初中化學所涉及的元素化合物知識主要包括以O2、H2、C、S、P等為代表的非金屬單質，以Fe、Cu、Na為代表的金屬單質，以CO、CO2等為代表的非金屬氧化物，以Fe2O3、CuO等為代表的金屬氧化物，以H2SO4、HNO3、HCl為代表的酸，以NaOH、Ca(OH)2為代表的堿，以NaCl、CuSO4、Na2CO3、CaCO3為代表的鹽。這些物質之間的相互轉化關系可用下圖描述。

 

 

　　在初中化學中，通常把常見無機物分成單質、氧化物、酸、堿和鹽等五大類。從結構和性質角度來分析，把無機物分成以下幾類可能更合理些：①金屬(包括游離的金屬單質和合金)，②非金屬(非金屬單質)，③堿性物質(包括堿性氧化物和堿，基本上都是離子化合物)，④酸性物質(包括酸性氧化物和酸，基本上都是共價化合物)，⑤鹽(都可以看成是堿性物質和酸性物質的反應產物)。

 

　　同一類物質一般有相似的性質，由于無機物種類不多，所以貌似復雜紛繁的無機化學反應，大多數可以歸納到以下三大類反應。

 

　　①酸性物質和堿性物質之間的反應　性質對立的這兩類物質，一般都能反應，反應生成鹽或鹽和水。

 

　　②酸、堿、鹽等電解質在溶液里的反應　反應過程中一般有水、沉淀和氣體生成。

 

　　③氧化還原反應　在結構上容易得電子的物質和容易失電子的物質之間的化學反應。

 

　　初中化學中，沒有單質參加的反應大部分屬于前兩類化學反應，但都是以個別反應為示例，未形成一般性規律，使我們無法用來分析高中階段所接觸物質的基本性質。而反應物涉及單質的反應大多數為氧化還原反應，但反應本質的理解也不作為要求，氧化還原反應規律正是高中階段接觸的最重要的化學反應規律。

 

　　下面，我們將著重補充有關前兩類反應的基本規律，以幫助我們更好地理解必修1中常見無機物的化學性質。

 

　　1.酸性物質和堿性物質的反應

 

　　(1)酸性物質和堿性物質

 

　　堿性物質包括堿和對應的堿性氧化物，除氨水外，結構上都可看成是由金屬陽離子和OH-或O2-構成，狀態上一般都是不揮發性固體。

 

　　酸性物質包括酸和酸性氧化物，酸又可分為無氧酸(如鹽酸HCl、氫氟酸HF、氫硫酸H2S、氫氰酸HCN等)和含氧酸(如H2SO4、HNO3、H2CO3、H3PO4、高錳酸HMnO4、次氯酸HClO)，無機含氧酸都是酸性氧化物的水化物;酸性氧化物又可分為非金屬氧化物和金屬氧化物(如CrO3、Mn2O7等)。酸性物質在結構上一般都是由分子構成(少量的直接以原子構成，如B2O3、SiO2)，在水分子作用下，酸分子可被離解成氫離子和其他陰離子;酸性氧化物在水中并不會被直接離解成陰陽離子，但部分酸性氧化物會與水化合形成酸。中學階段，大多數非金屬酸性氧化物都是氣體(P2O5、B2O3、SiO2是固體)，而金屬酸性氧化物大多是固體。

 

　　(2)酸性物質和堿性物質的反應

 

　　酸性物質和堿性物質之間可發生以下四種反應類型：

 

　　酸性氧化物+堿性氧化物===含氧酸鹽

 

　　酸性氧化物+堿===鹽+水

 

　　堿性氧化物+酸===鹽+水

 

　　酸+堿===鹽+水

 

　　從中可以看出，當反應物中只有氧化物時，生成物只有鹽;而反應物中有酸或堿時，生成物是鹽和水。

 

　　酸性物質跟堿性物質，兩者的性質對立越強烈，也就是反應物間酸堿性差異越大，反應越容易發生。弱酸性物質和弱堿性物質，往往較難發生反應，如碳酸和氫氧化鐵就不發生反應。

 

　　①酸性氧化物和堿性氧化物生成含氧酸鹽

 

　　酸堿性對立越強烈，兩種氧化物間反應生成含氧酸鹽就越容易發生，反過來，生成的含氧酸鹽就越穩定，越難分解。參加反應的兩種氧化物中，如果有一種是強酸性或強堿性的，反應往往都能進行。

 

　　Na2O+CO2===Na2CO3(Na2O是堿性較強的物質，對應水化物為燒堿)

 

　　CaO+CO2===CaCO3(CaO是堿性較強的物質，對應水化物為熟石灰)

