离子共存 PowerPoint 课件

离子共存欢迎学习关于离子共存的课程离子共存是化学中的一个重要概念，它解释了不同离子在同一溶液中如何相互作用以及哪些离子可以稳定地共存本课程将深入探讨离子共存的原理、条件和应用，帮助您理解这一化学基础知识的重要性我们将从基本概念开始，逐步探索判断离子能否共存的方法，并通过实例分析加深理解这些知识对于预测化学反应、分析溶液性质以及解决实际问题都至关重要课程目标掌握离子共存的基本概念理解离子的定义、形成过程以及离子反应的本质，为学习离子共存打下坚实的理论基础学会判断离子能否共存掌握分析离子共存条件的方法，能够判断特定离子在特定条件下是否可以稳定共存应用离子共存知识解决实际问题能够运用离子共存原理解释各种化学现象，并在定性分析、定量分析等实际应用中灵活运用离子的概念离子的定义离子的形成离子的稳定性离子是带电的原子或原子团当原子离子可以通过原子失去或获得电子形离子的稳定性主要由其电子层结构决失去或获得电子时，会形成带正电荷成，也可以通过化合物在溶液中电离定当原子通过形成离子达到稳定的的阳离子或带负电荷的阴离子形成这一过程通常发生在化学反应电子排布时（如惰性气体结构），离或溶解过程中子会相对稳定常见离子常见阳离子常见阴离子•Na⁺-钠离子•Cl⁻-氯离子•K⁺-钾离子•Br⁻-溴离子•Ca²⁺-钙离子•I⁻-碘离子•Mg²⁺-镁离子•OH⁻-氢氧根离子•Fe²⁺-亚铁离子•CO₃²⁻-碳酸根离子•Fe³⁺-铁离子•SO₄²⁻-硫酸根离子•NH₄⁺-铵离子•NO₃⁻-硝酸根离子•Cu²⁺-铜离子•PO₄³⁻-磷酸根离子离子反应的本质能量变化离子反应通常伴随着能量的释放或吸收，这反映了反应前后化学键能的变化大多数离化学平衡子反应是放热的，体现了趋向更稳定状态的电荷中和自然趋势离子反应通常会达到一个动态平衡，其中正离子反应的本质是带相反电荷的离子之间通反应和逆反应的速率相等这种平衡状态可过静电引力相互作用，形成新物质的过程以通过浓度、温度等外部条件的改变而移动这种相互作用导致电荷的中和213离子共存的定义平衡状态稳定性相互作用离子共存是指多种离共存的离子之间不会虽然共存的离子之间子能够在同一溶液中形成难溶物、弱电解可能存在弱相互作用稳定存在而不发生反质或气体，保持溶液（如氢键、静电相互应或形成沉淀的现象的稳定性和均一性作用等），但这些作用不足以引起明显的化学反应或相分离离子共存的条件不形成沉淀共存的离子之间不能形成难溶性化合物如果两种离子能形成沉淀，则它们通常不能在溶液中稳定共存不生成弱电解质共存的离子不应形成弱电解质（如弱酸、弱碱）弱电解质形成会减少离子浓度，影响离子的共存状态不生成气体离子反应不应产生气体物质，如二氧化碳、氨气等气体的形成会导致物质从溶液中逸出，改变离子平衡不发生氧化还原反应离子之间不应发生电子转移的氧化还原反应，这类反应会改变离子的种类和数量，破坏原有的共存状态离子不能共存的情况离子不能共存的主要情况包括形成沉淀、生成弱电解质、产生气体和发生氧化还原反应当阴阳离子之间能够形成难溶性盐类，如碳酸钙、氢氧化铁等，它们会从溶液中析出形成沉淀当离子反应生成弱电解质，如碳酸根与氢离子生成碳酸，会降低离子浓度当反应生成不溶于水的