A-level 化学/AQA/模块 5/无机化合物在水溶液中的反应
路易斯酸是一种通过接受一对孤对电子而结合的物质。当金属阳离子与配体形成配位键时，它们表现为路易斯酸。
路易斯碱是一种通过捐赠一对孤对电子而结合的物质。当配体与金属阳离子形成配位键时，它们表现为路易斯碱。
大多数金属阳离子在溶液中以六水合配合物的形式存在。主族金属形成无色离子，但大多数过渡金属离子是有色的。
[Fe(H2O)6]2+（淡绿色），[Co(H2O)6]2+（粉红色），[Cu(H2O)6]2+（淡蓝色），[Al(H2O)6]3+（无色），[V(H2O)6]3+（绿色），[Cr(H2O)6]3+（深蓝色），[Fe(H2O)6]3+（黄色）
这些离子也以水合离子化合物的形式存在于固态中。[Co(H2O)6]2+ 以 [Co(H2O)6]Cl2 或 CoCl2.6H2O 的形式存在。六个水分子充当配体。
[Fe(H2O)6]2+ 以 [Fe(H2O)6]SO4.H2O 或 FeSO4.7H2O 的形式存在。六个水分子充当配体，第七个是结晶水。它有助于将阳离子连接到阴离子。
水溶液中的阳离子由于存在水配体而变得稳定，因为离子的电荷分布在更大的区域上，从而降低了极化能力。
如果阳离子的电荷密度特别高，水配体中的电子密度会更靠近阳离子，水中的键会变弱。在这种情况下，水配体中的氢可以作为质子失去。
例如 [Fe(H2O)6]2+ == [Fe(H2O)5OH]+ + H+
这个过程被称为去质子化。去质子化是指水配体失去质子形成羟基配体。
去质子化是由中心阳离子上的高电荷密度引起的，这会削弱水配体中的 O-H 键，使 H+（质子）能够离开。
失去的质子被碱接受。这可以是水、氢氧根离子或氨。去质子化的程度取决于碱的强度。
水是一种弱碱。因此，六水合配合物将表现为弱酸并部分解离。
例如 [Fe(H2O)6]2+(aq) + H2O(l) == [Fe(H2O)5(OH)]+(aq) + H3O+(aq) 例如 [Fe(H2O)6]3+(aq) + H2O(l) == [Fe(H2O)5(OH)]2+(aq) + H3O+(aq) 例如 [Cr(H2O)6]3+(aq) + H2O(l) == [Cr(H2O)5(OH)]2+(aq) + H3O+(aq) 例如 [Cu(H2O)6]2+(aq) + H2O(l) == [Cu(H2O)5(OH)]+(aq) + H3O+(aq)
因此，过渡金属离子的水溶液呈酸性。
中心阳离子上的电荷密度越大，去质子化的程度越大，溶液的酸性越强。例如，三价铁盐溶液的酸性比二价铁盐溶液的酸性强。
如果金属的电荷大于 +3，即使去质子化后，水合配合物和羟基配合物也不稳定。阳离子的极化能力太强，即使去质子化也不能使其稳定。它们只有在所有质子都被移除以形成含氧阴离子时才稳定。
例如 [V(H2O)6]5+、[Cr(H2O)6]6+ 和 [Mn(H2O)6]7+ 不稳定——阳离子过于极化。相反，它们分别以 VO2+ 或 VO3-、Cr2O72- 或 CrO42- 以及 MnO4- 的形式存在。
氢氧根离子是一种强碱。它比水分子更容易从水配体中拉走质子，并且会发生不止一次去质子化。在所有情况下，都会形成水合氢氧化物。
例如 [Fe(H2O)6]2+(aq) + 2OH-(aq) == [Fe(H2O)4(OH)2](s) + 2H2O(l) 二价铁氢氧化物 例如 [Cu(H2O)6]2+(aq) + 2OH-(aq) == [Cu(H2O)4(OH)2](s) + 2H2O(l) 二价铜氢氧化物 例如 [Cr(H2O)6]3+(aq) + 3OH-(aq) == [Cr(H2O)3(OH)3](s) + 3H2O(l) 三价铬氢氧化物 例如 [Fe(H2O)6]3+(aq) + 3OH-(aq) == [Fe(H2O)3(OH)3](s) + 3H2O(l) 三价铁氢氧化物 这些氢氧化物都是不溶的，因为它们是共价的。因此，当向含有过渡金属阳离子的任何溶液中添加氢氧化钠或氢氧化钾溶液时，会形成沉淀物。
Fe(OH)2 Co(OH)2 Cu(OH)2 Al(OH)3 Cr(OH)3 Fe(OH)3 绿色 蓝色 淡蓝色 白色 绿色/灰色 棕色
在某些情况下，例如（Cr3+ 和 Al3+），氢氧根离子可以去除更多的质子，形成羟基阴离子。
例如 [Cr(H2O)3(OH)3](s) + 3OH-(aq) == [Cr(OH)6]3-(aq) + 3H2O(l)
