聚焦四大反应突破离子共存

■四川省成都市龙泉中学校 何建琴

■四川省成都市龙泉驿区第七中学校 于成祥

离子共存知识是考生在备考复习中必须突破的重难点之一,常以选择题的形式考查。其所涉及的离子种类非常多,考生需要全面掌握各类离子的性质,分辨离子间发生的反应类型,弄清复杂多变的溶液情形。离子反应有四种反应类型:复分解反应、氧化还原反应、络合反应、完全双水解反应。本文从四种离子反应类型的角度突破高考化学中的离子共存问题,结合典型例题进行深入剖析,总结解答此类问题时必须警惕的四类“陷阱”。

一、复分解反应

复分解反应发生的条件是离子之间能够产生沉淀、气体或弱电解质(弱酸、弱碱、水)。其中,离子之间是否能够发生复分解反应产生沉淀,要求考生理解运用溶解性口诀表(见表1),再从溶解性口诀表中归纳总结高中阶段常考的离子共存知识。

表1

1.与几乎所有离子均能大量共存的只有两种离子:K+和Na+。

使用口诀“钾钠铵盐硝酸盐,都能溶在水中间”进行理解,但注意“NO-3+H+”组合具有强氧化性,还原性离子不能共存。而NH+4与OH-会因为发生复分解反应而不能共存,NH+4与AlO-2、SiO2-3会因为发生完全双水解反应而不能共存。所以,与几乎所有离子均能大量共存的只有两种离子:K+和Na+。

2.与CO2-3 、PO3-4 、SO2-3 、SiO2-3 不能大量共存的离子:除K+、Na+、NH+4 外的所有阳离子。

使用口诀“碳酸磷酸两种盐,溶者只有钾钠铵”进行理解。亚硫酸盐和硅酸盐的溶解性与碳酸磷酸盐的溶解性几乎相同,如:Ca2+与SO2-3或SiO2-3均会发生复分解反应分别生成CaSO3和CaSiO3沉淀。

3.与SO2-4 不能大量共存的有四种离子: Ba2+、Pb2+、Ca2+、Ag+。

使用口诀“硫酸难溶是钡铅”进行理解,即BaSO4和PbSO4是 难 溶 物。CaSO4、Ag2SO4是微溶物,写离子方程式时,微溶物作生成物当沉淀处理。

4.与Cl-不能大量共存的有两种离子:Ag+和Hg2+2 (亚汞离子)。

使用口诀“盐酸难溶银亚汞”,即AgCl和Hg2Cl2是难溶物。

离子之间是否能够发生复分解反应产生弱电解质(弱酸、弱碱、水)或气体,高中阶段要求考生理解记忆常见的一些弱电解质(见表2)。在此基础上归纳总结出其中隐含的离子共存知识。

表2

5.与H+发生复分解反应而不能大量共存的离子主要有两类:

(1)OH-。

(2)弱 酸 的 酸 根 离 子,如F-、ClO-、HCOO-、CH3COO-、CN-、CO2-3、HCO-3、SO2-3、HSO-3、S2-、HS-、SiO2-3、C2O2-4、HC2O-4、PO3-4、HPO2-4、H2PO-4。

记忆技巧:应先记住常见的弱酸,进而推出弱酸的酸根离子。

6.与OH-发生复分解反应而不能大量共存的离子主要有两类:

(1)除K+、Na+、Ba2+外的所有阳离子。

(2)多元弱酸的酸式酸根离子:如HCO-3、HSO-3、HS-、HC2O-4、HPO2-4、H2PO-4等。

小结:与H+和OH-均能发生复分解反应而不能大量共存的离子为多元弱酸的酸式酸根离子,如HCO-3、HSO-3、HS-、HC2O-4、HPO2-4、H2PO-4等。

二、氧化还原反应

一般情况下,氧化性离子与还原性离子之间会因为发生氧化还原反应而不能大量共存。因此首先要求考生记住常见的五种氧化性离子及五种还原性离子的还原性顺序(见表3)。在此基础上归纳总结出其中隐含的离子共存知识。

表3

1.表3中氧化性离子和还原性离子之间会因为发生氧化还原反应而不能大量共存,但应注意Fe3+与Fe2+、Fe3+与Br-不反应,可共存。

2.NO-3在碱性和中性环境中没有氧化性,其在酸性环境中才具有氧化性。即“NO-3+H+”组合才具有强氧化性,一般,“NO-3+H+”组合等效于稀硝酸,其还原产物为NO↑。

3.ClO-在酸性、中性和碱性环境中均有较强的氧化性。

4.Cl-与MnO-4在碱性、中性条件下可大量共存,但在酸性条件下会发生氧化还原反应而不能大量共存。反应的离子方程式为

2MnO-4+ 10Cl-+ 16H+＝＝2Mn2++5Cl2↑+8H2O。

5.掌握三组常考的归中反应。

(1)S2-与SO2-3在碱性、中性条件可大量共存,但在酸性条件下会发生氧化还原反应而不能大量共存。发生的归中反应为2S2-+SO2-3+6H+＝＝3S↓+3H2O