气体，如碳酸根与酸反应生成二氧化碳，气体会逸出溶液当具有强氧化性或还原性的离子存在时，如高锰酸根与亚铁离子，会发生电子转移，改变离子状态沉淀反应定义影响因素沉淀反应是溶液中的离子结合形成难溶性固体物质的过程当两种可溶性温度、pH值、共同离子效应以及络合作用等因素都会影响沉淀反应的进物质的水溶液混合后，如果它们的某些离子能够形成难溶性化合物，就会行和沉淀的溶解度这些因素在分析化学中经常被用来控制沉淀的选择性发生沉淀反应123特点沉淀反应通常非常迅速，并且可以通过溶液变浑浊或出现固体析出来观察沉淀的形成取决于离子积与溶度积的关系难溶性化合物1定义2特性难溶性化合物是指在特定溶难溶性化合物在溶液中建立剂（通常是水）中溶解度极动态平衡，少量溶解的离子低的化合物它们的溶度积与固体之间不断进行溶解和常数Ksp值通常非常小，表析出过程这种平衡可以用明它们在溶液中的离子浓度溶度积来描述，当离子积大积很低于溶度积时，沉淀会形成3应用难溶性化合物的特性在分析化学、环境处理和材料科学中有广泛应用例如，通过沉淀反应可以分离特定离子，或通过控制沉淀条件制备特定形态的材料常见难溶性化合物列表类别难溶性化合物化学式氢氧化物氢氧化铁III FeOH₃氢氧化物氢氧化铝AlOH₃碳酸盐碳酸钙CaCO₃硫酸盐硫酸钡BaSO₄磷酸盐磷酸钙Ca₃PO₄₂卤化物氯化银AgCl硫化物硫化铜CuS微溶性化合物定义特征常见例子影响因素微溶性化合物是指在水中有少量溶解度常见的微溶性化合物包括碳酸镁微溶性化合物的溶解度受多种因素影响，的化合物，其溶解度介于可溶性和难溶MgCO₃、氢氧化镁MgOH₂、硫酸包括温度、pH值、共同离子效应和络性化合物之间它们的溶度积常数通常钙CaSO₄、氟化钙CaF₂等这些化合合作用这些因素的变化可能导致微溶在10⁻⁵到10⁻¹⁰范围内，使它们在某些物在特定条件下可能溶解或沉淀，使它性化合物在溶液中的平衡状态显著改变，条件下可以形成沉淀，而在其他条件下们的行为更加复杂和有趣从而影响离子的共存状态则可以溶解沉淀反应例子氯化银沉淀硫酸钡沉淀氢氧化铁沉淀当硝酸银溶液与氯化钠溶液混合时，当氯化钡溶液与硫酸钠溶液混合时，当三价铁盐溶液加入氢氧化钠溶液时，Ag⁺离子与Cl⁻离子反应形成白色的氯Ba²⁺离子与SO₄²⁻离子反应形成白色的Fe³⁺离子与OH⁻离子反应形成红褐色化银沉淀反应方程式为Ag⁺+Cl⁻硫酸钡沉淀反应方程式为Ba²⁺+的氢氧化铁沉淀反应方程式为Fe³⁺→AgCl↓这是一个经典的沉淀反应，SO₄²⁻→BaSO₄↓这种沉淀反应在医学+3OH⁻→FeOH₃↓这种沉淀在水处常用于检测氯离子的存在诊断中作为钡餐使用理过程中用于去除杂质生成弱电解质平衡特性弱电解质的电离是一个可逆过程，在2溶液中建立动态平衡这种平衡受到弱电解质概念氢离子浓度、温度和其他离子存在的弱电解质是在水溶液中只部分电离的影响，可用电离常数Ka或Kb表示1物质，包括弱酸、弱碱和部分难溶盐当溶液中的离子能够结合形成弱电解影响离子共存质时，这些离子的浓度会减少，影响当某些离子组合能形成弱电解质时，离子共存状态它们通常不能在溶液中有效共存，因3为弱电解质的形成会降低自由离子的浓度，打破原有的平衡状态常见弱酸

4.

766.

