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複分解反應
鎖定
複分解反應是由兩種化合物互相交換成分,生成另外兩種化合物的反應,其實質是發生複分解反應的兩種化合物在反應體系中(大部分情況為水溶液)交換離子,結合成難電離的沉澱、氣體或弱電解質(最常見的為水),使反應體系中離子濃度降低,化學反應向着離子濃度降低的方向進行的反應。在這種反應中,原有化合物的化學鍵斷裂,在產物中形成新的化學鍵。複分解反應常發生在酸、鹼、鹽之間。
複分解反應概念
複分解反應實質
從宏觀角度來説,反應能否發生是有特定條件的。對生成物而言,兩種化合物之間進行成分交換後生成的另外兩種化合物中必有沉澱、氣體或弱電解質(例:H2O),從體系中脱離;對反應物而言,當反應物中沒有酸時,要發生離子交換,需要反應物要均可溶於水,反應才能發生
[1]
。依據概念和反應條件進行微觀探析:複分解反應只是兩種化合物之間相互交換離子成分,在反應前,反應物中各離子是以一定比例共存的,在反應前後各元素化合價不變,離子種類和個數不變,但隨反應的持續發生,溶液中自由移動的離子濃度不斷減小
[1]
。即複分解反應是電解質在溶液中發生的離子間重新組合。當溶液中存在的某些離子能互相結合而使其濃度迅速減小的話,那麼反應就向離子濃度減小的方向進行。
複分解反應發生條件
NaOH溶液 | NaCl溶液 | K2CO3溶液 | Ba(NO3)2溶液 | |
H2SO4溶液 | H2SO4+2NaOH=Na2SO4+2H2O | 不能反應 | H2SO4+K2CO3=K2SO4+H2O+CO2↑ | H2SO4+Ba(NO3)2=BaSO4↓+2HNO3 |
判斷依據 | 有水生成 | 沒有水、氣體或沉澱生成 | 有CO2氣體生成 | 有BaSO4沉澱生成 |
“反應物有酸可不溶”是指如果反應物中有酸參與,那麼其他物質的水溶性可不考慮,反應時可以是沉澱,也可以是溶液。例如:
AgNO3+HCl=AgCl↓+HNO3
Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2↑
CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑
BaCl2+Na2SO4=BaSO4↓+2NaCl
FeCl3+3NaOH=Fe(OH)3↓+3NaCl
CuSO4+2NaOH=Cu(OH)2↓+Na2SO4
複分解反應示例
複分解反應是指由兩種化合物互相交換成分,生成另外兩種化合物的反應。複分解反應主要是酸、鹼、鹽之間發生的化學反應,某些金屬氧化物跟酸也能發生複分解反應。即
AB+CD=AD+CB
HCI+NaOH=NaCl+H2O
H2SO4+2KOH=K2SO4+2H2O
CaO+2HCl=CaCl2+H2O
2NaOH+CuSO4=Cu(OH)2↓+Na2SO4
3KOH+FeCl3=3KCI+Fe(OH)3↓
BaCl2+H2SO4=BaSO4↓+2HCl
AgNO3+NaCI=AgCl↓+NaNO3
BaCl2+Na2SO4=BaSO4↓+2NaCl
由此可見,酸鹼中和反應一定是複分解反應,但複分解反應不一定是中和反應。
因為複分解反應只是離子間的相互交換,並沒有化合價的變化,所以複分解反應一定不是氧化還原反應。如圖所示為複分解反應與化合反應、分解反應、置換反應、氧化還原反應關係圖:
複分解反應溶解性與複分解反應
熟練掌握部分酸鹼鹽的溶解性,可據此快速判斷一個複分解反應能否發生。
陽離子\陰離子 | OH- | NO3- | Cl- | SO42- | CO32- |
H+ | 溶、揮 | 溶、揮 | 溶 | 溶、揮 | |
NH4+ | 溶、揮 | 溶 | 溶 | 溶 | 溶 |
K+ | 溶 | 溶 | 溶 | 溶 | 溶 |
Na+ | 溶 | 溶 | 溶 | 溶 | 溶 |
Ba2+ | 溶 | 溶 | 溶 | 不 | 不 |
Ca2+ | 微 | 溶 | 溶 | 微 | 不 |
Mg2+ | 不 | 溶 | 溶 | 溶 | 微 |
Al3+ | 不 | 溶 | 溶 | 溶 | - |
Mn2+ | 不 | 溶 | 溶 | 溶 | 不 |
Zn2+ | 不 | 溶 | 溶 | 溶 | 不 |
Fe2+ | 不 | 溶 | 溶 | 溶 | 不 |
