高考復雜離子反應方程式的書寫

由于涉及的變量很少，反應形式也極為簡單，普通的復分解反應方程式都是很容易書寫的。在一般人的印象中，這類反應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

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

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

該文針對連鎖反應中的一個例子，所給出的“書寫步驟”，就復雜如下。

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，該文給出的標準書寫步驟是4步：

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

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

第3步，關(guān)聯(lián)物界定。CO32-是啟動反應的產(chǎn)物，又是連帶反應的反應物。所以，為兩反應的“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”，在啟動反應中用量最少的是OH-。其計量為“1”。

由啟動反應計量系數(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“書寫”過程可見，該文所給的方程式書寫方法，既繁瑣又難于被學生接受。

繁瑣與抽象的原因在于，這個方法沒有緊緊抓住這類反應的本質(zhì)。

二、一些復雜離子反應的本質(zhì)

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

如對上述的例1，可以考慮的解題思路及方法為。

解2，當NaHCO3與Ca(OH)2這個堿反應時，應把NaHCO3看作是Na+、H+、CO32-，這樣的3個離子組成的。它與Ca(OH)2間有兩個同時要進行的反應。一個是中和反應（H++ OH-= H2O），另一個是沉淀反應（Ca2++ CO32-= CaCO3）。且這兩個反應完全進行時，所需要的反應物的物質(zhì)的量比值不同。

這樣，就可以不考慮反應的具體過程。而從反應物間的物質(zhì)的量，直接得出反應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。

針對這個被確定的反應物的物質(zhì)的量，當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，Ca(OH)2中的OH-離子會有剩余）。

如果要讓中和反應恰好進行完全，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NaHCO3，去與一個Ca(OH)2反應。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，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，進行的當然是后一個反應。

式（3）可以很容易地改寫為離子方程式。消去Na2CO3中的2個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)的量比為兩個特定值時的反應。

可以想見，如果用“Ca(OH)2與NaHCO3的物質(zhì)的量為1:1.5”這樣的反應條件來約束。那么其反應方程式就是“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)造出來的化學方程式，都是一個被“配平”的化學方程式。

如，當“2×(1)+1×(2)”時，得到的就是如下的，

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

總之，當反應物間的物質(zhì)的量比在某一區(qū)間時，這個反應就是一個化學計量數(shù)有著無數(shù)組解的反應。把它稱為“復雜離子反應”，或“復雜復分解反應”，應該都是可以的。

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

三、沒有區(qū)分“連鎖反應”與“并列反應”的必要

從反應本質(zhì)，也就是“哪個離子要反應完全”，這樣的角度來看。該文欲對“連鎖反應”與“并列反應”進行區(qū)分，實際上完全沒有這個必要。

因為，其“并列反應”的代表，只是形式上的“不分反應的先后”，本質(zhì)上還是一個反應物間物質(zhì)的量比值問題。

該文對并列反應，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”中的，Ca(OH)2改成了Ba(OH)2。將NaHCO3替換成了NaHSO4（當然溶液也從堿性變成了酸性）。

但是，這實際上這還是一個，反應后溶液中“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”。從反應物Ba(OH)2的組成，也可以直接看出，要有2個NaHSO4與其反應。

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

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

那么當然反應物間物質(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，從反應形式、反應本質(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。不應該從所謂的反應“機理”出發(fā)，將其劃分為兩個不同反應類型。

四、更多反應的組合

當然，所謂的復雜離子反應也不會只限于，一個中和（酸堿）反應與一個沉淀反應，這樣兩個反應的組合。還可能有其他的、或更多個反應的組合。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反應時，會生成Al(OH)3與BaSO4，這樣的兩個沉淀。且所需Ba(OH)2的物質(zhì)的量是不同的。

當Ba(OH)2的加入量，恰好使Al3+離子完全沉淀時。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Ba(OH)2的加入量，恰好使SO42-離子完全沉淀時。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（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，并最終成K[Al(OH)4]。這樣，才會得出式（5）。

