4. 水溶液反应

水溶液和电离

水是地球物种进化的关键，生命体的生物学结构源于其对水的需求。维系生命的化学反应发生于水中。水溶液（aqueous solution, ）是以水为溶解介质的均相混合物。溶于水后可形成离子的物质称为电解质（electrolyte），在溶液中不形成离子的物质则称为非电解质（nonelectrolyte）。

实验表明，纯水和蔗糖溶液中没有带电粒子，而 溶液由于 和 离子的形成而导电。

水是一种有效的离子化合物溶剂，整体呈电中性，但 原子带部分负电荷（以 表示）、 原子带部分正电荷（以 表示），水溶液中的离子被吸引。当固体离子化合物溶解于水，其中离子被水分子环绕，该过程称为离子的溶剂化（solvation）。溶剂化有助于稳定溶液中的离子，防止阴阳离子结合。离子化合物中有序堆积的离子分离于固体结构，并均匀分散于溶液中。

分子化合物溶于水则不形成离子，仅需视为该分子和水分子的简单混合。因此，多数分子化合物是非电解质。作为例外，酸溶液，如 溶于水形成 时， 分子发生电离（离子化，ionization），分离为 和 离子。

区分以导电性差异，完全或几乎完全以离子形式存在于溶液的溶质称为强电解质，如多数水溶性离子化合物（通常以是否同时存在金属和非金属组分判断）和少数分子化合物。大部分以中性分子存在于溶液的溶质称为弱电解质，如醋酸 。弱电解质在溶液中电离，电离方程式可写为

上式中指向相反方向的箭头表示动态平衡的化学反应——反应在两个方向有效。在任意时刻，电解质分子可电离，同时，其对应的离子也可重新结合为分子。这种相反过程间的化学平衡决定离子和中性分子的相对数量——随时间推移趋于稳定。

作为很大程度上向前推进的反应，强电解质的电离，如 电离，由于 和 离子几乎没有重新结合为 分子的趋势，方程式写为

溶解和沉淀

溶质间发生反应生成不溶（insoluble）固体产物——沉淀（precipitate）的反应称为沉淀反应（precipitation reactions）。沉淀这种不溶性离子型固体的形成源自带相反电荷的离子间强烈的吸引力，水分子无法使之分离和溶剂化。

溶解度（solubility）指物质在一定温度下、一定溶剂量中能溶解的量。我们称溶解度小于 的物质不溶。溶解过程是一个复杂的热力学现象，目前没有利用基本物理性质预测离子化合物是否可溶的一般性规律，而仅能参考实验观察结果。例如，实验表明含 和碱金属（ 族）的常见离子化合物均溶于水。除此之外的一些常见阴离子之化合物的溶解性规律如下表。

可溶离子	重要例外
	-
	含
	含

不溶离子	重要例外
	含
	-

例如，强电解质 和 的混合溶液中含 离子，不溶性的可能便存在于这些离子组合所形成的化合物。根据上表， 不溶，可形成沉淀，因此该混合溶液中存在沉淀反应，能写出其平衡方程式为

如上式两种反应物间发生阴阳离子互换的反应称为交换反应（exchange reactions）或复分解反应（metathesis reactions），可表示其通式为

物质的溶解性与其溶解后的导电性是两个不同的概念。例如，弱电解质难以电离，但可能极易发生溶剂化并溶于水，虽然通常来说，易溶的离子化合物更易电离。离子化合物的溶解性和电离能力虽然通常相关，但并非完全一致。

到目前为止的化学方程式均为给出反应物和产物的完整的分子方程式，但对于发生于水溶液的反应，离子方程式方可表示出其中物质的存在形式（离子或分子）。例如，对于沉淀反应分子方程式 ，将所有可溶的强电解质以离子形式表示便得到其完全离子方程式：

上式中存在两边出现形式相同的离子——旁观离子(spectators)，这些离子在反应中不起直接作用。因此，我们使用删除了旁观离子，而只包括直接参与反应的离子和分子的净离子方程式：

如上式，平衡的净离子方程式电荷守恒：。净离子方程式反映了电解质所参与反应之本质特征，即阴阳离子结合形成沉淀。不同种反应物组合可以发生相同的净反应说明了此类反应的相似性，例如， 和 的水溶液都有 离子说明其化学性质相似。

