化學反應的種類

化學原理啟迪45

1.     雖然到目前為止我們討論了很多化學反應，但是我們只檢視了數百萬種化學反應中很小的一部分而已。為了瞭解所有的化學反應，我們需要某種歸類系統，把化學反應分門別類。

2.     化學反應可歸為以下幾類：1.沉澱反應precipitation reactions、2.酸鹼反應acid-base reactions、3.氧化還原反應oxidation-reduction reactions。所有的化學反應都可歸入這些類別，以下將定義說明這幾類反應。

3.     當二種溶液混合在一起，有時會產生無法溶解的物質，意思就是，有像固體之類的物質從溶液中離析出來。這樣的反應稱為沉澱反應precipitation reaction，形成的固體稱為沉澱物precipitate。

4.     例如，當黃色鉻酸鉀K2CrO4(aq)溶液，和無色的硝酸鋇Ba(NO3)2(aq)溶液混在一起，就會出現沉澱反應，產生黃色固體(下圖)。

5.     要怎麼用反應式來描述這個化學變化呢？要寫出反應式，我們必須弄清楚反應物和產物是什麼東西。先前的例子已經說明反應物是：鉻酸鉀K2CrO4(aq)、硝酸鋇Ba(NO3)2。有任何辦法可以讓我們預測產物是什麼東西嗎?到底黃色固體是甚麼呢？

6.     判斷黃色固體最好的辦法是，仔細地想這個反應可能會出現的產物是什麼?為了做到這一點，我們必須知道當二種溶液混合的時候，會出現哪幾種化合物。首先，讓我們想想每種反應溶液的特性。

7.     硝酸鋇溶液Ba(NO3)2(aq)，指的是固體的硝酸鋇溶解於水中。硝酸鋇包含鋇離子Ba⁺和硝酸根離子NO3^-。

8.     再複習一次，任何含有離子的固體溶解於水中，它們的離子最後一定會分離、各自獨立。也就是，硝酸鋇溶液Ba(NO3)2(aq)裡面沒有硝酸鋇固體，而是鋇離子Ba⁺和硝酸根離子NO^3-。

9.     同樣地，固體的鉻酸鉀是由鉀離子K⁺和鉻酸根離子CrO4^2-組成，所以鉻酸鉀溶液裡面會有各自獨立的這二種離子。

10.  我們有二種方法來表現混合的鉻酸鉀溶液K2CrO4(aq)和硝酸鋇溶液Ba(NO3)2(aq)。第一種方法：

K2CrO4(aq)+Ba(NO3)2(aq)→產物

11.  然而，更精確的寫法是

2K⁺(aq) + CrO4^2-(aq) + Ba²⁺(aq) + 2NO3^-(aq) →產物

K2CrO4的離子    Ba(NO3)2的離子

12.  因此，混合的溶液有以下這些離子

K⁺, CrO4 ^2-, Ba²⁺, NO3^-

13.  當溶液混合，這些離子(部分或全部)怎麼結合成黃色固體？這並不是一個很容易回答的問題。

14.  事實上，對初學化學的學生來說，要預測化學反應的產物，是最難回答的問題之一。即使是一個很有經驗的化學家，面對新的化學反應，也經常不確定將會產生什麼東西。

15.  化學家會試著去想各種可能性，思考哪一種情況最有可能，然後做出預測（受過專業訓練的推測）。只有經過實驗確認過化合物，化學家才能確定到底產生了什麼化學反應。

16.  然而，受過專業訓練的推測確實很有用，因為它提供了一個判斷的起點。它告訴我們最可能發現的產物。

17.  黃色鉻酸鉀K2CrO4(aq)溶液，和無色的硝酸鋇Ba(NO3)2溶液混在一起，就會出現沉澱反應，產生黃色固體。到目前為止，我們已經知道某些能幫助我們判斷的資訊：

18.  當離子們形成固體化合物，化合物的極性必須是零（中性、沒有極性）。因此這個反應的產物必定包含「陰離子anions」和「陽離子cations」。

19.  例如，「鉀離子K⁺」和「鋇離子Ba²⁺」無法結合成一個固體化合物，「鉻酸根離子CrO4^2-」 「硝酸根離子NO^3-」也一樣無法結合。

20.  大部分離子化合物只包含二種離子，一種是「陽離子cation」，另一種是「陰離子anion」。（例如，氯化鈉NaCl、氫氧化鉀KOH、無水硫酸鈉Na2SO4 、鉻酸鉀K2CrO4 、硝酸鈷Co(NO3)2、氯化銨NH4Cl2、碳酸鈉Na2CO3）

21.  「陽離子」和「陰離子」K⁺ 、CrO4 ^2-、 Ba²⁺、 NO3^-的各種可能組合：

K2CrO4、KNO3、BaCrO4、Ba(NO3)2

22.  哪一個組合最可能是，鉻酸鉀K2CrO4溶液和硝酸鋇Ba(NO3)2溶液混合之後，產生的黃色固體？

23.  我們知道不會是K2CrO4和Ba(NO3)2，它們是反應物，存在於互相混合前的溶液裡，混合之後變成新東西「黃色固體」，它們就不在了。

24.  黃色固體唯一個可能是KNO3和BaCrO4。要判斷哪一個組合最可能是黃色固體，我們需要更多的事實。

25.  一個有經驗的化學家知道，鉀離子K⁺和硝酸根離子NO3^-都是無色的。因此，如果這個固體是KNO3，它應該是白色，而不是黃色。

26.  然而，鉻酸根離子CrO4^2-是黃色的。所以這個黃色固體幾乎可以確定是BaCrO4。更進一步的實驗可以顯示這一點。

27.  到目前為止，我們已經判斷出，鉻酸鉀K2CrO4溶液和硝酸鋇Ba(NO3)2溶液混合之後，其中一個產物是BaCrO4(s)，那麼，「鉀離子K⁺」和「硝酸根離子NO3^-」如何呢？答案是，它們溶解在溶液裡。

28.  也就是，當「K⁺離子」和「NO3^-離子」都溶解在水中，它們並沒有形成任何KNO3固體。換句話說，如果我們把白色固體KNO3(s)，放進同樣份量的水中，它們會完全溶解。

29.  因此，當我們混合「鉻酸鉀溶液K2CrO4(aq)」和「硝酸鋇溶液Ba(NO3)2(aq)」，會形成黃色固體「鉻酸鋇BaCrO4(s)」，但是硝酸鉀還是溶解於水溶液中（我們寫成KNO3(aq)）。

30.  因此，整個沈澱反應的反應式是：

K2CrO4(aq) + Ba(NO3)2(aq) → BaCrO4(s) + 2KNO3(aq)

31.  如果我們過濾掉「BaCrO4固體」，把剩下的溶液的水分蒸發掉，就會得到白色「固體KNO3」。

翻譯編寫Steven S. Zumdahl 的《化學原理Chemical Principles》

圖片來源：chem.wisc.edu/deptfiles、public.asu.edu/~jpbirk