化學

(1)

第4章水溶液反應

化學

任課教師：顏明賢

第四章

水溶液反應

(2)

本章內容



4.1 水溶液的一般性質



4.2 沈澱反應



4.3 酸鹼反應



4.4 氧化還原反應



4.5 溶液的濃度



4.6 重量分析



4.7 酸鹼滴定

(3)

4.1 水溶液的一般性質



溶液為兩種以上的物質形成的均相混合物，

其中含量較少的稱為溶質，含量較多的稱為溶劑。溶液有可能是氣體(如氣)、固體(如合金)或液體(如海水) 。



電解質為溶於水中後，其溶液具導電性的物質，非電解質為溶於水中後，其溶液不具導 電性的物質。

(4)

辨別電解質與非電解質的裝置

(5)

水溶液的一般性質



水對離子化合物而言是一種非常有效的溶劑。

雖然水是電中性分子，然其具正極區域(氫原子)和負極區域(氧原子)，因此水是一種極性溶劑。當離子化合物如氯化鈉溶於水中時，

則其三度空間的網狀結構會被破壞，鈉離子與氯離子分離進行水合作用。

(6)

溶質在水中的分類

(7)

醋酸分子

(8)

NaCl的水合作用

(9)

4.2 沈澱反應



沈澱反應是在水溶液中會形成不溶性生成物的反應，而沈澱物是一種可從溶液中分離的不溶性固體。



溶解度定義為：在特定溫度下，定量溶劑中可溶解溶質的最大量。溶質依其溶解度的大小，區分為：可溶、微溶與不溶。所有的離

子化合物都是強電解質，但溶解度並不相同。

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互換反應（双取代反應）

Pb(NO₃)_2(aq)＋ 2KI_(aq) →PbI_2(s)＋ 2KNO_3(aq)

此反應兩化合物彼此交換部分組成的反應，

稱為互換反應metarhesis（双取代反應 double-displacement reaction）。

(11)

PbI

₂

的沈澱過程

(12)

離子化合物水中溶解的通則

(13)

CdS, PbS, Ni(OH)₂及Al(OH)₃ 的沈澱

(14)

(15)

分子方程式與離子方程式



分子方程式中的化合物是以分子式或中性的離子對書寫。分子方程式無法說明實際發生的微觀變化。



離子方程式中溶解的化合物，以解離的離子表示，式中總反應沒有涉及到的離子，稱為旁觀離子，在化學反應中並無變化，淨離子方程式，只顯示實際參與反應的物種：例

Pb²⁺_(aq) + 2I^- → PbI_2(s)

(16)

硫酸鋇沈澱

(17)

離子與淨離子方程式的寫出 步驟：

1.

寫出平衡的分子方程式。

2.

以解離的離子重寫此方程式。假設強電解 質都完全解離。

3.

將方程式兩邊的旁觀離子消去，得到淨離 子方程式。

4.

檢查電荷與原子是否平衡。

(18)

(19)

4.3 酸鹼反應

酸鹼物質的通性：



酸

 酸具有酸味。例如，食醋中含有醋酸，而檸檬則含有檸檬酸。

 酸會使植物染料變色。例如，使藍色石蕊試紙變成紅色。

 酸會與鋅、鎂和鐵等金屬反應，產生氫氣。

 酸與碳酸鹽或碳酸氫鹽 ( 如 NaCO₃、 CaCO₃和 NaHCO )的反應，會產生二氧化碳。

(20)



鹼



鹼具有苦澀的味道。



鹼摸起來滑滑的。像肥皂的滑膩感。



鹼會使植物染料變色。例如，使紅色石蕊試紙變成藍色。



酸或鹼性水溶液皆可導電。

酸鹼物質的通性：

(21)

粉筆與塩酸的反應

(22)

酸與鹼的定義

 阿瑞尼士(Arrhenius’)的酸與鹼定義：酸是在水中

會解離出 H⁺離子的物質，而鹼是在水中會解離出 OH^-離子的物質。

 布忍斯特(Broonsted’s)的酸與鹼定義：提供質子者為布氏酸，而接受質子者為布氏鹼。此酸鹼定義並不侷限於水溶液中。

 路易士酸鹼對(Lewis’)的酸與鹼定義：提供電子對

(23)

水中HCl的解離反應

(24)

常見的強弱酸化合物

(25)

氨在水中的解離

(26)

氨水藥品

(27)

(28)

酸鹼中和



酸＋鹼 → 鹽＋水



使用等莫耳數的酸和鹼，在反應結束後得到水和鹽類，而沒有殘餘的酸或鹼，這就是酸 鹼中和反應。



酸鹼反應通常為完全反應。

(29)

酸鹼中和(續)

 食鹽為強酸HCl和強鹼NaOH反應的生成物：

HCl(aq) ＋ NaOH(aq) → NaCl(aq) ＋HO(l) Na⁺和Cl^-為旁觀離子

淨離子方程式為

H⁺(aq) ＋ OH^- (aq) → H ₂O (l)

(30)

酸鹼中和(續)

 弱酸HCN與強鹼NaOH的例子：

HCN(aq) + NaOH(aq) →NaCN(aq) + H₂O(l) 旁觀離子為Na⁺。

淨離子方程式為

HCN(aq) ＋ OH^- (aq) → CN^-(aq) + H ₂O (l)

