高考復(fù)雜離子反應(yīng)方程式的書寫

由于涉及的變量很少，反應(yīng)形式也極為簡單，普通的復(fù)分解反應(yīng)方程式都是很容易書寫的。在一般人的印象中，這類反應(yīng)似乎也談不上還有什么書寫的“規(guī)律”，需要再加以討論。

一、問題的提出

由于中學(xué)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容的不斷擴(kuò)展，一些本來沒有什么實(shí)際意義的復(fù)分解反應(yīng)，也以“復(fù)雜離子反應(yīng)”的形式進(jìn)入了人們的視野。教師們也只好在如何講清楚這類反應(yīng)上，再多下一些功夫。于是，在有關(guān)化學(xué)教學(xué)研究的期刊上就出現(xiàn)了這樣的一篇文章[1]。

該文主張把“復(fù)雜離子”反應(yīng)，再分為3種類型（連鎖反應(yīng)、并列反應(yīng)、競爭反應(yīng)）。并就每一種類型的反應(yīng)，給出了各自的“概念界定、反應(yīng)規(guī)律、分析策略、書寫步驟”。且僅連鎖反應(yīng)的“分析策略”就涉及了，“啟動(dòng)反應(yīng)”、“連帶反應(yīng)”、“子反應(yīng)”、“關(guān)聯(lián)物”、“參與量”等多個(gè)新概念，這些概念間的關(guān)系要用一個(gè)有12個(gè)“程序框”的框圖來描述。這幾乎就是一個(gè)，獨(dú)立于普通化學(xué)方程式書寫之外的，新理論體系。

該文針對連鎖反應(yīng)中的一個(gè)例子，所給出的“書寫步驟”，就復(fù)雜如下。

例1，向碳酸氫鈉溶液中滴加少量的澄清石灰水。試寫出其離子方程式。

解1，該文給出的標(biāo)準(zhǔn)書寫步驟是4步：

第1步，類型界定。由于OH-與HCO3-反應(yīng)生成了CO32-。是它引發(fā)與滴入的Ca2+生成CaCO3沉淀。屬于連鎖反應(yīng)。

第2步，子反應(yīng)界定。HCO3-+ OH-=CO32-+ H2O（啟動(dòng)反應(yīng)）。其后的CO32-+ Ca2+=CaCO3↓（連帶反應(yīng)）。

第3步，關(guān)聯(lián)物界定。CO32-是啟動(dòng)反應(yīng)的產(chǎn)物，又是連帶反應(yīng)的反應(yīng)物。所以，為兩反應(yīng)的“關(guān)聯(lián)物”，

第4步，關(guān)聯(lián)物“參與量”確定。因滴入“少量的澄清石灰水”，在啟動(dòng)反應(yīng)中用量最少的是OH-。其計(jì)量為“1”。

由啟動(dòng)反應(yīng)計(jì)量系數(shù)知，關(guān)聯(lián)物CO32-的生成量為“1”。

根據(jù)Ca(OH)2的組成，加入CO32-為“1/2”。關(guān)聯(lián)物用于生成沉淀消耗“1/2”，剩余“1/2”沒有沉淀。

有HCO3-+OH-+1/2Ca2+=1/2CaCO3↓+H2O+1/2CO32-。

最后整理系數(shù)為整數(shù)，可得離子方程式

2HCO3-+2OH-+Ca2+=CaCO3↓+2H2O+CO32-……（1）

由這個(gè)“書寫”過程可見，該文所給的方程式書寫方法，既繁瑣又難于被學(xué)生接受。

繁瑣與抽象的原因在于，這個(gè)方法沒有緊緊抓住這類反應(yīng)的本質(zhì)。

二、一些復(fù)雜離子反應(yīng)的本質(zhì)

如果能關(guān)注到這個(gè)反應(yīng)的本質(zhì)是，其中有兩個(gè)必定不會同時(shí)完成的離子反應(yīng)。這類反應(yīng)的書寫應(yīng)該是十分容易的。