酸和碱

酸（acids）和碱（bases）是常见的电解质。酸可在水溶液中电离，生成 。 实际上便是单个质子，因此，酸也被称为质子供体。在水溶液中，质子也像其他阳离子一样被水分子溶剂化，因此，在质子参与的溶液化学反应方程式中，以 表示质子。不同的酸分子电离可产生不同数量的 离子。例如， 作为一元酸，每分子仅能电离产生一个 离子。（醋酸）中只有羟基上与氧原子相连的氢原子能在水中电离，此时 键断裂，而 键不断裂，因此也是一元酸。二元酸，如 （硫酸）的电离分为两个步骤：

可见，虽然 是强电解质，但只有一级电离完全发生。因此，硫酸溶液含 和 。

碱是一种能接受 离子的物质，溶于水时产生氢氧根离子 ，如离子型氢氧化物 。离子型氢氧化物溶于水时分解为离子。（氨）是另一种常见的碱、弱电解质，其遇水后便从中获得一个 离子，产生 离子（反应率约为 ）：

上式中， 为质子供体（酸）， 为质子受体（碱）。

酸碱之强弱在于其在溶液中的电离程度，强酸和强碱便是强电解质，部分电离的弱电解质酸碱是弱酸和弱碱。然而，酸的反应活性不仅取决于 浓度，还与阴离子有关。例如，弱酸 的高反应活性是 和 共同作用的结果。

大多数酸是弱酸，常见强酸包括 。常见强碱仅包括可溶性金属氢氧化物，考虑先前溶解性规律可知，包括 族非氢元素的氢氧化物和 族重金属氢氧化物（）。据此便可预测各种水溶性物质的电解强度：离子化合物即为强电解质；对于分子化合物，则判断是否为强酸或强碱。电解强度相近时，溶液中离子数量越多，电导率越大。

中和反应

酸碱溶液性质有别，混合时发生中和反应（neutralization reaction）。该类反应之本质为质子从一种反应物转移至另一种反应物，其产物不具有酸性或碱性溶液的特征和性质。一般来说，酸与金属氢氧化物发生中和反应生成水和盐（salt）——任意一种阳离子来自碱及阴离子来自酸的离子化合物。可见，此类中和反应也是复分解反应。对于反应物、产物均为强电解质和水的中和反应，其净离子方程式为

上式点明了强酸与强碱间中和反应的主要特点——氢离子与氢氧根离子结合为水。此外，酸与不溶性碱也能发生中和反应。除 外常见的碱还包括 、 和 ，这类碱与酸发生的中和反应生成低溶解度气体：

氧化还原反应

相较于中和反应中质子转移，氧化还原反应（oxidation-reduction reactions, redox reactions）中，电子从一种反应物转移至另一种反应物。此处集中讨论一种反应物为金属单质的情况，最常见的实例便是金属的腐蚀——金属与环境交互反应而转化为金属化合物之过程。此过程中，金属原子失去电子形成阳离子，并与阴离子结合为离子化合物。

我们称电荷数向正方向增加（more positively charged）的原子、离子或分子被氧化（oxidized），即，物质失去电子的过程称为氧化（oxidation）。此术语源于最初对有氧气参与反应的研究，许多金属直接与空气中的氧气反应产生金属氧化物。例如，铁生锈便是铁被氧化形成 。该过程较缓慢，其他类型金属如碱金属和碱土金属则在空气中很快与其中氧气反应。同时，空气中中性的 转化为 。我们称携带负电荷数量增加的原子、离子或分子被还原（reduced），即，物质得到电子的过程称为还原（reduction）。一种物质的氧化必然伴随另一种物质的还原。

我们设计了氧化数（oxidation number）或氧化态（oxidation state）用于描述物质得失电子的数量。每个中性物质或离子中的每个原子均存在氧化数，某个原子的氧化数是假定的电荷数，由人为对电子在分子或离子中的原子间划分而产生。常用的氧化数分配规则如下：