359.25醋酸Ka碳酸pKa₁氨水pKb醋酸CH₃COOH是一种常见的弱酸，在水碳酸H₂CO₃是一种中等强度的二元弱酸，氨水NH₃·H₂O作为弱碱，其共轭酸NH₄⁺溶液中只部分电离其电离常数Ka为第一步电离的pKa₁为

6.35碳酸根离子在酸的pKa为

9.25铵离子在碱性环境中会形成

1.74×10⁻⁵，pKa值为

4.76醋酸与强碱反性环境中会形成碳酸，进而分解为二氧化碳氨分子，影响离子共存状态，这是判断离子应生成醋酸盐，影响溶液中的离子平衡和水，这是许多离子不能共存的重要原因能否共存的重要因素之一常见弱碱氨水NH₃·H₂O碳酸氢钠NaHCO₃氨水是最常见的弱碱之一，其碳酸氢钠溶液呈弱碱性，其电离常数Kb为

1.8×10⁻⁵在水HCO₃⁻离子在水中水解产生溶液中，氨分子与水反应形成OH⁻碳酸氢根离子的水解反铵离子和氢氧根离子NH₃+应为HCO₃⁻+H₂O⇌H₂CO₃H₂O⇌NH₄⁺+OH⁻氨水在+OH⁻该物质在食品和医药分析化学中广泛用作沉淀剂和行业有广泛应用络合剂有机胺类甲胺CH₃NH₂、乙胺C₂H₅NH₂等有机胺类化合物都是弱碱，它们在水中的电离程度有限有机胺的存在会影响溶液中其他离子的状态，尤其是与金属离子的络合作用生成弱电解质的例子醋酸根与氢离子1当醋酸钠溶液CH₃COONa与盐酸HCl混合时，醋酸根离子CH₃COO⁻与氢离子H⁺结合形成弱电解质醋酸CH₃COOH反应式为CH₃COO⁻+H⁺→CH₃COOH这导致溶液中醋酸根离子和氢离子浓度降低铵离子与氢氧根2当氯化铵溶液NH₄Cl与氢氧化钠溶液NaOH混合时，铵离子NH₄⁺与氢氧根离子OH⁻结合形成弱电解质氨水反应式为NH₄⁺+OH⁻→NH₃+H₂O这种反应可以通过氨气的特殊气味察觉到碳酸根与氢离子3当碳酸钠溶液Na₂CO₃与稀盐酸HCl混合时，碳酸根离子CO₃²⁻与氢离子H⁺反应先生成碳酸氢根，再进一步形成弱电解质碳酸，最终分解为二氧化碳和水总反应式为CO₃²⁻+2H⁺→H₂O+CO₂↑生成气体气体生成定义气体生成机理气体鉴别方法气体生成反应是指反气体通常由弱酸分解、不同气体可通过特定应产物中包含不溶于酸碱中和或氧化还原的物理化学性质鉴别，水的气体，导致气体反应产生当反应生如二氧化碳使澄清石从溶液中逸出的反应成气体分子后，由于灰水变浑浊，氨气有这类反应往往伴随着其在水中的溶解度低，刺激性气味并使湿润气泡产生和溶液性质会形成气泡并从溶液的红色石蕊试纸变蓝，的变化，是判断离子中逸出，导致反应不硫化氢有臭鸡蛋气味不能共存的重要依据可逆地向产物方向进并使醋酸铅试纸变黑之一行常见的气体生成反应图表展示了几种常见气体生成反应的相对频率碳酸盐与酸反应生成二氧化碳是最常见的气体生成反应，如碳酸钠与盐酸反应Na₂CO₃+2HCl→2NaCl+H₂O+CO₂↑这种反应常用于检测碳酸盐的存在硫化物与酸反应生成硫化氢也很常见，例如硫化钠与酸的反应Na₂S+2HCl→2NaCl+H₂S↑铵盐与强碱反应生成氨气的反应广泛应用于分析化学中，如识别铵离子NH₄⁺+OH⁻→NH₃↑+H₂O氧化还原反应电子转移1氧化还原反应的本质是电子从一种物质（还原剂）转移到另一种物质（氧化剂）的过程这种电子转移导致参与反应的物质氧化态发生变化氧化数变化2氧化还原反应可以通过