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化学因为初三才开始学,所以相对数学和物理来说下学期的新课多很多。受疫情影响,年后各地基本上都是线上教育,同学们极易在酸碱盐这个知识密集而且理解较难的地方形成短板。
酸碱盐不但在中考占用重要份额,而且还是高中无机化学的重要基础。本人特奉上《复分解反应》学案,本文和前文《酸和碱》学案是姊妹篇,两篇一起看帮助孩子们清晰搞定酸碱盐这部分内容。
一、溶液的电离
水的电离:水是局部带电而整体不带电的分子(极性分子),当两分子靠得很近,带电的局部又彼此接触时,两个分子之间力的作用较大,可以使分子内部结构断裂,使得纯水中极少数分子自身可以电离成水合氢离子(H3O+)和氢氧根离子(OH-)。初中阶段为避免水合氢离子难以理解,直接用氢离子(H+)来描述(见图中简写),而H+和OH-因为异种电荷相互吸引,也可再度结合成水分子。所以纯水本身是由水分子和极微量的H+,OH-构成。
强电解质的电离:初中所学的可溶性盐(由金属离子〈含NH4+〉和酸根离子构成)和强酸强碱大多是强电解质,强电解质分子的极性较强,在水分子的作用下近似于完全电离。我们以NaCl溶液为例,溶液中含有Na+,Cl-,极微量的H+,OH-和水分子,并无NaCl分子。其他可溶性盐和强酸强碱在溶液中和NaCl溶液的分布方式差不多。强电解质电离后也会有出现分子状态的瞬间,氯化钠溶液中彼此靠近的Na+,Cl-因异种电荷相互吸引成为分子,不过瞬间就会再发生电离。
难溶性盐溶液的盐一般也是强电解质,其主要以沉淀形式存在,溶解的部分在溶液中仍旧全部电离,呈现离子状态,因为溶解部分极少,所以离子浓度极低。
氢氧化铜沉淀弱电解质的电离:初中阶段的弱电解质主要包括弱酸和弱碱,弱电解质的大多数分子没有电离,少数分子电离成了阴阳离子。以碳酸H2CO3为例,碳酸中的少数分子会电离成氢离子(H+)和碳酸氢根离子(HCO3-),HCO3-中的极少数离子又会电离成H+和碳酸根离子(CO2-),这样碳酸溶液主要包含H2CO3分子,少量的H+和HCO3-,还有极少量的CO2-和水电离出的OH-。另外,常温常压二氧化碳的溶解度低,导致碳酸的浓度很低,再加上不完全电离,所以碳酸是弱酸
二:复分解反应发生的条件
复分解反应发生的条件是有沉淀析出,或者有气体放出,或者有水生成。
我们以常见的酸碱中和反应为例:HCl+NaOH=NaCl+H2O。HCl和NaOH在溶液中以Na+、Cl-、H+、OH-四种离子形式存在,其中H+、OH-彼此靠近时相互吸引生成水分子(H2O),水是弱电解质,成为分子之后较难电离,Na+、Cl-即使遇到一起变成NaCl分子也会很快电离。这样酸碱中和反应的本质就水的生成。
产物有气体生成往往是指生成CO2,实质产物是碳酸,因其不稳定分解出了CO2。观察复分解反应方程式:2HCl+Na2CO3=2NaCl+H2O+CO2↑,其过程是H+和CO2-生成HCO3-,HCO3-又和H+生成H2CO3,H2CO3不稳定分解出了CO2。所以这个可以放出气体的复分解反应的原因是HCO3-、H2CO3为弱电解质。
我们观察上面的酸碱盐溶解性表,可以看到硫酸盐的一列(SO42-)和钡盐(Ba2+)的一排相交处注明:“不”,说明硫酸钡是难溶的。那么可溶性硫酸盐和可溶性钡盐相遇,生成了较多的硫酸钡快速使溶液饱和,难以溶解的硫酸钡就聚在一起,发生沉淀离开了溶液。所以我们常常把有沉淀生成当作复分解反应发生的条件。
一般沉淀表面的硫酸钡有可能再溶解,溶解后溶液中又过饱和,就会再析出硫酸钡沉淀覆盖到沉淀物表面,可见沉淀中的硫酸钡始终与溶液中的硫酸钡交换,沉淀并不是一成不变的。
根据复分解反应发生的条件,我们认为:复分解反应的本质是两种相对较强的电解质溶液混合后,通过离子交换生成较弱电解质或难溶物的过程。
三、复分解反应的类型
复分解反应可以分成酸和碱,酸和盐,碱和盐,盐和盐四类。这四类的具体情况是:①酸和碱在溶液中彼此发生中和反应(对应酸的非金属氧化物归为酸,对应碱的金属氧化物归为碱),②强酸可以和弱酸盐(初中特指碳酸盐,注意碳酸盐不管可不可溶皆反应)生成新酸和新盐(新酸一定是弱电解质,初中特指碳酸,碳酸易分解,放出气体CO2),③酸和碱都可以与可溶性盐溶液发生生成沉淀的反应,例:HCl+AgNO3=AgCl↓+HNO3;Ba(OH)2+CuSO4=BaSO4↓+Cu(OH)2↓,注意:全部生成沉淀物的反应比较特殊,我们常常利用钡离子(Ba2+)对应可溶性碱Ba(OH)2,却对应难溶性盐BaSO4和BaCO3,而大多数碱又难溶来设计完全沉淀的反应。④盐和盐溶液之间往往生成沉淀才能发生反应。例:BaCl2+CuSO4=BaSO4↓+CuCl2。①②两种复分解反应可能生成水或者弱电解质,或者气体(CO2),姊妹篇《酸和碱》学案有详细介绍。③④两种复分解反应只生成沉淀,可以根据酸碱盐溶解性表去分析研究。