(31)

4.4 氧化還原反應



氧化還原反應是一種電子轉移反應。例如鈣與氧反應產生氧化鈣：

2Ca(s) ＋ O₂(g) → 2CaO(s)

2個Ca原子轉移4個電子給2 個O原子。

2Ca → 2Ca²⁺ ＋ 4e^- O ＋ 4e^- → 2O^2-

(32)



每一個步驟都稱為半反應。氧化半反應為失去電子的半反應，還原反應為獲得電子的半反應。鈣被氧化，扮演還原劑的角色， 氧被還原為氧化劑。



原子的氧化數，又稱為氧化態指的是原子 的電子完全轉移後的電荷數。

氧化還原反應(續)

(33)



氧化數可用下列規則來判斷：

1. 元素態物質的氧化數皆為 0。因此H₂、Na、Be、

O₂及P₄等物質中原子的氧化數皆為0。

2. 原子離子的氧化數等於其電荷數。因此Ba²⁺氧 化數為2；Fe³⁺為3；O^2-為-2；以此類推。在化 合物中，所有鹼金屬的氧化數皆為+1，而所有 鹼土金屬的氧化數皆為+2，鋁的氧化數為 +3。

氧化還原反應(續)

(34)

3. 氧在大部分化合物中(例如，MgO和HO)氧化數為-2，但在過氧化氫H₂O₂及過氧離子O₂^2-中 為 -1。

4. 氫在與金屬鍵結的二元化合物中，例如：LiH、

NaH及CaH，其氧化數為 -1；在其他化合物 中的氧化數均為+1。

5. 氟在所有化合物中的氧化數皆為 -1。其他的 鹵素 (Cl、Br及I)在鹵化物中的氧化數為負

氧化還原反應(續)

(35)

6. 中性分子的所有原子的氧化數總和必定為0；

在多原子離子中，所有元素的氧化數總和必定 等於離子的淨電荷。例如，銨離子NH₄⁺，N的 氧化數為 -3，而氫為氧化數+1總和為 -3+

4(+1)＝1，

7. 氧化數不一定是整數。例如超氧化物O₂^-中O 的氧化數為 -1/2 。

氧化還原反應(續)

(36)

鎂的燃燒反應

(37)

金屬取代反應

(38)

(39)



圖4.11列出各種元素的已知氧化數，其規律 性如下：

 金屬元素只有正氧化數，而非金屬元素則可能 有正或負氧化數。

 1A～7A族元素的最高氧化數即為其族數。例如

7A族(鹵素)的最高氧化數為+7 。

 過渡金屬(1B、3B～8B族)通常有好幾種氧化數。

(40)

(41)

氧化還原反應的類型



氧化還原反應有四種類型：

 結合反應： S + O₂ → SO₂

 分解反應： 2 KClO₃ →2KCl + 3O₂

 取代反應： 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂ V₂O₅ + 5Ca → 2V + 5CaO Cl₂ + 2KBr → 2KCl +Br₂ (F₂ >Cl₂>Br₂>I₂)

 自身氧化還原反應：2H₂O₂ → 2H₂O + O₂

(42)

結合反應的例子

(43)

分解反應

(44)

氫的取代反應

(45)

氫的取代反應

(46)

金屬活性序列

(47)

(48)

工業上製溴

(49)

(50)

4.5 溶液的濃度



溶液的濃度為在一定量的溶劑或溶液中溶質的含量。考慮化學上最常使用的單位：體積莫耳濃度(molarity, M)，或稱莫耳濃度，即 1升溶液中所含溶質的莫耳數。



莫耳濃度可寫成：

(51)

莫耳濃度之配製

(52)

(53)

(54)



將較高濃度的溶液配製成較低濃度的程序。

在稀釋的過程中，僅增加溶劑的體積以改變 溶液的濃度，但並未改變溶質的莫耳數， 換言之：

稀釋前溶質的莫耳數＝稀釋後溶質的莫耳數

溶液的稀釋

(55)

稀釋前後之KMnO

₄

(56)

稀釋前後

(57)

溶液的稀釋計算



莫耳濃度為1 L溶液中溶質的莫耳數，故溶質的莫耳數可從下式計算：

M × V ＝溶質的莫耳數

M

₁

× V

₁

= M

₂

× V

₂

(58)

(59)



重量分析

 是一種以測量重量為基礎的分析技術，重量分 析實驗涉及沈澱物的生成、分離以及秤重。

 重量分析是一種高準度的技術，但只能用於接 近100%沈澱的反應。

(60)

重量分析的步驟

(61)

(62)

酸鹼滴定



滴定是指將已知濃度的溶液逐漸加入另一未 知溶液中，直到兩種溶液完全反應為止。



標準溶液：已知準確濃度的溶液。



當量點：酸和鹼完全中和的點。



酞酸鉀KHP常用做NaOH的標定劑。

(63)

酸鹼滴定裝置

(64)

硫酸分子

(65)

(66)

(67)

MnO₄^-, Mn²⁺, Cr₂O₇^2-及Cr³⁺



氧化還原滴定

 像酸鹼滴定一樣，也可以用氧化劑來滴定還原劑。氧化還原滴定也須加入能明顯變色的指示劑。

(68)

滴定裝置

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