Green/grey precipitate green solution
例如 [Al(H2O)3(OH)3](s) + 3OH-(aq) == [Al(OH)6]3-(aq) + 3H2O(l)
White precipiate colourless solution
Al(OH)63- Cr(OH)63- 无色 绿色
在这种情况下，发现沉淀物在过量碱中重新溶解，形成溶液。能够在过量碱中溶解的金属氢氧化物被称为两性的。
有些金属氢氧化物，如 Fe(OH)2(H2O)4 和 Fe(OH)3(H2O)3，不会溶解在过量碱中。这些氢氧化物被称为碱性的。
所有沉淀物都可以通过添加酸转化回六水合配合物：例如 [Cr(H2O)3(OH)3](s) + 3H3O+(aq) == [Cr(H2O)6]3+(aq) + 3H2O(l) 例如 [Al(H2O)3(OH)3](s) + 3H3O+(aq) == [Al(H2O)6]3+(aq) + 3H2O(l)
氨也是比水更强的碱，因此也可以引起六水合配合物的去质子化并形成氢氧化物沉淀物。
例如 [Fe(H2O)6]2+(aq) + 2NH3(aq) == [Fe(H2O)4(OH)2](s) + 2NH4+(aq) 二价铁氢氧化物 例如 [Cu(H2O)6]2+(aq) + 2NH3(aq) == [Cu(H2O)4(OH)2](s) + 2NH4+(aq) 二价铜氢氧化物 例如 [Cr(H2O)6]3+(aq) + 3NH3(aq) == [Cr(H2O)3(OH)3](s) + 3NH4+(aq) 三价铬氢氧化物 例如 [Fe(H2O)6]3+(aq) + 3NH3(aq) == [Fe(H2O)3(OH)3](s) + 3NH4+(aq) 三价铁氢氧化物
氨不是强到足以引起进一步去质子化的碱，因此在过量氨存在的情况下不会形成羟基阴离子。
碳酸根离子是碱，可以从 +3 离子中去质子化形成氢氧化物沉淀。碳酸根离子被转化为二氧化碳气体。
2[Fe(H2O)6]3+(aq) + 3CO32-(aq) à 2[Fe(H2O)3(OH)3](s) + 3CO2(g) + 3H2O(l) 2[Cr(H2O)6]3+(aq) + 3CO32-(aq) à 2[Cr(H2O)3(OH)3](s) + 3CO2(g) + 3H2O(l) 2[Al(H2O)6]3+(aq) + 3CO32-(aq) à 2[Al(H2O)3(OH)3](s) + 3CO2(g) + 3H2O(l)
然而，+2 离子不易去质子化，在碳酸根离子存在的情况下不表现出酸性。相反，它们直接与碳酸根离子形成沉淀。没有二氧化碳产生。
[Fe(H2O)6]2+(aq) + CO32-(aq) à FeCO3(s) + 6H2O(l) [Co(H2O)6]2+(aq) + CO32-(aq) à CoCO3(s) + 6H2O(l) [Cu(H2O)6]2+(aq) + CO32-(aq) à CuCO3(s) + 6H2O(l)
FeCO3 CoCO3 CuCO3 绿色 粉红色 蓝绿色
配体交换是指在一个配合物中，一个配体被另一个配体取代的过程。许多配体能够取代过渡金属配合物中的水，但这里只考虑两种。
对于六水合配合物，氨充当碱并促进去质子化。然而，过量的氨会与某些氢氧化物发生配体交换，用氨配体取代水和氢氧基配体。
对于 Co(H2O)4(OH)2，取代是完全的：[Co(H2O)6]2+(aq) + 2NH3(aq) == [Co(OH)2(H2O)4](s) + 2NH4+(aq) 粉红色溶液变为蓝色沉淀 [Co(H2O)4(OH)2](s) + 6NH3(aq) == [Co(NH3)6]2+(aq) + 4H2O(l) + 2OH-(aq) 蓝色沉淀变为淡黄色溶液 配合物 [Co(NH3)6]2+ 在空气中放置时被氧化为 [Co(NH3)6]3+：[Co(NH3)6]2+ 到 [Co(NH3)6]3+ + e 淡黄色溶液变为棕色溶液
对于 Cu(H2O)4(OH)2，取代是不完全的：[Cu(H2O)6]2+(aq) + 2NH3(aq) == [Cu(H2O)4(OH)2](s) + 2NH4+(aq) 淡蓝色溶液变为淡蓝色沉淀 [Cu(H2O)4(OH)2](s) + 4NH3(aq) == [Cu(NH3)4(H2O)2]2+(aq) + 2H2O(l) + 2OH-(aq) 淡蓝色沉淀变为深蓝色溶液