 

　　CuO+SO3===CuSO4(SO3酸性較強，對應水化物為硫酸)

 

　　如果兩種氧化物的酸、堿性都不強，它們一般不能發生反應，例如氧化銅跟二氧化碳就不能直接化合。

 

　　在這種反應類型中，人們還發現，極難揮發的酸性氧化物(如P2O5、B2O3、SiO2，其中SiO2熔點高達1 700 ℃左右，極高溫度下也不揮發)跟堿性氧化物混合強熱時能化合生成對應鹽。如鋼鐵冶煉中的高溫造渣反應，本質是SiO2和各種金屬氧化物的反應。

 

　　CaO+SiO2===CaSiO3　FeO+SiO2===FeSiO3

 

　　②堿性氧化物和酸的反應

 

　　堿性氧化物和酸的性質對立越強烈，反應越容易。不溶性堿性氧化物(對應水化物往往是弱堿，堿性較弱)一般不能跟極弱的酸(如碳酸、次氯酸HClO)反應。

 

　　堿性氧化物遇酸時，結構中的氧離子跟H+結合生成水，金屬陽離子和酸根離子結合成鹽。強酸能跟所有堿性氧化物反應，工業生產中常利用酸除去金屬表面的氧化物銹斑，例如：

 

　　Fe2O3+6HCl===2FeCl3+3H2O

 

　　CuO+H2SO4===CuSO4+H2O

 

　　醋酸這類較強的弱酸，也幾乎能跟所有堿性氧化物反應，如：

 

　　Fe2O3+6CH3COOH===2(CH3COO)3Fe+3H2O

 

　　③酸性氧化物和堿的反應

 

　　酸性氧化物跟堿反應，一般生成鹽和水。反應在溶液中進行時，可以看成酸性氧化物先跟水反應變成酸，酸再和堿反應生成鹽和水。如：

 

　　2NaOH+CO2===Na2CO3+H2O(Na2CO3讀作碳酸鈉)

 

　　2NaOH+SO2===Na2SO3+H2O(Na2SO3讀作亞硫酸鈉)

 

　　兩者性質對立越強，反應越容易，不溶性氫氧化物(大多為弱堿)一般不跟極弱的酸性氧化物(如CO2、SiO2)反應，像SiO2這種極弱的不溶性酸性氧化物跟強堿作用時反應也很慢，與強堿共熔時才有很好的反應，如硅酸鈉、硅酸鉀等鹽常利用二氧化硅跟強堿共熔制備，硅酸鈉、硅酸鉀的水溶液有很強的粘性，俗稱水玻璃，是常用的無機礦物膠。

 

　　2NaOH+SiO2強熱(=====)Na2SiO3+H2O

 

　　2KOH+SiO2強熱(=====)K2SiO3+H2O

 

　　其實，堿和酸性氧化物要生成鹽和水，堿必須相對過量，酸性氧化物少量。如果反應中酸性氧化物過量，而堿不足時就只能生成酸式鹽，如

 

　　NaOH+CO2===NaHCO3(NaHCO3讀作碳酸氫鈉)

 

　　NaOH+SO2===NaHSO3(NaHSO3讀作亞硫酸氫鈉)

 

　　[試一試]　1.寫出氨水(NH3·H2O)和CO2生成正鹽和酸式鹽的兩種化學反應方程式。

 

　　由此可見，酸性氧化物和堿反應生成物與其相對量有關，相對量不同，生成的鹽也不同，導致基于此類反應的有關實驗制備、化學計算更趨復雜。

 

　　④酸跟堿的反應

 

　　酸跟堿的反應，本質上是酸組成中的H+與堿組成中的OH-結合成水，金屬陽離子(或銨根離子)與酸根離子結合成鹽。酸和堿生成鹽和水的反應，又稱為中和反應，它是最典型的復分解反應之一。

 

　　NaOH+HCl===NaCl+H2O

 

　　NaOH+HClO===NaClO+H2O(HClO讀次氯酸，為弱酸)

 

　　NaOH+CH3COOH===CH3COONa+H2O

 

　　NaOH+HNO2===NaNO2+H2O(HNO2讀亞硝酸，為弱酸)

 

　　2NaOH+H2SO4===Na2SO4+2H2O

 

　　酸和堿的性質對立越強，反應越容易，一般只有極弱的酸跟極弱的堿之間才不會反應，其他酸和堿一般都能反應，例如不溶性氫氧化物一般不溶于碳酸、硅酸等極弱的酸溶液。

 

　　2.酸、堿、鹽等電解質在溶液里的反應

 