如對上述的例1，可以考慮的解題思路及方法為。

解2，當(dāng)NaHCO3與Ca(OH)2這個(gè)堿反應(yīng)時(shí)，應(yīng)把NaHCO3看作是Na+、H+、CO32-，這樣的3個(gè)離子組成的。它與Ca(OH)2間有兩個(gè)同時(shí)要進(jìn)行的反應(yīng)。一個(gè)是中和反應(yīng)（H++ OH-= H2O），另一個(gè)是沉淀反應(yīng)（Ca2++ CO32-= CaCO3）。且這兩個(gè)反應(yīng)完全進(jìn)行時(shí)，所需要的反應(yīng)物的物質(zhì)的量比值不同。

這樣，就可以不考慮反應(yīng)的具體過程。而從反應(yīng)物間的物質(zhì)的量，直接得出反應(yīng)最有代表性的不同結(jié)果。

如，欲讓Ca(OH)2沉淀掉NaHCO3中所有的CO32-離子。其物質(zhì)的量比，只要保持“1:1”即可。

針對這個(gè)被確定的反應(yīng)物的物質(zhì)的量，當(dāng)然立即就可以直接寫出方程式，

Ca(OH)2+ NaHCO3= CaCO3↓+NaOH + H2O……（2）

這就是，只考慮CO32-離子要沉淀完全的情況（此時(shí)，Ca(OH)2中的OH-離子會有剩余）。

如果要讓中和反應(yīng)恰好進(jìn)行完全，Ca(OH)2中的“OH-”就不得像上式那樣有“剩余”。而必須全部與NaHCO3中的“H+”去中和才行。這就需要有兩個(gè)NaHCO3，去與一個(gè)Ca(OH)2反應(yīng)。即，Ca(OH)2與NaHCO3的物質(zhì)的量比為“1:2”。

從而有，Ca(OH)2+ 2NaHCO3=CaCO3↓+Na2CO3?+2H2O……（3）

此時(shí)，NaHCO3中的CO32-離子一定會有剩余。

在滴入“少量的澄清石灰水”的情況下，進(jìn)行的當(dāng)然是后一個(gè)反應(yīng)。

式（3）可以很容易地改寫為離子方程式。消去Na2CO3中的2個(gè)Na+離子，而有Ca2++2OH-+ 2HCO3-= CaCO3↓+ CO32-+2H2O。

這也就是前面的式（1）。

考慮到式（2）與式（3）描述的是，?Ca(OH)2與NaHCO3的物質(zhì)的量比為兩個(gè)特定值時(shí)的反應(yīng)。

可以想見，如果用“Ca(OH)2與NaHCO3的物質(zhì)的量為1:1.5”這樣的反應(yīng)條件來約束。那么其反應(yīng)方程式就是“式（2）與式（3）簡單相加”的結(jié)果，

2Ca(OH)2+3 NaHCO3=2CaCO3↓+NaOH +Na2CO3+3H2O。

用“a×(1)+b×(2)”（其中的a與b為1、2、3……中的任意數(shù)值）所構(gòu)造出來的化學(xué)方程式，都是一個(gè)被“配平”的化學(xué)方程式。

如，當(dāng)“2×(1)+1×(2)”時(shí)，得到的就是如下的，

3Ca(OH)2+4 NaHCO3=3CaCO3↓+2NaOH +Na2CO3+4H2O。

總之，當(dāng)反應(yīng)物間的物質(zhì)的量比在某一區(qū)間時(shí)，這個(gè)反應(yīng)就是一個(gè)化學(xué)計(jì)量數(shù)有著無數(shù)組解的反應(yīng)。把它稱為“復(fù)雜離子反應(yīng)”，或“復(fù)雜復(fù)分解反應(yīng)”，應(yīng)該都是可以的。