也就是說，這個所謂復雜離子反應可以是兩個沉淀反應的組合。也可以是是兩個沉淀反應，與一個酸堿反應，這樣3個反應的組合。

把這兩個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反應中選出，符合特定“最多”要求的那個方程式。

從這兩個方程式直觀地看，產(chǎn)生沉淀的物質(zhì)的量，就有區(qū)別。因為反應（4）表示的是，當KAl(SO4)2與Ba(OH)2的物質(zhì)的量為“2mol:3mol”時，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，在前者的基礎上又有了反應（5）。它是在反應（4）所得2mol Al(OH)3的溶解過程中，同時有了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（4）。

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

其實，上面這些例題幾乎都沒有什么實際意義。因為，在化學實驗室中，Ba(OH)2與Ca(OH)2很少會作為強堿來使用。這是由于，它們除了可以提供出OH-離子來參與反應外，其陽離子還能使許多陰離子沉淀。不但增加了反應的復雜性，還要時時提防空氣中的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度有限。

如，在實驗室《常用酸、堿的濃度》表中，給出的Ca(OH)2濃度就是0.15%，相當于0.020mol?L-1。

而在化學手冊中Ca(OH)2的溶解度在25是0.12g/100gH2O，只相當于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。因為使Al(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算量。

即便如此，中學化學知識體系構(gòu)架者們，還不滿足于這類反應的“復雜程度”。他們還要引入一個更為特殊的反應如下。

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)生的化學反應。

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

這4個反應中，Ba2+離子與SO42-離子的沉淀反應，是隨著Ba(OH)2溶液的不斷加入，而在逐漸“完全”之中的。它遠不如其它3個反應復雜，可以最后再考慮。

OH-離子與Al3+離子的沉淀反應，及OH-離子與Al(OH)3的酸堿反應，是順次進行的。因為沒有前一步反應生成的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，還是與NH4+離子反應呢？這里涉及到一個，Al3+離子與NH4+離子，誰的酸性更強的問題？

學生要能自行判斷出，Al3+離子要比NH4+離子的酸性強，因為它的酸性只比HAc稍弱。OH-離子要率先與Al3+離子反應。并且是以物質(zhì)的量為“1:3”的關(guān)系來反應。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Ba(OH)2，以便再把式（6）產(chǎn)物中這2個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Al(OH)3溶解掉，只要再加2個離子（1個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個反應。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。

當然，方程式（6）、（7）、（8）也只是這整個反應過程中的3個節(jié)點。當[NH4Al(SO4)2]與Ba(OH)2的物質(zhì)的量比，不是這3個特定的比值時，反應情況可能要用，這3個方程式中的某2個、并按一定的比例組合的結(jié)果，來進行描述。

總之，所謂的“復雜離子反應”，應該是指有多種書寫形式（產(chǎn)物種類不同、化學計量數(shù)也不同）的電解質(zhì)間的反應。

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”。在教學中最忌諱的是把簡單的問題給“復雜化”。

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

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

其實“復雜××反應”中的“復雜”，在化學教學中是有特定含義的。

早在上世紀八十年代初期，在《化學教學》與《化學教育》雜志上就先后刊出了多篇有關(guān)“復雜氧化還原反應方程式配平”討論的文章?！皩⒘蚧瘹錃怏w通入濃硫酸”的反應，就是“復雜氧化還原反應”中一個比較常見、且典型的代表。

這個反應的主要特征是，能夠?qū)懗觯ㄐ枧淦剑┑姆匠淌接袩o數(shù)多個。其“復雜性”在于，當不給出反應物間物質(zhì)的量關(guān)系時，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?……，這樣的無限多個方程式。

產(chǎn)生這個現(xiàn)象的原因是，該反應中有3個或3個以上獨立（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或兩個以上的簡單氧化還原反應。當這多個簡單氧化還原反應組合成總反應時。如果沒有反應條件的約束，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。沒有找到一個可以被大家接受的，這類反應的配平方法。

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

對于“復雜××反應”中“復雜”的含義，要在其“配平”時會有“無限組解”，這個這個角度上來理解與使用，才比較好。