　　堿、酸和鹽在水溶液里全部或部分電離成離子，都是電解質，在溶液里可兩兩反應。其中酸和堿的反應稱為中和反應，生成水是相互間反應的基本條件。另外，酸和鹽、堿和鹽也能發生反應，其反應規律分別如下。

 

　　(1)酸和鹽的反應

 

　　在中學階段，我們所接觸的酸以可溶性酸為主，溶質在水中電離成氫離子和酸根離子，當向其中加入鹽時，只要其中任何一種離子的濃度能降低，鹽和酸的反應就能發生。

 

　　在鹽酸中加入碳酸鈉固體，因為碳酸鈉在水中可電離出碳酸根離子，它和H+能快速結合成不穩定的碳酸，分解成CO2和水，導致該反應發生。同樣，加入碳酸鈣或碳酸鋇固體時，雖然固體溶解度不大，但溶解部分電離產生的碳酸根仍能和H+結合，所以照樣可以反應，不過相同條件下產生氣泡不如碳酸鈉劇烈。其反應方程式如下：

 

　　Na2CO3+2HCl===2NaCl+CO2↑+H2O

 

　　BaCO3+2HCl===BaCl2+CO2↑+H2O

 

　　在硫酸中加入醋酸鈉固體時，醋酸鈉在水中可電離出醋酸根離子，它和H+結合形成醋酸(一種弱酸，水溶液中主要以分子形態存在)，這將大大降低了H+濃度，促成反應進行到底。次氯酸鈉、磷酸鈉等弱酸鹽和硫酸、鹽酸等強酸的反應原理與此相似，習慣上被初中化學教師概括為強酸制弱酸。反應方程式如下：

 

　　2CH3COONa+H2SO4===Na2SO4+2CH3COOH

 

　　2NaClO+H2SO4===Na2SO4+2HClO

 

　　[試一試]　2.一定條件下，稀硫酸和氯化鋇溶液，氯化鈉與硝酸銀溶液混合都有白色沉淀生成，寫出反應方程式，說明反應充分進行的理由。

 

　　向硫酸銅溶液中，滴入新制的飽和氫硫酸(H2S、二元弱酸)時，能觀察到黑色沉淀，表明二者能發生化學反應，其反應方程式如下：

 

　　CuSO4+H2S===H2SO4+CuS ↓

 

　　該反應的發生證明，弱酸在一定條件下也可生成強酸，所以“強酸制備弱酸”規律是有缺陷的、不嚴密的、有條件的。從本質上看，硫酸銅電離產生的Cu2+能和氫硫酸部分電離產生的S2-形成難溶于水(也難溶于酸)的CuS沉淀，銅離子濃度降低，反應能夠發生。從表面看，這一反應發生的理由仍然是因為生成物出現了不溶性沉淀物，降低了離子濃度。

 

　　(2)堿和鹽的反應

 

　　一定條件下，在氯化鐵溶液中滴加氫氧化鈉溶液可以產生紅褐色沉淀，該反應往往被用來驗證溶液中是否存在鐵離子，其反應方程式是FeCl3+3NaOH===Fe(OH)3↓+3NaCl。工業生產中，通過向氫氧化鈣懸濁液中加入飽和碳酸鈉溶液制備燒堿，其反應方程式是Na2CO3+Ca(OH)2===CaCO3↓+2NaOH。向氯化銨稀溶液中加入燒堿固體，能放出有刺激性氣味的氨氣，這是銨鹽的一個重要性質，其反應方程式是NH4Cl+NaOH===NaCl+NH3↑+H2O。

 

　　一般來說，鹽和堿的反應中，兩種反應物都是可溶性化合物，如果都不溶解，反應將很難進行。

 

　　(3)鹽和鹽的反應

 

　　酸和酸、堿和堿、鹽和鹽理論上也可能發生反應，酸和酸、堿和堿的反應，反應原理復雜，在高中化學中會逐步接觸個別案例;而鹽與鹽的反應在初中化學中已有接觸，在高中會增加更多案例。

 

　　如我們熟知的硝酸銀與氯化鈉的反應，被用來檢驗溶液中是否存在氯離子;氯化鋇和硫酸鈉的反應，被用來檢驗溶液中是否存在硫酸根離子;碳酸鈉和氯化鋇溶液混合時也會產生白色沉淀。目前所接觸的案例中，大多數鹽和鹽的反應均發生在兩種可溶性鹽之間，在高中選修“化學反應原理”模塊，會學習不溶性鹽和另一種可溶性鹽溶液之間的反應，如分析化學中常用飽和碳酸鈉溶液處理硫酸鋇固體，將不溶于水的硫酸鋇轉化為可溶于酸的碳酸鋇，這種反應方式常被用于無機化合物的制備、提純和廢水處理中。