當(dāng)然，在反應(yīng)物間的物質(zhì)的量比為某些特定值時(shí)，其方程式也會有比較簡單的“特解”。

三、沒有區(qū)分“連鎖反應(yīng)”與“并列反應(yīng)”的必要

從反應(yīng)本質(zhì)，也就是“哪個(gè)離子要反應(yīng)完全”，這樣的角度來看。該文欲對“連鎖反應(yīng)”與“并列反應(yīng)”進(jìn)行區(qū)分，實(shí)際上完全沒有這個(gè)必要。

因?yàn)?，其“并列反?yīng)”的代表，只是形式上的“不分反應(yīng)的先后”，本質(zhì)上還是一個(gè)反應(yīng)物間物質(zhì)的量比值問題。

該文對并列反應(yīng)，所給出的典型的例子為，

例2，向硫酸氫鈉溶液中加入Ba(OH)2溶液至中性。試寫出離子方程式。

解，它與例1的區(qū)別僅在于，將“Ca(OH)2與NaHCO3反應(yīng)”中的，Ca(OH)2改成了Ba(OH)2。將NaHCO3替換成了NaHSO4（當(dāng)然溶液也從堿性變成了酸性）。

但是，這實(shí)際上這還是一個(gè)，反應(yīng)后溶液中“不再有SO42-離子”，還是“不再有OH-離子”的問題。

由于該題要求“溶液為中性”，也就是“不得有OH-離子”。從反應(yīng)物Ba(OH)2的組成，也可以直接看出，要有2個(gè)NaHSO4與其反應(yīng)。

這樣就能直接寫出，Ba(OH)2+ 2NaHSO4=BaSO4↓+Na2SO4?+2H2O。

如果例2的反應(yīng)目的改為“向硫酸氫鈉溶液中加入Ba(OH)2溶液，至SO42-離子沉淀完全”。

那么當(dāng)然反應(yīng)物間物質(zhì)的量比就是“1:1”?？芍苯訉懗觯?/p>

Ba(OH)2+ NaHSO4= BaSO4↓+NaOH +H2O。

其離子方程式為，Ba2++ OH-+ HSO4-=BaSO4↓+H2O。

總之，從反應(yīng)形式、反應(yīng)本質(zhì)、及書寫方法的角度來看，例2與例1間沒有什么值得關(guān)注的區(qū)別。不應(yīng)該從所謂的反應(yīng)“機(jī)理”出發(fā)，將其劃分為兩個(gè)不同反應(yīng)類型。

四、更多反應(yīng)的組合

當(dāng)然，所謂的復(fù)雜離子反應(yīng)也不會只限于，一個(gè)中和（酸堿）反應(yīng)與一個(gè)沉淀反應(yīng)，這樣兩個(gè)反應(yīng)的組合。還可能有其他的、或更多個(gè)反應(yīng)的組合。如

例3，向明礬溶液中加入Ba(OH)2溶液。寫出下列情況的離子方程式：

（1）???生成沉淀的物質(zhì)的量最多。

（2）???生成沉淀的質(zhì)量最多。

解，明礬KAl(SO4)2與Ba(OH)2反應(yīng)時(shí)，會生成Al(OH)3與BaSO4，這樣的兩個(gè)沉淀。且所需Ba(OH)2的物質(zhì)的量是不同的。

當(dāng)Ba(OH)2的加入量，恰好使Al3+離子完全沉淀時(shí)。KAl(SO4)2與Ba(OH)2的物質(zhì)的量比為“2:3”（Al3+與OH-離子恰好為，1:3）。

這樣就可直接寫出，

2KAl(SO4)2+3Ba(OH)2=K2SO4+3BaSO4↓+ 2Al(OH)3↓……（4）

當(dāng)Ba(OH)2的加入量，恰好使SO42-離子完全沉淀時(shí)。KAl(SO4)2與Ba(OH)2的物質(zhì)的量比為“1:2”（Ba2+與SO42-離子恰好為，1:1）。這樣就有，