氧化数的变化来识别氧化过程中元素的氧化数增加，还原过程中元素的氧化数减少氧化还原反应中，氧化数增加的总量等于减少的总量离子电子法离子电子法是配平氧化还原反应方程式的有效方法，它将反应分3为氧化半反应和还原半反应，分别配平后再组合这种方法在理解复杂的氧化还原过程中特别有用常见的氧化还原反应高锰酸钾反应碘与硫代硫酸根重铬酸盐反应高锰酸钾KMnO₄是强氧化剂，在酸性碘I₂可以氧化硫代硫酸根S₂O₃²⁻为四重铬酸钾K₂Cr₂O₇在酸性条件下是强条件下，MnO₄⁻可以氧化Fe²⁺为Fe³⁺，硫酸根S₄O₆²⁻，同时自身被还原为碘氧化剂，可将乙醇氧化为乙醛，同时同时自身被还原为Mn²⁺，溶液从紫红离子I⁻反应式I₂+2S₂O₃²⁻→Cr₂O₇²⁻被还原为Cr³⁺，溶液从橙色色变为无色反应式MnO₄⁻+5Fe²⁺2I⁻+S₄O₆²⁻这种反应在碘量法滴变为绿色反应式Cr₂O₇²⁻++8H⁺→Mn²⁺+5Fe³⁺+4H₂O这是定中广泛应用，可用淀粉作为指示剂3CH₃CH₂OH+8H⁺→2Cr³⁺+判断Fe²⁺与MnO₄⁻不能共存的依据3CH₃CHO+7H₂O离子共存判断方法综合分析1通过多种原理和规则综合判断氧化还原反应2检查是否发生电子转移气体产生3判断是否形成不溶性气体弱电解质生成4判断是否形成弱酸弱碱沉淀形成5查找是否生成难溶性化合物离子共存的判断是一个系统性工作，需要从多个方面进行考察首先检查阴阳离子是否能形成难溶性化合物导致沉淀然后判断离子组合是否会生成弱电解质，如弱酸或弱碱接着考虑是否会产生气体物质从溶液中逸出最后分析是否存在氧化还原反应潜力只有当这四种情况都不会发生时，离子才能稳定共存实际应用中，可以借助溶度积表、电离常数表和标准电极电势表等工具辅助判断这种综合分析方法确保了判断的全面性和准确性判断步骤步骤一判断是否形成沉淀查阅溶度积常数表，分析阴阳离子是否能形成难溶性盐计算离子积与溶度积的关系，判断是否超过溶度积而形成沉淀例如，判断Ca²⁺和CO₃²⁻是否共存，需查找CaCO₃的Ksp值，计算离子积并与Ksp比较步骤二判断是否生成弱电解质检查离子组合是否能形成弱酸或弱碱例如，NH₄⁺和OH⁻共存时会形成NH₃和H₂O；H⁺和CO₃²⁻共存时会形成H₂CO₃即CO₂和H₂O利用电离常数K值评估反应程度步骤三判断是否生成气体判断离子反应是否产生难溶于水的气体例如，S²⁻在酸性条件下会生成H₂S气体；CO₃²⁻与H⁺反应生成CO₂气体；NH₄⁺在碱性条件下会释放NH₃气体步骤四判断是否发生氧化还原反应利用标准电极电势表评估是否可能发生电子转移氧化性强的离子如MnO₄⁻、Cr₂O₇²⁻与还原性强的离子如Fe²⁺、I⁻通常不能共存，会发生自发的氧化还原反应离子共存表离子共存表是一种直观显示各种阴阳离子能否共存的矩阵图表表格横轴和纵轴分别列出常见的阳离子和阴离子，交叉点通过不同符号或颜色标示离子间的相互作用情况通常，√表示能共存，×表示不能共存，有时会用其他符号如△表示在特定条件下可能共存这种表格的优点是使用简单直观，只需查找相应离子的交叉点即可获知两种离子是否能共存但其局限性在于通常只考虑沉淀形成，而忽略了弱电解质生成、气体产生和氧化还原反应的可能性因此，在使用离子共存表时，需结合具体条件和其他判断方法综合分析离子共