Fe3+ | 不 | 溶 | 溶 | 溶 | - |
Cu2+ | 不 | 溶 | 溶 | 溶 | - |
Ag+ | - | 溶 | 不 | 微 | 不 |
鉀鈉銨鹽硝酸鹽,均可溶於水中間。
硫酸鹽中鋇不溶,氯化鹽中銀不溶。
碳酸鉀鈉銨鹽溶,氫氧鉀鈉鈣鋇溶。
酸除硅酸全可溶,鹼溶鉀鈉銨鋇鈣。
鉀鈉銨鹽硝酸鹽,全部溶解不困難。
氯化銀和硫酸鋇,兩種沉澱記心間。
碳酸鹽除鉀鈉銨,其餘皆不溶於水。
鉀鈉銨鹽皆可溶,硝酸鹽入水影無蹤。
氯化物不溶氯化銀,硫酸鹽不溶硫酸鋇。
碳酸鹽只溶鉀鈉銨,可溶鹼有四位鉀鈉和鈣鋇。
複分解反應應用
1)碳酸根離子/碳酸氫根離子的檢驗
滴加稀鹽酸,現象:有氣泡產生。將氣體通入澄清石灰水,現象:生成白色渾濁。如:Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2↑,NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+CO2↑,CO2+Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O。
如果需要進一步區分是碳酸根離子還是碳酸氫根離子,可直接將氫氧化鈣溶液加入溶液中,有沉澱則為碳酸根離子(Na2CO3+Ca(OH)2=CaCO3↓+2NaOH),沒有沉澱是碳酸氫根離子。
2)硫酸根離子的檢驗
滴加硝酸鋇,現象:生成白色沉澱。滴加稀硝酸,現象:沉澱不溶解。如:Ba(NO3)2+Na2SO4=BaSO4↓+2NaNO3。
3)氯離子的檢驗
滴加硝酸銀,現象:生成白色沉澱。滴加稀硝酸,現象:沉澱不溶解。如:AgNO3+NaCl=AgCl↓+NaNO3。
4)銨根離子的檢驗
滴加氫氧化鈉溶液,現象:有氣泡產生。用紅色石蕊試紙檢驗,現象:試紙變藍。如:NaOH+NH4Cl=H2O+NaCl+NH3↑。
在中國化學工業史上,有一位傑出的科學家,他為祖國的化學工業事業奮鬥終生,並以獨創的制鹼工藝聞名於世界,他就是侯德榜。侯德榜制鹼就用了到複分解反應,方程式如下:
NH3+H2O+CO2=NH4HCO3(首先通入氨氣,然後再通入二氧化碳)
NH4HCO3+NaCl=NH4Cl+NaHCO3↓(NaHCO3↓溶解度最小,所以析出)
3.複分解電滲析技術
複分解電滲析(electrodialysis metathesis, EDM)
[5]
是以電滲析技術為基礎,利用陰、陽離子交換膜不同組合方式,使兩種鹽溶液中的陰離子和陽離子相互交換,形成2種新鹽的過程
[10]
。複分解電滲析技術與傳統的僅有1個脱鹽室和1個濃縮室的電滲析相區別,複分解電滲析有2個脱鹽室和2個濃縮室。近年來,國內外已有不少研究人員將複分解電滲析技術應用到資源回收、高鹽廢水處理、污染零排放等過程,在無機鹽合成、處理工業廢水、海水淡化等方面具有一定的優越性。
4.烯烴複分解反應
複分解反應能夠發生的三個條件(即生成物中有沉澱或有氣體或有弱電解質),長期以來有效地指導了科學實驗和生產實踐。通過實踐表明:反應中因温差或濃度的原因能析出一種物質或複鹽,複分解反應也能發生
[3]
。複分解反應不僅僅發生在酸鹼鹽中,在有機化學中也有複分解反應的應用,2005年諾貝爾化學獎授予了三位科學家,以表彰他們在烯烴複分解反應研究方面所取得的成績。這三位科學家分別是法國石油學院的伊夫.肖萬、美國麻省理工學院的羅伯特.格拉布和加利福尼亞州加州理工學院的理查德.施羅克。他們發現了烯烴複分解反應的“交換舞伴”的肖萬機理,即:烯烴複分解反應是金屬卡賓化合物的催化作用下,烯烴裏的碳碳雙鍵被拆散、交換、重組,形成新分子的過程
[4]
。
綜上所述,複分解反應在許多化學和生物化學過程中具有重要的應用。在實驗室中,它們常用於合成新的化合物或分離混合物中的組分。在工業上,複分解反應用於生產化學品、藥物、材料等
[11-13]
。通過研究複分解反應,化學家們可以深入理解化學反應的機理和原理。這種理解對於開發新的反應過程、改進現有的化學合成方法以及探索新的應用領域非常重要。綜上所述,複分解反應在化學、生物化學、環境科學和能源領域具有廣泛的應用,對於推動科學和技術的發展起着重要作用。
- 參考資料
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