# 过渡金属离子的反应

> 化学 · CIE A-Level
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u21-reactions-of-transition-metal-ions/

本模块讲解CIE 9701考试要求的常见第一行水溶液过渡金属离子（Cu²+、Fe²+、Fe³+、Cr³+、Co²+、Mn²+）与NaOH、NH₃、碳酸钠和常见配体的特征反应，包括颜色变化和产物鉴别。

**先修:** [过渡元素的配合物形成与电子排布](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u21-introduction-to-transition-elements/)

## 学习目标

- 描述水溶液中过渡金属离子与常见试剂（NaOH、NH₃、Na₂CO₃）的反应
- 解释配体交换反应及其特征颜色变化
- 根据实验现象鉴别过渡金属离子
- 为所有涉及的反应书写配平的反应方程式

## 与氢氧化钠水溶液的反应

**不溶性过渡金属氢氧化物** — 当氢氧化钠水溶液提供$OH^-$离子，取代水合过渡金属离子中的水配体，形成中性、不溶的氢氧化物沉淀。特征颜色可用于轻松鉴别金属离子。

*例:* 水溶液中的$Cu^{2+}$会形成浅蓝色的$Cu(OH)_2(s)$沉淀

几乎所有过渡金属氢氧化物都不溶于水，只有氢氧化铬(III)是两性的，即它可溶于过量浓氢氧化钠，形成可溶性配离子。

**例题:** 向$Cr^{3+}$水溶液中逐滴加入稀氢氧化钠至过量，描述所有实验现象并书写配平的反应方程式。

1. 刚加入氢氧化钠时，生成绿色胶状沉淀：
2. $$Cr^{3+}(aq) + 3OH^-(aq) \rightarrow Cr(OH)_3(s)$$
3. 加入过量浓氢氧化钠后，绿色沉淀溶解，形成六羟基合铬(III)配离子的深绿色溶液：
4. $$Cr(OH)_3(s) + 3OH^-(aq) \rightarrow [Cr(OH)_6]^{3-}(aq)$$

> **考试提示:** 在CIE考试中，必须同时说明颜色和状态（沉淀/溶液）才能拿到满分。

## 与氨水溶液的反应

氨水既作为碱（与水电离产生$OH^-$）也作为配体。通常首先会生成氢氧化物沉淀，之后在多数情况下，沉淀会通过配体交换溶于过量氨水，形成可溶性氨配合物。

**配体交换** — 过渡金属配合物中的一个配体被另一个不同配体取代的反应，几乎总是伴随明显的特征颜色变化。

**例题:** 向硫酸铜(II)水溶液中逐滴加入氨水至过量，描述所有实验现象并书写反应方程式。

1. 初始加入氨水时，生成浅蓝色氢氧化铜(II)沉淀：
2. $$Cu^{2+}(aq) + 2OH^-(aq) \rightarrow Cu(OH)_2(s)$$
3. 过量浓氨水溶解浅蓝色沉淀，形成四氨合铜(II)的深蓝色溶液：
4. $$Cu(OH)_2(s) + 4NH_3(aq) \rightarrow [Cu(NH_3)_4]^{2+}(aq) + 2OH^-(aq)$$

> **tip**
>
> 不是所有过渡金属氢氧化物都溶于过量氨水。在CIE 9701考纲中，只有$Cu^{2+}$、$Co^{2+}$和$Cr^{3+}$能形成可溶性氨配合物，其他常见过渡金属氢氧化物都仍为沉淀。

## 与碳酸钠的反应

由于水合离子的电荷密度和酸性不同，过渡金属离子与碳酸盐的反应取决于金属离子的电荷：

- +2价过渡金属离子形成不溶性的中性碳酸盐沉淀
- +3价过渡金属离子电荷密度高，使水合离子呈酸性。它们与碳酸盐反应生成二氧化碳气体和不溶性氢氧化物沉淀，不会生成碳酸盐。

**例题:** 比较水溶液中$Fe^{2+}$和$Fe^{3+}$与碳酸钠溶液的反应，包括实验现象和配平方程式。

1. 对于浅绿色的$Fe^{2+}$水溶液：生成浅绿色碳酸亚铁(II)沉淀：
2. $$Fe^{2+}(aq) + CO_3^{2-}(aq) \rightarrow FeCO_3(s)$$
3. 对于黄棕色的$Fe^{3+}$水溶液：观察到二氧化碳气体冒泡，生成棕色胶状氢氧化铁(III)沉淀：
4. $$2Fe^{3+}(aq) + 3CO_3^{2-}(aq) + 3H_2O(l) \rightarrow 2Fe(OH)_3(s) + 3CO_2(g)$$