存表的使用方法1查找目标离子2解读标记符号3考虑实际条件在离子共存表中，首先需要在横轴找到共存表中通常使用不同符号表示离子间离子共存表通常基于标准条件如室温、所关注的阳离子，然后在纵轴找到对应的相互作用√表示离子能够稳定共存；一定浓度范围制定，在特殊条件下可能的阴离子两者的交叉点显示的符号或×表示离子会发生反应不能共存；△不完全适用使用时应考虑实际的溶液颜色代表这两种离子是否能够共存例或其他符号表示在特定条件如pH值、条件，如温度、pH值、离子强度等因素，如，要判断Ca²⁺和PO₄³⁻是否能共存，温度、浓度等下可能共存或不共存理这些都可能影响离子的共存状态在精就需要找到这两种离子的交叉点解这些符号的含义对正确使用表格至关确判断时，仍需结合热力学数据进行计重要算离子颜色许多过渡金属离子在水溶液中呈现特征性颜色，这是由于金属离子的d电子能级发生分裂，吸收特定波长的可见光所致这些颜色对于定性分析和离子识别非常有价值例如，Cu²⁺离子溶液呈现蓝色，MnO₄⁻溶液呈现紫红色，Fe³⁺溶液呈现黄褐色离子的颜色还受到溶剂、温度和配位环境的影响当离子与不同的配体结合时，其颜色可能发生变化，这是络合物形成的证据例如，Cu²⁺离子与氨形成络合物后，溶液颜色由蓝色变为深蓝色离子颜色的变化是判断化学反应发生的重要依据，尤其在氧化还原反应和络合反应中常见有色离子列表离子化学式颜色应用实例铜离子Cu²⁺蓝色硫酸铜溶液高锰酸根MnO₄⁻紫红色高锰酸钾溶液铬酸根CrO₄²⁻黄色铬酸钾溶液重铬酸根Cr₂O₇²⁻橙色重铬酸钾溶液三价铁离子Fe³⁺黄褐色氯化铁溶液钴离子Co²⁺粉红色氯化钴溶液镍离子Ni²⁺绿色硫酸镍溶液溶液颜色判断观察方法颜色变化解读仪器辅助判断溶液颜色判断是最直溶液颜色变化可能意对于肉眼难以区分的接的离子识别方法之味着氧化还原反应色差或稀溶液，可借一通过观察溶液的（如MnO₄⁻由紫变无助分光光度计等仪器颜色变化，可以初步色）、配合物形成进行更精确的测量判断溶液中存在的离（如Cu²⁺遇氨变深蓝）通过测量特定波长的子种类或化学反应的或酸碱指示剂的变色吸光度，不仅可以定发生例如，向无色（如酚酞在碱性环境性判断离子的存在，溶液中加入试剂后，中变红）正确解读还能定量分析离子的如果出现特定颜色，这些变化需要综合考浓度，提高分析的准可能表明特定离子的虑反应条件和可能的确性和灵敏度存在化学过程值对离子共存的影响pHpH值Fe³⁺溶解度Al³⁺溶解度Cu²⁺溶解度pH值是影响离子共存的关键因素之一上图展示了不同pH值下几种金属离子的相对溶解度在酸性条件下，大多数金属离子保持溶解状态；而随着pH值升高，不同金属离子开始在不同pH值下形成氢氧化物沉淀例如，Fe³⁺在pH约3以上开始显著沉淀，Al³⁺在pH4-9范围内大量沉淀，而Cu²⁺则在更高pH值下才完全沉淀这种差异是分离金属离子的重要基础通过控制溶液pH值，可以选择性地沉淀某些金属离子而保持其他离子在溶液中，这在分析化学和冶金工业中有重要应用pH值还会影响弱酸根离子的质子化程度，如在酸性条件下CO₃²⁻会转变为HCO₃⁻甚至H₂CO₃，改变离子的性质和反应能力酸性溶液中的离子共存质子化效应金属氢氧化物溶解在酸性溶液中，弱酸根离子易于酸性条件下，大多数金属氢氧化质子化例如，CO₃²⁻接受质子