复杂离子反应方程式的书写-高一-化学-论文

复杂离子反应方程式的书写张文西安国际港务区铁一中陆港高级中学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+3NaHCO3=2CaCO3↓+NaOH+Na2CO3+3H2O。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3molBaSO4与

2mol

的Al(OH)3沉淀的生成。沉淀的总量为5mol。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2molAl(OH)3的溶解过程中，同时有了1molBaSO4的生成。沉淀物质的总物质的量在减少，最终反而变成了4mol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2molAl(OH)3的质量减少（78×2=156g）。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/100gH2O，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+]=0.010mol•L-1、[OH-]=0.020mol•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0.020mol•L-1。而Ba(OH)2溶液的浓度，也仅为2%，相当于0.1mol•L-1。也就是其溶液中的[OH-]=0.20mol•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