(2)X-与XO-3在碱性、中性条件可大量共存,但在酸性条件下会发生氧化还原反应而不能大量共存。发生的归中反应为5X-+XO-3+6H+＝＝3X2+3H2O(X代表Cl、Br、I)。

(3)X-与XO-在碱性、中性条件可大量共存,但在酸性条件下会发生氧化还原反应而不能大量共存。发生的归中反应为X-+XO-+2H+＝＝X2+H2O(X 代表Cl、Br、I)。

如“84”消毒液(NaClO 和NaCl)与洁厕灵(盐酸)不能混用,会放出毒气。其涉及的离子方程式为Cl-+ClO-+2H+＝＝Cl2↑+H2O。

6.与H+发生自身氧化还原反应的离子为S2O2-3(硫代硫酸根离子)。发生的歧化反应为S2O2-3+2H+＝＝S↓+SO2↑+H2O。

三、络合反应(或配位反应)

能生成配离子或配合物的化学反应称为络合反应(或配位反应)。高中阶段要求考生掌握因发生络合反应而不能大量共存的离子主要有两类:

四、完全双水解反应

当两种不同的盐溶液混合时,其中一种盐能够较强烈地水解呈酸性,而另一种盐能够较强烈地水解呈碱性,两者相互促进,使双方水解反应进行到底的这种反应叫完全双水解反应,简称“完全双水解”。高中阶段要让考生理解记忆的由于发生完全双水解反应而不能大量共存的离子主要有四类(见表4)。

表4

其中,应该特别注意下列离子之间发生的不是完全双水解反应:

1.Fe3+与HSO-3、SO2-3、S2-、HS-是因为发生氧化还原反应而不能大量共存。

2.常温,Fe3+或Al3+在中性溶液中不存在。因为常温下中性溶液pH=7,此时Fe3+或Al3+已经完全水解为沉淀。

3.不完全双水解是两种离子都能水解且水解相互促进,但总的水解程度仍然很小,双方水解反应不能进行到底。所以发生不完全双水解的两种离子在溶液中仍然可以大量共存。需要让考生记住下列两组典型的不完全双水解:

(1)NH+4和 F-、ClO-、HCOO-、CH3COO-、CN-、HCO-3、CO2-3、HSO-3、SO2-3、S2-、HS-、C2O2-4、HC2O-4、PO3-4、HPO2-4、H2PO-4等大多数弱酸阴离子(除AlO-2、SiO2-3等外)之间均发生的是不完全双水解,因此能大量共存。

(2)Mg2+和HCO-3之间发生的是不完全双水解,在同一溶液中能大量共存。

4.Mg2+或Ag+与CO2-3是因发生复分解反应产生MgCO3↓或Ag2CO3↓而不大量共存。

5.Cu2+与S2-或HS-是因为发生复分解反应产生CuS↓而不能大量共存。

6.AlO-2与HCO-3、HSO-3是因为发生复分解反应而不能大量共存。离子方程式分别为AlO-2+HCO-3+H2O ＝＝Al(OH)3↓+ CO2-3,AlO-2+ HSO-3+ H2O ＝＝Al(OH)3↓+SO2-3。

注意:发生完全双水解反应而不能大量共存的两种离子必须是 “弱酸阴离子+弱碱阳离子”的组合(口诀:“一阴一阳”),因为弱酸阴离子水解显碱性,弱碱阳离子水解显酸性,两者才会水解相互促进而最终发生完全双水解。AlO-2与HCO-3水解均显碱性,其水解相互抑制,两者不会发生双水解。

五、典例剖析

例1下列微粒在所给条件下,一定可以大量共存的是( )。

A.与单质铝反应能产生大量氢气的溶液中:HCO-3、K+、Cl-、NO-3

B.常温下,pH＜1的溶液中:Fe3+、Al3+、MnO-4、NH+4

C.澄清透明酸性 溶液中:NO-3、Na+、Fe2+、SO2-4

D.遇酚酞显红色的溶液中:Cl2、K+、NO-3、SO2-4

解析：与单质铝反应能产生大量氢气的溶液有可能显酸性,也有可能显碱性。注意:显酸性时溶液中不能含有NO-3,因为“NO-3+H+”组合具有强氧化性,其与Al反应生成NO 气体,而不是H2,反应的离子方程式为Al+4H++NO-3＝＝Al3++NO↑+2H2O。多元弱酸的酸式酸根离子HCO-3与酸性溶液中的H+或碱性溶液中的OH-都会发生反应而不能大量共存,A 项不符合题意。