KAl(SO4)2+2Ba(OH)2=K[Al(OH)4]+2BaSO4↓……（5）

反應(yīng)（5）是較難一下子就寫出來的。

一般是先寫出，KAl(SO4)2+2Ba(OH)2=KOH+BaSO4↓+Al(OH)3↓。注意到其中的產(chǎn)物Al(OH)3是兩性氫氧化物，它還會與另一產(chǎn)物KOH繼續(xù)反應(yīng)，并最終成K[Al(OH)4]。這樣，才會得出式（5）。

也就是說，這個(gè)所謂復(fù)雜離子反應(yīng)可以是兩個(gè)沉淀反應(yīng)的組合。也可以是是兩個(gè)沉淀反應(yīng)，與一個(gè)酸堿反應(yīng)，這樣3個(gè)反應(yīng)的組合。

把這兩個(gè)方程式改寫成離子方程式不難，這里就略去。

這也不會影響從這兩個(gè)反應(yīng)中選出，符合特定“最多”要求的那個(gè)方程式。

從這兩個(gè)方程式直觀地看，產(chǎn)生沉淀的物質(zhì)的量，就有區(qū)別。因?yàn)榉磻?yīng)（4）表示的是，當(dāng)KAl(SO4)2與Ba(OH)2的物質(zhì)的量為“2mol:3mol”時(shí)，有3mol BaSO4與?2 mol?的Al(OH)3沉淀的生成。沉淀的總量為5 mol。

然后，再加Ba(OH)2溶液時(shí)，在前者的基礎(chǔ)上又有了反應(yīng)（5）。它是在反應(yīng)（4）所得2mol Al(OH)3的溶解過程中，同時(shí)有了1molBaSO4的生成。沉淀物質(zhì)的總物質(zhì)的量在減少，最終反而變成了4 mol的BaSO4。

這樣，“生成沉淀的物質(zhì)的量最多”的就是反應(yīng)（4）。

“生成沉淀物質(zhì)的質(zhì)量最多”的是反應(yīng)（5）。因?yàn)橛诜磻?yīng)（4）相比較，它又生成1mol的BaSO4，質(zhì)量增加的是233g。這要遠(yuǎn)大于2mol Al(OH)3的質(zhì)量減少（78×2=156 g）。

其實(shí)，上面這些例題幾乎都沒有什么實(shí)際意義。因?yàn)?，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，Ba(OH)2與Ca(OH)2很少會作為強(qiáng)堿來使用。這是由于，它們除了可以提供出OH-離子來參與反應(yīng)外，其陽離子還能使許多陰離子沉淀。不但增加了反應(yīng)的復(fù)雜性，還要時(shí)時(shí)提防空氣中的CO2使它“變質(zhì)”（也就是試液的存放條件要更為苛刻）。

況且，這兩種堿的溶解度也不大，也就是其溶液的堿性強(qiáng)度有限。

如，在實(shí)驗(yàn)室《常用酸、堿的濃度》表中，給出的Ca(OH)2濃度就是0.15%，相當(dāng)于0.020mol?L-1。

而在化學(xué)手冊中Ca(OH)2的溶解度在25是0.12g/100gH2O，只相當(dāng)于0.016mol?L-1）。

另外，Ca(OH)2作為難溶物，還可查得其Ksp=4×10-6。這相當(dāng)于，其飽和溶液中的[Ca2+]=0.010 mol?L-1、[OH-]=0.020 mol?L-1。

雖然這些有關(guān)Ca(OH)2的數(shù)據(jù)間，吻合的并不很好。但也可以概括地說，Ca(OH)2飽和溶液中的[OH-]約為0.020 mol?L-1。