铬、铁（II）、铁（III）和铝的氢氧化物不溶于氨水。
缓慢地将氨添加到含有 Co2+ 和 Cu2+ 的水合配合物的溶液中，会形成氢氧化物的沉淀，该沉淀在过量的氨中重新溶解，再次形成溶液。
Co(NH3)62+ Cu(NH3)4(H2O)22+ 淡黄色 深蓝色
请注意，当氨取代水作为配体时，配位数不会改变。这是因为水和氨是小的无电荷配体，因此它们不会彼此妨碍或相互排斥。因此，两者都形成八面体配合物。
在浓盐酸存在下，氯离子可以取代某些络离子中的水配体，形成阴离子络合物
[Cu(H2O)6]2+(aq) + 4Cl-(aq) == [CuCl4]2-(aq) + 6H2O(l) 淡蓝色溶液 à 黄色溶液 [Co(H2O)6]2+(aq) + 4Cl-(aq) == [CoCl4]2-(aq) + 6H2O(l) 粉红色溶液 à 蓝色溶液
请注意，当氯离子取代水配体时，配位数从 6 降至 4。这是因为氯离子很大且带负电荷，因此它们相互排斥更多，无法如此紧密地堆积在一起。
这些反应之所以有利，是因为它们会导致熵增加。等式左侧有 5 个物种，右侧有 7 个物种。因此，系统的熵增加。然而，这一因素被破坏更多配位键 (6) 被破坏而不是形成 (4)，以及氯配体形成的配位键不很强的事实所抵消。因此，该反应是吸热的。
这些反应通常是可逆的，向溶液中添加水会导致氯配体被水配体取代。此反应用于检测水；蓝色氯化钴试纸在水的存在下变为粉红色。[CoCl4]2-(aq) + 6H2O(l) == [Co(H2O)6]2+(aq) + 4Cl-(aq)
blue pink
CoCl42- CuCl42- 蓝色 绿色/黄色
多齿配体，如 H2NCH2CH2NH2、C2O42- 和 edta4-，很容易取代络离子中的水配体。所得络离子始终保持六配位
[Fe(H2O)6]3+(aq) + 3NH2CH2CH2NH2(aq) == [Fe(H2NCH2CH2NH2)3]3+(aq) + 6H2O(l) [Cr(H2O)6]2+(aq) + 3C2O42-(aq) == [Cr(C2O42-)3]3-(aq) + 6H2O(l) [Cu(H2O)6]2+(aq) + edta4-(aq) == [Cu(edta)]2-(aq) + 6H2O(l)
这些反应之所以有利，是因为它们会导致熵增加。等式左侧的物种总比右侧少。因此，系统的熵增加，并且多齿配合物比涉及单齿配体的配合物更稳定。
这被称为螯合效应。
熵增加不会被配位数减少所抵消，因为配位数仍然是 6。
某些过渡金属可以形成多种具有相同氧化态的物种，例如 Cr2O72-(aq) 和 CrO42-(aq)，或 VO3-(aq) 和 VO2+(aq)
物种的稳定性通常取决于溶液的 pH 值——每个金属离子氧含量较少的物种在酸性溶液中稳定，而每个金属离子氧含量较多的物种在碱性溶液中稳定。两种物种可以通过添加酸或碱来相互转化
2CrO42-(aq) + 2H+(aq) à Cr2O72-(aq) + H2O(l)
yellow orange
Cr2O72-(aq) + 2OH-(aq) à 2CrO42-(aq) + H2O(l) 橙色 黄色
VO3-(aq) + 2H+(aq) à VO2+(aq) + H2O(l)
yellow
VO2+(aq) + 2OH-(aq) à VO3-(aq) + 2H2O(l) 黄色
许多反应都伴随着明显的颜色变化。下表总结了发生的颜色的变化
离子 存在 NH3 或 NaOH，但不超过 过量 NaOH 过量 NH3 浓 HCl Na2CO3 [Fe(H2O)6]2+ 淡绿色溶液 脏绿色沉淀 不溶解 不溶解 - 绿色沉淀（碳酸盐） [Al(H2O)6]3+ 无色溶液 白色沉淀 无色溶液 不溶解 - 白色沉淀（氢氧化物） [Cr(H2O)6]3+ 淡绿色溶液 淡绿色沉淀 绿色溶液 不溶解 - 淡绿色沉淀（氢氧化物） [Fe(H2O)6]3+ 黄色溶液 棕色沉淀 不溶解 不溶解 - 棕色沉淀（氢氧化物） [Co(H2O)6]2+
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(放置后变暗) 蓝色溶液 粉红色沉淀（碳酸盐） [Cu(H2O)6]2+ 蓝色溶液 淡蓝色沉淀 不溶解 深蓝色溶液 黄色溶液 蓝绿色沉淀（碳酸盐）