常温下,pH＜1的溶液显酸性,含有大量H+,Fe3+、Al3+、MnO-4、NH+4四种离子相互之间不反应,也不与H+反应,故可以大量共存,B项符合题意。

“透明或澄清”≠“无色”,因为“透明或澄清”指的是无难溶物和微溶物,但并不意味着溶液无色。酸性溶液中含有大量H+,“NO-3+H+”组合具有强氧化性,Fe2+具有还原性,三者会发生氧化还原反应而不能大量共存,反应的离子方程式为3Fe2++4H++NO-3＝＝3Fe3++NO↑+2H2O,C项不符合题意。

遇酚酞显红色的溶液pH＞10.0,显碱性,含有大量OH-,OH-与Cl2会发生氧化还原反应(或歧化反应)而不能大量共存,反应离子方程式为Cl2+2OH-＝＝Cl-+ClO-+H2O,D 项不符合题意。

答案：B

例2室温下,下列各组离子在给定条件下,一定能大量共存的是( )。

A.含有大量Fe3+的溶液中:Na+、NH+4、SO2-4、CN

B.通入CO2气体:Ca2+、Fe2+、Br-、Cl-

C.含大量AlO-2的溶液中:Cu2+、NO-3、Mg2+、Cl-

D.含有SO2气体的溶液中:K+、Na+、ClO-、SO2-4

解析：Fe3+与CN-会发生络合反应生成配离子[Fe(CN)6]3-而不共存,离子方程式为Fe3++ 6CN-＝＝[Fe(CN)6]3-,A 项不符合题意。

通入CO2气体后,溶液显酸性,但四种离子(Ca2+、Fe2+、Br-、Cl-)相互之间不反应,也不与CO2或H+反应,故可以大量共存,B项符合题意。

AlO-2与Cu2+、Mg2+等大多数弱碱阳离子会发生完全双水解反应而不能大量共存,C项不符合题意。

SO2有强还原性,与氧化性离子ClO-会发生氧化还原反应而不能大量共存,D 项不符合题意。

答案：B

例3常温下,下列各组离子在指定溶液中可能大量共存的是( )。

A.含NH+4的 溶 液 中:CO2-3、SiO2-3、SO2-4、Na+

B.由水电离产生c(OH-)=1×10-13mol·L-1的 溶 液 中:K+、Na+、I-、C2O2-4

C.在 无 色 透 明 溶 液 中:K+、Fe2+、[Fe(CN)6]3-、NO-3

D.中性溶液中:Fe3+、Ba2+、Br-、K+

解析：NH+4与SiO2-3会发生完全双水解反应而不能大量共存,A 项不符合题意。

由水电离产生c(OH-)=1×10-13mol·L-1的溶液有可能显酸性,也有可能显碱性。虽然酸性溶液时,H+与C2O2-4会发生复分解反应生成弱酸(H2C2O4)而不能大量共存;但若为 碱 性 溶 液 时,四 种 离 子(K+、Na+、I-、C2O2-4)相互之间不反应,也不与OH-反应,可以大量共存,故K+、Na+、I-、C2O2-4离子在指定溶液中可能大量共存,B项符合题意。

“无色”溶液,不能含 “有色”离子(Fe2+呈浅绿色,[Fe(CN)6]3-呈黄色);此外,Fe2+与[Fe(CN)6]3-会发生复分解反应生成蓝色沉淀而不能大量共存,反应的离子方程式为3Fe2++2[Fe(CN)6]3-＝＝Fe3[Fe(CN)6]2↓,C项不符合题意。

常温,呈中性的溶液pH=7,而pH＞3时,Fe3+已经全部水解为Fe(OH)3↓,故Fe3+在中性溶液中不存在,D 项不符合题意。

答案：B

例4下列各组离子在强酸性条件下因发生氧化还原反应而不能大量共存的是( )。

A.Mg2+、Na+、SO2-4、Cl-

B.K+、CO2-3、Cl-、NO-3

C.Na+、Cl-、SO2-3、S2-

D.Al3+、Cl-、SO2-4、AlO-2

解析：Mg2+、Na+、SO2-4、Cl-四种离子相互之间不反应,也不与H+反应,可以大量共存,A 项不符合题意。

H+与CO2+3会发生复分解反应生成CO2和水而不能大量共存,B项不符合题意。

SO2-3、S2-在碱性、中性条件下可大量共存,但在酸性条件下会发生氧化还原反应而不能大量共存。发生的归中反应为2S2-+SO2-3+6H+＝＝3S↓+3H2O,C 项 符 合题意。

Al3+与AlO-2会发生完全双水解反应生成Al(OH)3↓而不能大量共存,离子方程式为Al3++3AlO-2+6H2O ＝＝4Al (OH)3↓,D 项不符合题意。