 

　　以上發生在溶液中的兩種化合物間的反應，如堿性氧化物和酸、酸和堿、酸和鹽、堿和鹽、鹽和鹽的反應，都是兩種電解質之間的反應，兩種化合物先“分解”成兩種成分(陽離子和陰離子)，再重組為兩種新的化合物，這類反應習慣上稱為復分解反應。理論上，任何兩種電解質，只要彼此組分中的陰陽離子都不相同，相互交換組成又能形成沉淀(溶解度更小的物質)、氣體(揮發性物質)、水(高中化學將此擴展為水、醋酸等弱電解質)等產物，就有可能發生復分解反應。從形式上看，形成沉淀、氣體或水是復分解反應發生的三種主要原因;從本質上看都是通過降低原反應物中某種離子的濃度而實現的。

 

　　3.氧化物跟其對應水化物間的相互轉化

 

　　含氧酸和堿分別是酸性氧化物和堿性氧化物的水化物(和水化合形成產物的簡稱)，它們之間往往有如下轉換關系：

 

　　堿性氧化物+水―→堿

 

　　酸性氧化物+水―→酸

 

　　下面綜合討論氧化物與其水化物間的轉化規律。

 

　　(1)堿性氧化物和堿之間的相互轉化

 

　　大部分堿性氧化物不能跟水直接化合成對應的水化物，一般來說，只有可溶性堿才可以此堿性氧化物和水直接化合形成，中強堿氫氧化鎂也適用此規律，但化合速率不如可溶性的燒堿。例如：

 

　　Na2O+H2O===2NaOH

 

　　MgO+H2O===Mg(OH)2

 

　　堿性氧化物跟水接觸時，在水分子作用下，晶體中的金屬離子和氧離子被水分子入侵后離解成自由移動的離子，其中的氧離子被水中微量的H+捕獲成為OH-，這樣就使氧化物轉變成堿。

 

　　堿在加熱時一般可分解為堿性氧化物和水，其分解傾向與堿性氧化物和水結合傾向的強弱相反。一般地說，越容易由堿性氧化物和水化合生成的堿就越難分解，也就是說，可溶性堿一般加熱不分解，而不溶性堿加熱時可分解成堿性氧化物和水。強堿類的氫氧化鈣要強熱才分解，中強堿的氫氧化鎂在加熱時可分解，氫氧化銅在熱水中就可分解成黑色沉淀，而氫氧化銀極不穩定，在含Ag+的溶液中加入堿，析出的氫氧化物馬上分解成氧化物，只能得到氧化物(Cu+、Hg2+與Ag+類似)。

 

　　Ca(OH)2強熱(=====)CaO+H2O

 

　　Mg(OH)2加熱(=====)MgO+H2O

 

　　Cu(OH)2熱水(=====)CuO+H2O

 

　　總之，一般可溶性堿可由其氧化物和水化合形成，高溫也難分解;不溶性堿不能由其氧化物與水化合形成，但受熱會分解成對應氧化物和水。

 

　　(2)酸性氧化物和酸之間的相互轉化

 

　　一般來說，可溶于水的酸性氧化物都能和水直接化合成對應的含氧酸(元素有相同的價態)。例如：

 

　　SO3+H2O===H2SO4

 

　　SO2+H2O===H2SO3

 

　　而不溶性氧化物(如SiO2，沙子、石英、水晶的主要成分)一般和水就不能直接化合，因此對應含氧酸H2SiO3就只能用其他方法合成。二氧化鈦(TiO2)、三氧化鎢(WO3)等酸性氧化物不能和水化合的原因與此相似。制取二氧化硅可以和氧化鈉或氫氧化鈉反應得到硅酸鈉，硅酸鈉再和鹽酸、稀硫酸等酸發生反應轉化為硅酸，即SiO2→Na2SiO3→H2SiO3兩步完成轉化。

 

　　[試一試]　3.以SiO2和其他常見試劑為原料，制取硅酸，寫出相應的化學反應方程式。

 

　　絕大部分含氧酸能分解成對應的氧化物(被形象地稱為酸酐)和水。對應酸酐不揮發、不溶解(難溶或微溶)的，容易受熱分解成酸酐和水，如硅酸、磷酸;對應酸酐為低價態氣體的，只能存在于溶液中，也就是極易分解，如碳酸、亞硫酸。

 

　　H2SiO3△(=====)SiO2+H2O

 

　　H2SO3=====SO2+H2O

 

　　[試一試]　4.HNO2也只能在稀溶液中存在，已知亞硝酸鈉溶液和硫酸可以發生復分解反應，請寫出相應的化學反應方程式。