观察溶解性表:钾K+钠Na+铵NH4+硝NO3-皆易溶可知,让两种酸碱盐溶液混合,如果其中有一种是钾钠铵的硝酸盐溶液,肯定不能发生复分解反应。
观察溶解性表:发现碱和碳酸盐大多难溶,所以混合物中有可溶性碳酸盐或者可溶性碱溶液就格外注意,一旦它们遇到除了钾K+钠Na+铵NH4以外的阳离子的盐,肯定会发生反应生成沉淀(Ba2+和Ca2+遇到可溶性碱除外)例:Na2CO3+Ca(NO3)2=2NaNO3+CaCO3↓;2K(OH)+FeCl2=2KCl+Fe(OH)2↓。生成的沉淀物是难溶性碳酸盐或者难溶性碱,所以往往可以溶解于酸,因为硝酸盐都易溶,所以我们常常用稀硝酸鉴定沉淀物,生成气体为碳酸盐,溶解而无气体为碱。
如果反应物中没有可溶性碳酸盐和可溶性碱,而且反应物都是溶液形态的存在,那么只要发现Cl-和Ag+同时存在,或者Ba2+和SO42-同时存在就可以知道可以发生反应,而且沉淀物中含有AgCl或者BaSO4,皆不溶于稀硝酸。
溶解性表的四种微溶物分别为Ca(OH)2、CaSO4、Ag2SO4、MgCO3。之前我们学过实验室制取二氧化碳的反应是稀盐酸和碳酸钙,而不是稀硫酸和碳酸钙,就是因为稀硫酸和碳酸钙的产物中有CaSO4,微溶物CaSO4较多生成也会变成沉淀覆盖在反应物CaCO3表面阻止反应进一步发生。这个反应虽然生成微溶物,也沉淀了,但反应推动力是较强电解质生成弱电解质碳酸的过程。一般情况我们不认为生成微溶物是复分解反应发生的条件,不过如果反应物强调是较浓溶液,离子结合后出现微溶产物的量较大导致析出,持续析出微溶物也能推动复分解反应进行。
另外,部分碳酸盐和氢氧化物易分解或者易水解,我们最好记住溶解性表的四种水解化合物(双横线),设计复分解反应的时候,规避这四种可能的生成物。
四、特殊的复分解反应
上文的化学方程式:2HCl+Na2CO3=2NaCl+H2O+CO2↑,H+和CO2-生成HCO3-,HCO3-又和H+生成H2CO3,此反应说明如果往Na2CO3溶液滴加少量HCl,则往往不会生成气体,此时溶液中存在HCO3-。
钟乳石和石笋是奇妙的自然景观,在形成过程中水和二氧化碳做了碳酸钙的搬运工:石壁上(主要成分石灰石)溶有二氧化碳的水(也就是碳酸)将少许石壁溶解:CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2,Ca(HCO3)2从石壁上一滴滴地滴到地上,水干了之后Ca(HCO3)2易分解:Ca(HCO3)2=CaCO3+CO2↑+H2O↑(蒸发),这样地上就有了石笋,这个反应的本质是多元酸(H2CO3)+多元酸的正盐(CaCO3)=多元酸的酸式盐(Ca(HCO3)2),注意少数碳酸氢盐可以自然分解,多数碳酸氢盐、碳酸盐、铵盐易受热分解。
Ca(HCO3)2这类酸式盐既能和酸反应还能和碱反应,我们以NaHCO3(小苏打)为例简单说明一下:NaHCO3+NaOH=Na2CO3+H2O,NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+CO2↑,碳酸的酸式盐相对碳酸盐更容易和强酸反应放出CO2。
铵盐(例NH4CO3)能和碱反应能生成氨气(NH3):NH4CO3+2NaOH=Na2CO3+NH3↑+H2O,我们已经知道碳酸盐和酸反应生成CO2,上图最后一个反应既生成CO2又生成NH3的原因是什么呢?NH4Cl溶液中,NH4+与水中的OH-结合,生成弱电解质NH3.H2O,水中的OH-少了,而水电离的H+和OH-的积一定,所以H+就多了,溶液也就呈酸性。我们知道Na2CO3是纯碱,呈碱性,也和NH4Cl溶液呈酸性是一样的原因。所以,上图最后一个反应的本质是带有酸性的NH4Cl溶液使Na2CO3放出CO2,带有碱性的Na2CO3溶液使NH4Cl放出了NH3,这样就形成了图中的总反应式。
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