## 其他常见配体交换反应

CIE 9701经常考察另外两种关键的配体交换反应，用于过渡金属离子的定性鉴别和比色法实验。

**例题:** 向浅蓝色硫酸铜(II)水溶液中加入浓盐酸，描述实验现象并书写配平的反应方程式。

1. 浓盐酸提供的高浓度$Cl^-$配体取代$Cu^{2+}$周围的水配体：
2. 溶液颜色从浅蓝色变为黄绿色，生成四氯合铜(II)配离子：
3. $$[Cu(H_2O)_6]^{2+}(aq) + 4Cl^-(aq) \rightarrow [CuCl_4]^{2-}(aq) + 6H_2O(l)$$

> **info**
>
> 检验$Fe^{3+}$离子的常用方法使用硫氰酸根（$SCN^-$）：向含$Fe^{3+}$的溶液中加入$SCN^-$会生成深红色配合物$[Fe(SCN)(H_2O)_5]$，可通过比色法测量该颜色的深度来计算$Fe^{3+}$的浓度。

## 常见错误

- **错误做法:** 认为所有过渡金属氢氧化物都溶于过量氨水
  - 原因: 只有少量过渡金属能形成稳定的可溶性氨配合物，大多数不溶解
  - 正确做法: 只有$Cu^{2+}$、$Co^{2+}$能在过量氨水中形成可溶性配合物；$Fe^{2+}$、$Fe^{3+}$、$Mn^{2+}$不能
- **错误做法:** 加入氨水时忘记描述初始沉淀
  - 原因: CIE阅卷老师要求完整的实验现象描述，包括加入过量试剂之前的变化
  - 正确做法: 必须先描述初始沉淀的生成，再描述加入过量试剂后的变化
- **错误做法:** 认为$Fe^{3+}$与碳酸钠反应生成碳酸铁(III)
  - 原因: $Fe^{3+}$电荷密度高，使水合$Fe^{3+}$呈酸性，因此碳酸盐会分解生成$CO_2$
  - 正确做法: 所有+3价过渡金属离子都生成氢氧化物沉淀和$CO_2$气体，不会生成碳酸盐
- **错误做法:** 混淆氢氧化铜(II)和四氨合铜(II)的颜色
  - 原因: CIE要求对颜色的描述准确，才能给现象题满分
  - 正确做法: 氢氧化铜(II)是浅蓝色沉淀，四氨合铜(II)是深蓝色溶液
- **错误做法:** 认为$Cr(OH)_3$溶于过量氨水
  - 原因: $Cr(OH)_3$仅对强碱显两性，不会形成可溶性氨配合物
  - 正确做法: $Cr(OH)_3$仅溶于过量浓氢氧化钠，在过量氨水中仍为沉淀

## 速查表

| 金属离子 | 氢氧化钠（稀/过量） | 氨（稀/过量） | 碳酸钠 |
| --- | --- | --- | --- |
| Cu²+（浅蓝色） | 浅蓝色沉淀，不溶 | 浅蓝色沉淀 → 深蓝色溶液 | 蓝绿色CuCO₃沉淀 |
| Fe²+（浅绿色） | 灰绿色沉淀，不溶 | 灰绿色沉淀，不溶 | 浅绿色FeCO₃沉淀 |
| Fe³+（黄棕色） | 红棕色沉淀，不溶 | 红棕色沉淀，不溶 | 棕色沉淀 + CO₂冒泡 |
| Cr³+（绿色） | 绿色沉淀 → 深绿色溶液 | 绿色沉淀，不溶 | 绿色沉淀 + CO₂冒泡 |
| Co²+（粉色） | 蓝色沉淀，不溶 | 蓝色沉淀 → 棕色溶液 | 粉色CoCO₃沉淀 |
| Mn²+（浅粉色） | 浅棕色沉淀，不溶 | 浅棕色沉淀，不溶 | 浅粉色MnCO₃沉淀 |

## 下一步

过渡金属离子的反应是CIE A-Level化学无机定性分析的核心内容，在选择题和结构化简答题中都经常考察。牢固掌握特征颜色和产物就能轻松解答鉴别题，这类题目在考试中占多个分值。本单元后续内容会讲解过渡元素的氧化还原行为和催化性质，本课题为其打下基础。

- [过渡金属的催化作用](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u21-catalysis-by-transition-metals/)
- [芳烃](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u22-overview/)
- [苯的结构](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u22-structure-of-benzene/)

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