而Ba(OH)2溶液的濃度，也僅為2%，相當(dāng)于0.1 mol?L-1。也就是其溶液中的[OH-]=0.20 mol?L-1。

用這樣濃度的“強(qiáng)堿”溶液。使Al3+離子沉淀并不難。但要使Al(OH)3沉淀溶解則會比較麻煩。因?yàn)槭笰l(OH)3完全溶解，所要求的溶液pH是10.8。這就要求，所加的Ba(OH)2溶液，要有更大幅度的“過量”。而不只是方程式所給出的計(jì)算量。

即便如此，中學(xué)化學(xué)知識體系構(gòu)架者們，還不滿足于這類反應(yīng)的“復(fù)雜程度”。他們還要引入一個(gè)更為特殊的反應(yīng)如下。

例4，向鋁銨礬[NH4Al(SO4)2]溶液逐滴加入Ba(OH)2溶液。試用離子方程式表示發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。

解，這里涉及的反應(yīng)，除了有Ba2+離子與SO42-離子的沉淀反應(yīng)外。還涉及了OH-離子與NH4+離子的酸堿反應(yīng)，OH-離子與Al3+離子的沉淀反應(yīng)，及OH-離子與反應(yīng)產(chǎn)物Al(OH)3的后續(xù)酸堿反應(yīng)。

這4個(gè)反應(yīng)中，Ba2+離子與SO42-離子的沉淀反應(yīng)，是隨著Ba(OH)2溶液的不斷加入，而在逐漸“完全”之中的。它遠(yuǎn)不如其它3個(gè)反應(yīng)復(fù)雜，可以最后再考慮。

OH-離子與Al3+離子的沉淀反應(yīng)，及OH-離子與Al(OH)3的酸堿反應(yīng)，是順次進(jìn)行的。因?yàn)闆]有前一步反應(yīng)生成的Al(OH)3，就沒有Al(OH)3在過量OH-離子中的溶解。

OH-離子究竟是與Al3+離子先反應(yīng)，還是與NH4+離子反應(yīng)呢？這里涉及到一個(gè)，Al3+離子與NH4+離子，誰的酸性更強(qiáng)的問題？

學(xué)生要能自行判斷出，Al3+離子要比NH4+離子的酸性強(qiáng)，因?yàn)樗乃嵝灾槐菻Ac稍弱。OH-離子要率先與Al3+離子反應(yīng)。并且是以物質(zhì)的量為“1:3”的關(guān)系來反應(yīng)。也就是，NH4Al(SO4)2與Ba(OH)2的物質(zhì)的量比為“2:3”。

這樣就有，2NH4Al(SO4)2+3Ba(OH)2=3BaSO4?+(NH4)2SO4+2Al(OH)3……（6）

其后，是多加1個(gè)Ba(OH)2，以便再把式（6）產(chǎn)物中這2個(gè)NH4+離子給中和掉。

從而有

2NH4Al(SO4)2+4Ba(OH)2=4BaSO4?+2NH3?H2O+2Al(OH)3……（7）

欲使式（7）產(chǎn)物端的2個(gè)Al(OH)3溶解掉，只要再加2個(gè)離子（1個(gè)Ba(OH)2）就可以。

這樣就有，

2NH4Al(SO4)2+5Ba(OH)2=4BaSO4?+2NH3?H2O+Ba[Al(OH)3]2……（8）

檢查一下這3個(gè)反應(yīng)。不難看出，式（7）中的Ba2+離子與SO42-離子數(shù)目是相等的。沒有必要再單獨(dú)考慮Ba2+離子與SO42-離子，相互沉淀完全的問題。

改寫后的離子方程式，這里就略去。

當(dāng)然，方程式（6）、（7）、（8）也只是這整個(gè)反應(yīng)過程中的3個(gè)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)[NH4Al(SO4)2]與Ba(OH)2的物質(zhì)的量比，不是這3個(gè)特定的比值時(shí)，反應(yīng)情況可能要用，這3個(gè)方程式中的某2個(gè)、并按一定的比例組合的結(jié)果，來進(jìn)行描述。