答案：C

点评：在解答离子共存类试题时,除要厘清离子反应的四种反应类型外,还要警惕下列四类“陷阱”:

1.警惕 “关键词:一定/可能/不能”。

在解答离子共存类试题时,首先应该审清题干中的关键词语,如“一定大量共存”(见例1、例2)、“可能大量共存”(见例3)或“不能大量共存”(见例4)。

2.警惕 “颜色”陷阱。

记住八种常见的“有色”离子:Cu2+(蓝色)、Fe2+(浅 绿 色)、Fe3+(黄 色)、[Fe(CN)6]3-(铁氰根,黄色)、MnO4-(紫色)、Cr2O27-(重铬酸根,橙色)、CrO24-(铬酸根,黄色)、Cr3+(灰绿色)。

注意：“无色”溶液中不能含有上述“有色”离子(见例3 中C 项);“透明或澄清”≠“无色”(见例1中C 项),因为“透明或澄清”指的是无难溶物和微溶物,所以“透明或澄清”溶液中可以含有上述“有色”离子。

3.警惕 “溶液的酸碱性”。

(1)常见表示呈酸性的溶液。

①c(H+)＞c(OH-);

②常温,pH＜7(见例1中B项);

③常温,c(H+)＞1.0×10-7mol·L-1;

④使甲基橙呈红色的溶液,pH＜3.1;

⑤使紫色石蕊试液变红的溶液;

⑥使pH 试纸变红的溶液;

⑦含有大量Al3+、Fe3+等弱碱阳离子的溶液因为水解而显酸性;

(2)常见表示呈碱性的溶液。

①c(H+)＜c(OH-);

②常温,pH＞7;

③常温,c(H+)＜1.0×10-7mol·L-1;

④使石蕊呈蓝色的溶液;

⑤使pH 试纸变蓝的溶液;

⑥使酚酞变红的溶液,pH＞10.0(见例1中D 项);

⑧含 有 大 量AlO-2、SO2-3、S2-等 弱 酸 阴离子的溶液因为水解而显碱性。

(3)常见表示溶液既可能呈酸性又可能呈碱性的表述。

①与Al反应放出H2,溶液可能显酸性或碱性(见例1 中A 项)。离子方程式分别为2Al+6H+＝＝2Al3++3H2↑ ,2Al+2OH-+2H2O ＝＝2AlO-2+3H2↑。注意:显酸性时溶液中不能含NO-3,因为“NO-3+H+”组合具有强氧化性,其与Al反应生成NO 气体,而不是H2。反应离子方程式为Al+4H++NO-3＝＝Al3++NO↑+2H2O。

②能够溶解Al、Al2O3或Al(OH)3的溶液,可能显酸性或碱性。

③常温下由水电离出的c(H+)水=c(OH-)水＜1.0×10-7mol·L-1,溶液可能显酸性或碱性(见例3中B 项)。常温,纯水中,由水电离出的c(H+)水=c(OH-)水=1.0×10-7mol·L-1,而酸或碱加入水中,均会抑制水的电离,从而使得由水电离出的c(H+)水=c(OH-)水＜1.0×10-7mol·L-1,所以溶液可能显酸性或碱性。

④常温下由水电离出的c(H+)水=c(OH-)水＞1.0×10-7mol·L-1,溶液可能显酸性或碱性。常温,在水中加入可以水解的盐,会促进水的电离,从而使得由水电离出的c(H+)水=c(OH-)水＞1.0×10-7mol·L-1,而盐类的水解可能使溶液显酸性、中性或碱性。

⑤能与NH4HCO3、(NH4)2CO3、NH4HSO3、(NH4)2SO3、NH4HS、(NH4)2S 反应产生气体的溶液可能显酸性或碱性。

⑥使甲基橙呈黄色的溶液,指的是pH＞4.4,溶液可能显酸性、中性或碱性。

使酚酞呈无色的溶液,指的是pH＜8.2,溶液可能显酸性、中性或碱性。

4.警惕 “特定情况下的隐含因素”。

(1)通入NH3的溶液显碱性,则应该考虑与OH-或NH3反应的离子不能存在。

(2)通入CO2的溶液具有酸性,则应该考虑与H+或CO2反应的离子不能存在(见例2中B项)。

(3)通入SO2的溶液具有酸性和强还原性,则应该考虑与H+或SO2反应的离子及氧化性离子不能存在(见例2中D 项)。

(4)通入Cl2的溶液或饱和氯水具有酸性和强氧化性,则应该考虑与H+反应的离子及还原性离子不能存在。

(5)加入Na2O2的溶液具有碱性和强氧化性,则应该考虑与OH-反应的离子及还原性离子不能存在。

(6)漂白粉溶液或“84”消毒液均因含有ClO-而具有强氧化性,则应该考虑还原性离子不能存在。