反应类型、溶解性规则与净离子方程式

水溶液反应背后的三种驱动力

把两种溶液混合时，只有当某种东西把离子从溶液中移走，或者电子发生转移时，才会发生反应。请问三个问题。一种溶液中的阳离子与另一种溶液中的阴离子，是否会形成溶解度低的化合物？酸是否把质子转移给碱，形成水或另一种弱电解质？是否有原子的氧化数发生变化，使电子从一种物种转移到另一种物种？

第一个问题的答案为“是”，就是沉淀反应；第二个为“是”，就是酸碱反应；第三个为“是”，就是氧化还原反应。生成气体的反应，如 HCO₃⁻(aq) + H⁺(aq) → H₂O(l) + CO₂(g)，通常归入酸碱反应，因为第一步是质子转移。燃烧和一种金属置换另一种金属的反应属于氧化还原反应。

这些类别并不互相排斥。当氢氧化钡水溶液中和硫酸时，Ba(OH)₂(aq) + H₂SO₄(aq) → BaSO₄(s) + 2H₂O(l)，在同一个反应中既生成了水，又析出了不溶的硫酸盐沉淀。

决定把哪些物种写成离子

净离子方程式取决于了解哪些物质在水中以分离的离子形式存在。强电解质基本上完全解离：可溶性离子化合物、强酸和强碱。当它们标注为 (aq) 时，写成离子。其他一切保持原有的化学式：固体、液体、气体、弱酸、弱碱，以及葡萄糖等分子型溶质。

常见的强酸有 HCl、HBr、HI、HNO₃、HClO₄ 和 H₂SO₄（就其第一个质子而言）。普通化学中遇到的几乎所有其他酸，包括 HF、乙酸 (CH₃COOH) 和碳酸，都视为弱酸，保留为分子。强碱是第 1 族的氢氧化物和较重的第 2 族的氢氧化物。氨是弱碱，保持为 NH₃(aq)。

化合物解离时，多原子离子保持完整。铬酸钾水溶液生成 2K⁺(aq) 和 CrO₄²⁻(aq)，而不是分开的钾、铬和氧离子。

应用溶解性规则

溶解性规则概括了在室温附近观察到的离子化合物在水中的规律。可溶是指有可观的量溶解；不溶是指溶解度低到在普通实验室浓度下离子相遇时会形成固体。没有一种离子化合物的溶解度恰好为零。下面的列表以 OpenStax Chemistry 2e 4.2 节的表 4.1 为基础。

要预测沉淀，先列出混合后存在的所有离子，然后把每个阳离子与它原先不在一起的每个阴离子配对。如果任何一种新的配对属于不溶的类别，该化合物就会沉淀。如果每种可能的配对都是可溶的，例如混合硝酸钾和氯化钠溶液，则离子只是共存，不发生净反应。

• 第 1 族阳离子（Li⁺、Na⁺、K⁺、Rb⁺、Cs⁺）和 NH₄⁺ 的化合物是可溶的。
• 硝酸盐、乙酸盐、碳酸氢盐和氯酸盐是可溶的。
• 氯化物、溴化物和碘化物是可溶的，但 Ag⁺、Hg₂²⁺ 和 Pb²⁺ 的除外。
• 氟化物是可溶的，但 Mg²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺、Pb²⁺ 和 Fe³⁺ 的除外。
• 硫酸盐是可溶的，但 Ag⁺、Ba²⁺、Ca²⁺、Hg₂²⁺、Pb²⁺ 和 Sr²⁺ 的除外。
• 碳酸盐、铬酸盐、磷酸盐和硫化物是不溶的，但与第 1 族阳离子和 NH₄⁺ 形成的除外。
• 氢氧化物是不溶的，但与第 1 族阳离子和 Ba²⁺ 形成的除外；Ca(OH)₂ 和 Sr(OH)₂ 微溶。