• 单质中原子的氧化数为
• 单原子离子的氧化数等于其电荷数
• 碱金属离子（ 族）电荷数总是 ，故而氧化数为 ；同理，碱土金属（ 族）氧化数总为 ；铝（ 族）的氧化数总为
• 非金属的氧化数通常为负。 的氧化数通常为 ，过氧化物中的 离子的氧化数为
• 与非金属结合时氧化数为 ，与金属结合时氧化数为
• 的氧化数总为 ；对于其他卤素原子，在多数二元化合物中氧化数为 ，与 结合时氧化数为正
• 中性化合物所有原子的氧化数之和为 ；多原子离子所有原子的氧化数之和为该离子电荷数

据此便可根据化合物中已知其他原子的氧化数求得所剩原子的氧化数。反应中氧化数之变化可用于判断物质氧化还原情况：氧化数越大，则物质的氧化越完全；反之，氧化数减小则说明物质被还原。

酸与盐致金属氧化

事实表明，一些金属还能被酸或某他种金属盐溶液氧化。然而，不同金属被氧化的难易程度不同，例如，碱金属和碱土金属最容易被氧化，也就是说，这些元素比其他金属元素更容易失去电子，从而反应生成化合物，因此称其为活泼金属。下表给出水溶液中按氧化从易到难排列的金属活动顺序（activity series），可用于预测金属与盐溶液或酸反应的结果。

上表底部的几种金属，特别是 至 族的几种过渡元素非常稳定，反应活性低，不易形成化合物，由于常被制成货币和珠宝而称为贵金属。表中任意一种金属可被下方金属之离子所氧化，顺序在氢前的金属能被 所氧化。事实上，金属与酸或金属盐溶液之间的反应符合一般规律：

例如，

可见，此类反应中，金属单质被氧化为离子，与另一种金属离子或氢离子发生置换，因而被称为置换反应（displacement reactions）。值得注意的是，活动性顺序在氢之后的金属虽然不被 氧化，但仍可能被阴离子氧化。例如， 不与 反应，但能被 氧化，因而能与 反应。

溶液浓度

浓度（concentration）表示溶解于固定体积溶剂中溶质的量。溶剂体积固定时，所溶解的溶质越多，溶液（solution，缩写为 ）浓度越高。常用的浓度表示方法包括质量分数（）、体积分数（）及摩尔浓度。

摩尔浓度（Molarity，符号 ，又称体积摩尔浓度、物质的量浓度）以体积为 溶液中溶质的摩尔数表示溶液浓度：

我们称一份 摩尔溶液（a molar solution，写作 ）每 溶液中含有 溶质。溶液中离子的相对浓度取决于化合物的化学式。例如，对于 的 溶液， 的摩尔浓度为 。显然，摩尔浓度即为溶质物质的量与溶液体积间的换算因子，利用量纲分析便可完成三个物理量间的转换。例如，计算 溶液中含 时的体积：

实验室中的溶液通常是浓缩形式（concentrated form），称为储液（stock solutions），其更低浓度的水溶液通过加水获得，此过程称为稀释（dilution）。涉及稀释的计算问题之要点为「储液（简写为 ）与稀释液中溶质的摩尔数相同」。例如，要稀释 储液以制备 的 溶液：

据此结果，用移液管取 之 储液，加入容量瓶中，然后加水稀释至期望刻度即完成制备。事实上，虽然摩尔浓度常以 为单位，计算时可任选合适的体积单位，例如，本例中便可选用 ，最终将得到相同的结果。另外，由于储液与稀释液中溶质的摩尔数均等于溶液体积乘以对应的摩尔浓度，可得方程

从而简化计算。对于上例，

溶液化学计量

对于溶液反应，由于溶质和溶剂均影响溶液质量，我们无法再通过使用摩尔质量进行摩尔数转换来分析化学计量，而是利用摩尔浓度和体积：。

滴定（titration）是利用已知浓度之标准溶液（standard solution）测定另一溶液中特定溶质浓度的方法。加入适量标准溶液与之完全反应，反应物化学计量相等的这一状态称为等当点。中和、沉淀或氧化还原反应均可用于滴定。中和滴定利用酸碱指示剂，其在等当点时开始改变颜色，即，颜色变化是终止滴定的信号。