總之，所謂的“復(fù)雜離子反應(yīng)”，應(yīng)該是指有多種書寫形式（產(chǎn)物種類不同、化學(xué)計(jì)量數(shù)也不同）的電解質(zhì)間的反應(yīng)。

即便是這樣，對其方程式的書寫方法，也不宜另立一套“書寫體系”。在教學(xué)中最忌諱的是把簡單的問題給“復(fù)雜化”。

按照一般的思路，這類方程式在書寫時(shí)要注意的問題是：要清楚其中有哪些個(gè)可能的離子反應(yīng)；當(dāng)同一離子可能有多個(gè)反應(yīng)時(shí)，要明確出反應(yīng)的先后順序，并依次一個(gè)個(gè)地來討論；所謂的討論就是從該反應(yīng)的本質(zhì)，直接找出反應(yīng)物間的物質(zhì)的量比，而寫出相應(yīng)的化學(xué)方程式。

至于該文后半部分的“在實(shí)際問題中的應(yīng)用”，討論的確實(shí)都是有許多離子共存的復(fù)雜體系。但，其涉及的都是“簡單離子反應(yīng)方程式”，似乎不屬于“復(fù)雜方程式書寫”方面的內(nèi)容。

其實(shí)“復(fù)雜××反應(yīng)”中的“復(fù)雜”，在化學(xué)教學(xué)中是有特定含義的。

早在上世紀(jì)八十年代初期，在《化學(xué)教學(xué)》與《化學(xué)教育》雜志上就先后刊出了多篇有關(guān)“復(fù)雜氧化還原反應(yīng)方程式配平”討論的文章?！皩⒘蚧瘹錃怏w通入濃硫酸”的反應(yīng)，就是“復(fù)雜氧化還原反應(yīng)”中一個(gè)比較常見、且典型的代表。

這個(gè)反應(yīng)的主要特征是，能夠?qū)懗觯ㄐ枧淦剑┑姆匠淌接袩o數(shù)多個(gè)。其“復(fù)雜性”在于，當(dāng)不給出反應(yīng)物間物質(zhì)的量關(guān)系時(shí)，該方程式有不確定及模糊性。

對于上例，可寫出的方程式有：

H2SO4+H2S=2H2O+SO2+S?，

5H2SO4+7H2S=12H2O+4SO2+8S?，

7H2SO4+5H2S=12H2O+8SO2+4S?……，這樣的無限多個(gè)方程式。

產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的原因是，該反應(yīng)中有3個(gè)或3個(gè)以上獨(dú)立（不受方程式制約）的得失電子過程。它們可以分別組成了兩個(gè)或兩個(gè)以上的簡單氧化還原反應(yīng)。當(dāng)這多個(gè)簡單氧化還原反應(yīng)組合成總反應(yīng)時(shí)。如果沒有反應(yīng)條件的約束，它會有無限多的組合形式。

雖然有多篇討論文章，有較重量級人物的參與，但最終還是不置可否。沒有找到一個(gè)可以被大家接受的，這類反應(yīng)的配平方法。

本文前面所討論的幾個(gè)反應(yīng)，都屬于復(fù)分解反應(yīng)的范疇。它們之間的共同特點(diǎn)是“其中都有，兩個(gè)或兩個(gè)以上的相互間不受制約的離子反應(yīng)”?？偡磻?yīng)是這多個(gè)離子反應(yīng)的組合。在這類反應(yīng)方程式的“配平”中，也會遇到有多組解的情況。從這個(gè)角度來看，它與“復(fù)雜氧化還原反應(yīng)”有許多的共同點(diǎn)。將它們稱為“復(fù)雜復(fù)分解反應(yīng)”，是可以的。

對于“復(fù)雜××反應(yīng)”中“復(fù)雜”的含義，要在其“配平”時(shí)會有“無限組解”，這個(gè)這個(gè)角度上來理解與使用，才比較好。