逐步写出净离子方程式

每一步都有其道理。先配平分子方程式，可以保证原子数正确。拆分强电解质，显示烧杯中真正存在的是什么。消去旁观离子，去掉在两边原封不动出现、不参与变化的物种。

电荷检查能发现原子数检查漏掉的错误。净离子方程式的总电荷可以不为零，但两边的电荷必须相同，因为电荷与原子一样是守恒的。

• 写出配平后的分子方程式，并在每个化学式上标出状态符号。
• 把每个 (aq) 的强电解质改写为分开的离子，同时乘以下标和系数。
• 划掉在两边原封不动出现的离子。这些就是旁观离子。
• 把其余的系数约简为最小整数。
• 检查每种元素和总电荷是否配平。

例题：生成铬酸银沉淀

您把 18.0 mL 0.0850 mol/L 的铬酸钾与过量的硝酸银水溶液混合。新的配对是 Ag⁺ 与 CrO₄²⁻，以及 K⁺ 与 NO₃⁻。银不是第 1 族阳离子，所以红褐色的铬酸银沉淀析出；硝酸钾仍留在溶液中。分子方程式：2AgNO₃(aq) + K₂CrO₄(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2KNO₃(aq)。完整离子方程式：2Ag⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq) + 2K⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s) + 2K⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq)。消去 K⁺ 和 NO₃⁻，得到净离子方程式 2Ag⁺(aq) + CrO₄²⁻(aq) → Ag₂CrO₄(s)。电荷检查：左边 2(+1) + (−2) = 0，右边为 0。

要求沉淀的质量，使用修约到两位小数的 IUPAC 标准原子量：Ag 107.87，Cr 52.00，O 16.00。Ag₂CrO₄ 的摩尔质量为 2(107.87) + 52.00 + 4(16.00) = 331.74 g/mol。铬酸根的物质的量 = 0.0180 L × 0.0850 mol/L = 1.53 × 10⁻³ mol，净离子方程式表明每 1 mol CrO₄²⁻ 生成 1 mol Ag₂CrO₄。质量 = 1.53 × 10⁻³ mol × 331.74 g/mol = 0.508 g。两个测量量都有三位有效数字，所以答案也是三位。

例题：弱酸和溶液中的金属

乙酸水溶液与氢氧化钠水溶液反应：CH₃COOH(aq) + NaOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l)。乙酸是弱酸，所以保持分子形式，而 NaOH 和乙酸钠是强电解质。消去 Na⁺ 后，净离子方程式为 CH₃COOH(aq) + OH⁻(aq) → CH₃COO⁻(aq) + H₂O(l)。对比硝酸与氢氧化钾的反应，两种反应物都是强电解质，净离子方程式简化为 H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l)。

把一条镍片放入硝酸银溶液中，镍片上会覆盖一层银晶体。镍从 0 价变为 +2 价，银从 +1 价变为 0 价，所以这是氧化还原反应；硝酸根是旁观离子。净离子方程式为 Ni(s) + 2Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + 2Ag(s)。系数 2 是电荷所要求的，而不是原子所要求的：Ni(s) + Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + Ag(s) 使每种元素都配平了，但左边的总电荷为 +1，右边为 +2。

离子方程式中的常见错误及如何发现

大多数错误来自写错了物种，而不是算术。在消去任何东西之前，先问问每个化学式在水中是否真的以分开的离子形式存在。

最后，把净离子方程式当作一个物理事件来阅读。两个银离子和一个铬酸根离子形成固体，这是您可以亲眼看到的事情；而一个只是让溶解的离子在伙伴之间互换的方程式，什么也没有描述。

• 拆分弱酸：HF(aq) 保持分子形式。把任何酸都与那六种强酸对照一下。
• 拆分沉淀：标注为 (s) 的化学式保持完整，即使这种固体是离子型的。
• 把多原子离子拆开：保持 NO₃⁻、SO₄²⁻ 和 CrO₄²⁻ 完整。
• 下标放错位置：K₂CrO₄ 给出 2K⁺；不存在 K₂⁺ 离子。
• 把汞(I)当作 Hg⁺：它以双原子的 Hg₂²⁺ 阳离子形式存在。
• 没有约简系数，例如 4Ag⁺ + 2CrO₄²⁻ → 2Ag₂CrO₄。
• 当每种配对都是可溶的，没有生成水、弱电解质或气体，也没有任何物质被氧化或还原时，却写出净离子方程式。正确的答案是不发生反应。