过渡金属离子的反应

化学· 第21单元：过渡元素· 15 分钟阅读

1. 与氢氧化钠水溶液的反应★★☆☆☆⏱ 5 min

📘 定义

不溶性过渡金属氢氧化物

当氢氧化钠水溶液提供 $O H^{-}$ 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 $C u^{2 +}$ 会形成浅蓝色的 $C u (O H)_{2} (s)$ 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 $C r^{3 +}$ 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
$Cr(OH)_3(s) + 3OH^-(aq) \rightarrow [Cr(OH)_6]^{3-}(aq)$

Exam tip:

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。

2. 与氨水溶液的反应★★★☆☆⏱ 6 min

氨水既作为碱（与水电离产生 $O H^{-}$ ）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。

📘 定义

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
$Cu(OH)_2(s) + 4NH_3(aq) \rightarrow [Cu(NH_3)_4]^{2+}(aq) + 2OH^-(aq)$

3. 与碳酸钠的反应★★★☆☆⏱ 4 min

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 $F e^{2 +}$ 和 $F e^{3 +}$ 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 $F e^{2 +}$ 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 $F e^{3 +}$ 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
$2Fe^{3+}(aq) + 3CO_3^{2-}(aq) + 3H_2O(l) \rightarrow 2Fe(OH)_3(s) + 3CO_2(g)$

4. 其他常见配体交换反应★★★★☆⏱ 5 min

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 $C l^{-}$ 配体取代 $C u^{2 +}$ 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
$[Cu(H_2O)_6]^{2+}(aq) + 4Cl^-(aq) \rightarrow [CuCl_4]^{2-}(aq) + 6H_2O(l)$

5. 常见陷阱

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 $C u^{2 +}$ 、 $C o^{2 +}$ 能在过量氨水中形成可溶性配合物； $F e^{2 +}$ 、 $F e^{3 +}$ 、 $M n^{2 +}$ 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 $F e^{3 +}$ 与碳酸钠反应生成碳酸铁(III)

原因:

$F e^{3 +}$ 电荷密度高，使水合 $F e^{3 +}$ 呈酸性，因此碳酸盐会分解生成 $C O_{2}$

正确做法:

所有+3价过渡金属离子都生成氢氧化物沉淀和 $C O_{2}$ 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 $C r (O H)_{3}$ 溶于过量氨水

原因:

$C r (O H)_{3}$ 仅对强碱显两性，不会形成可溶性氨配合物

正确做法:

$C r (O H)_{3}$ 仅溶于过量浓氢氧化钠，在过量氨水中仍为沉淀

6. 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

真题中的出现

AI 根据考纲规律估算的考点位置,请对照官方真题核实准确性。仅作复习重点参考。

2022 · 2
根据反应鉴别过渡金属离子
2023 · 4
书写配体交换反应的方程式
2021 · 1
碳酸盐反应选择题

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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。