物沉淀会溶解，因为H⁺与沉淀中形成HCO₃⁻和H₂CO₃，后者分解的OH⁻结合形成水分子例如，为CO₂和水；SO₃²⁻变为HSO₃⁻；FeOH₃+3H⁺→Fe³⁺+3H₂OPO₄³⁻依次变为HPO₄²⁻、因此，酸性环境中金属离子通常H₂PO₄⁻和H₃PO₄这些变化影响以自由离子形式存在，有利于多离子的电荷和反应性，从而改变种金属离子的共存离子共存状态硫化物沉淀影响硫化物离子S²⁻在酸性条件下会质子化形成HS⁻和H₂S，后者可能以气体形式逸出这影响了与金属离子的沉淀平衡在不同酸度下，不同金属的硫化物表现出不同的溶解行为，这是分析化学中硫化物分离法的基础碱性溶液中的离子共存金属氢氧化物沉淀铵盐行为在碱性溶液中，许多金属离子会形成氢氧化物沉淀例如，Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺等离铵离子NH₄⁺在碱性溶液中会与OH⁻反应生成氨气NH₃和水因此，铵盐通常不能子会分别形成FeOH₃、AlOH₃、CuOH₂沉淀但不同金属氢氧化物的溶度积不同，与强碱性物质在溶液中共存，这个特性常用于检测铵离子当含铵盐的溶液加热并加有些如ZnO·H₂O在强碱性条件下会重新溶解形成锌酸根[ZnOH₄]²⁻入强碱时，会释放出具有特殊气味的氨气123弱酸根行为碱性条件促进弱酸电离，弱酸根离子占主导如H₂CO₃全部解离成CO₃²⁻，H₃PO₄全部解离成PO₄³⁻这些多价阴离子可与金属离子形成沉淀，如Ca₃PO₄₂碱性环境下还原性增强，如Fe³⁺在强碱性条件可被还原为FeOH₂中性溶液中的离子共存平衡状态中性溶液pH约7是许多离子共存的理想环境在此条件下，大多数常见阳离子如Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等和阴离子如Cl⁻、NO₃⁻、SO₄²⁻等可以稳定共存，不会形成沉淀或发生其他化学反应部分沉淀形成即使在中性条件下，某些特定组合的离子也会形成沉淀例如，Ag⁺与Cl⁻、Ba²⁺与SO₄²⁻、Ca²⁺与CO₃²⁻等，会形成难溶性盐类而不能共存这些沉淀反应通常与溶液的pH值关系不大缓冲作用一些离子组合，如HPO₄²⁻/H₂PO₄⁻、HCO₃⁻/CO₃²⁻等，在中性附近具有缓冲作用，可以抵抗pH的小幅变化这些体系对维持特定pH范围内的离子共存状态非常重要，广泛应用于生物体系和实验室研究中离子浓度对共存的影响离子积与溶度积共同离子效应离子强度影响根据离子积和溶度积的关系，当离子积当溶液中添加与难溶性盐中的离子相同溶液的离子强度会影响离子活度系数，Q大于溶度积Ksp时，会发生沉淀因的离子时，会降低难溶性盐的溶解度，从而影响实际的反应行为高离子强度此，离子浓度增加会提高形成沉淀的可这就是共同离子效应例如，在饱和下，离子间的库仑力被屏蔽，使溶度积能性例如，在含Ca²⁺的溶液中逐渐AgCl溶液中加入NaCl，由于增加了常数的表观值增大因此，在高盐环境增加CO₃²⁻的浓度，当Cl⁻浓度，会导致更多AgCl沉淀析出中，某些原本不溶的盐可能变得部分可[Ca²⁺]×[CO₃²⁻]KspCaCO₃时，就会这种效应在沉淀分离和纯化过程中有重溶，改变离子共存状态这在海水化学开始形成碳酸钙沉淀要应用和高浓度电解质溶液中尤为重要。