的量比,不是这3个特定的比值时,反应情况可能要用,这3个方程式中的某2个、并按一定的比例组合的结果,来进行描述。
总之,所谓的“复杂离子反应”,应该是指有多种书写形式(产物种类不同、化学计量数也不同)的电解质间的反应。
即便是这样,对其方程式的书写方法,也不宜另立一套“书写体系”。在教学中最忌讳的是把简单的问题给“复杂化”。
按照一般的思路,这类方程式在书写时要注意的问题是:要清楚其中有哪些个可能的离子反应;当同一离子可能有多个反应时,要明确出反应的先后顺序,并依次一个个地来讨论;所谓的讨论就是从该反应的本质,直接找出反应物间的物质的量比,而写出相应的化学方程式。
至于该文后半部分的“在实际问题中的应用”,讨论的确实都是有许多离子共存的复杂体系。但,其涉及的都是“简单离子反应方程式”,似乎不属于“复杂方程式书写”方面的内容。
其实“复杂××反应”中的“复杂”,在化学教学中是有特定含义的。
早在上世纪八十年代初期,在《化学教学》与《化学教育》杂志上就先后刊出了多篇有关“复杂氧化还原反应方程式配平”讨论的文章。“将硫化氢气体通入浓硫酸”的反应,就是“复杂氧化还原反应”中一个比较常见、且典型的代表。
这个反应的主要特征是,能够写出(需配平)的方程式有无数多个。其“复杂性”在于,当不给出反应物间物质的量关系时,该方程式有不确定及模糊性。
对于上例,可写出的方程式有:
H2SO4+H2S=2H2O+SO2+S,
5H2SO4+7H2S=12H2O+4SO2+8S,
7H2SO4+5H2S=12H2O+8SO2+4S……,这样的无限多个方程式。
产生这个现象的原因是,该反应中有3个或3个以上独立(不受方程式制约)的得失电子过程。它们可以分别组成了两个或两个以上的简单氧化还原反应。当这多个简单氧化还原反应组合成总反应时。如果没有反应条件的约束,它会有无限多的组合形式。
虽然有多篇讨论文章,有较重量级人物的参与,但最终还是不置可否。没有找到一个可以被大家接受的,这类反应的配平方法。
本文前面所讨论的几个反应,都属于复分解反应的范畴。它们之间的共同特点是“其中都有,两个或两个以上的相互间不受制约的离子反应”。总反应是这多个离子反应的组合。在这类反应方程式的“配平”中,也会遇到有多组解的情况。从这个角度来看,它与“复杂氧化还原反应”有许多的共同点。将它们称为“复杂复分解反应”,是可以的。
对于“复杂××反应”中“复杂”的含义,要在其“配平”时会有“无限组解”,这个这个角度上来理解与使用,才比较好。
参考文献
[1]田存现.复杂离子反应的规律及其离子反应方程式书写策略.化学教育(中英文). 2019年第21期
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