A-level 化學/AQA/模組 5/無機化合物在水溶液中的反應
路易斯酸是一種透過接受一對孤對電子而結合的物質。當金屬陽離子與配體形成配位鍵時，它們表現為路易斯酸。
路易斯鹼是一種透過捐贈一對孤對電子而結合的物質。當配體與金屬陽離子形成配位鍵時，它們表現為路易斯鹼。
大多數金屬陽離子在溶液中以六水合配合物的形式存在。主族金屬形成無色離子，但大多數過渡金屬離子是有色的。
[Fe(H2O)6]2+（淡綠色），[Co(H2O)6]2+（粉紅色），[Cu(H2O)6]2+（淡藍色），[Al(H2O)6]3+（無色），[V(H2O)6]3+（綠色），[Cr(H2O)6]3+（深藍色），[Fe(H2O)6]3+（黃色）
這些離子也以水合離子化合物的形式存在於固態中。[Co(H2O)6]2+ 以 [Co(H2O)6]Cl2 或 CoCl2.6H2O 的形式存在。六個水分子充當配體。
[Fe(H2O)6]2+ 以 [Fe(H2O)6]SO4.H2O 或 FeSO4.7H2O 的形式存在。六個水分子充當配體，第七個是結晶水。它有助於將陽離子連線到陰離子。
水溶液中的陽離子由於存在水配體而變得穩定，因為離子的電荷分佈在更大的區域上，從而降低了極化能力。
如果陽離子的電荷密度特別高，水配體中的電子密度會更靠近陽離子，水中的鍵會變弱。在這種情況下，水配體中的氫可以作為質子失去。
例如 [Fe(H2O)6]2+ == [Fe(H2O)5OH]+ + H+
這個過程被稱為去質子化。去質子化是指水配體失去質子形成羥基配體。
去質子化是由中心陽離子上的高電荷密度引起的，這會削弱水配體中的 O-H 鍵，使 H+（質子）能夠離開。
失去的質子被鹼接受。這可以是水、氫氧根離子或氨。去質子化的程度取決於鹼的強度。
水是一種弱鹼。因此，六水合配合物將表現為弱酸並部分解離。
例如 [Fe(H2O)6]2+(aq) + H2O(l) == [Fe(H2O)5(OH)]+(aq) + H3O+(aq) 例如 [Fe(H2O)6]3+(aq) + H2O(l) == [Fe(H2O)5(OH)]2+(aq) + H3O+(aq) 例如 [Cr(H2O)6]3+(aq) + H2O(l) == [Cr(H2O)5(OH)]2+(aq) + H3O+(aq) 例如 [Cu(H2O)6]2+(aq) + H2O(l) == [Cu(H2O)5(OH)]+(aq) + H3O+(aq)
因此，過渡金屬離子的水溶液呈酸性。
中心陽離子上的電荷密度越大，去質子化的程度越大，溶液的酸性越強。例如，三價鐵鹽溶液的酸性比二價鐵鹽溶液的酸性強。
如果金屬的電荷大於 +3，即使去質子化後，水合配合物和羥基配合物也不穩定。陽離子的極化能力太強，即使去質子化也不能使其穩定。它們只有在所有質子都被移除以形成含氧陰離子時才穩定。
例如 [V(H2O)6]5+、[Cr(H2O)6]6+ 和 [Mn(H2O)6]7+ 不穩定——陽離子過於極化。相反，它們分別以 VO2+ 或 VO3-、Cr2O72- 或 CrO42- 以及 MnO4- 的形式存在。
氫氧根離子是一種強鹼。它比水分子更容易從水配體中拉走質子，並且會發生不止一次去質子化。在所有情況下，都會形成水合氫氧化物。
例如 [Fe(H2O)6]2+(aq) + 2OH-(aq) == [Fe(H2O)4(OH)2](s) + 2H2O(l) 二價鐵氫氧化物 例如 [Cu(H2O)6]2+(aq) + 2OH-(aq) == [Cu(H2O)4(OH)2](s) + 2H2O(l) 二價銅氫氧化物 例如 [Cr(H2O)6]3+(aq) + 3OH-(aq) == [Cr(H2O)3(OH)3](s) + 3H2O(l) 三價鉻氫氧化物 例如 [Fe(H2O)6]3+(aq) + 3OH-(aq) == [Fe(H2O)3(OH)3](s) + 3H2O(l) 三價鐵氫氧化物 這些氫氧化物都是不溶的，因為它們是共價的。因此，當向含有過渡金屬陽離子的任何溶液中新增氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液時，會形成沉澱物。
Fe(OH)2 Co(OH)2 Cu(OH)2 Al(OH)3 Cr(OH)3 Fe(OH)3 綠色 藍色 淡藍色 白色 綠色/灰色 棕色
在某些情況下，例如（Cr3+ 和 Al3+），氫氧根離子可以去除更多的質子，形成羥基陰離子。
例如 [Cr(H2O)3(OH)3](s) + 3OH-(aq) == [Cr(OH)6]3-(aq) + 3H2O(l)
Green/grey precipitate green solution
例如 [Al(H2O)3(OH)3](s) + 3OH-(aq) == [Al(OH)6]3-(aq) + 3H2O(l)
White precipiate colourless solution
Al(OH)63- Cr(OH)63- 無色 綠色
在這種情況下，發現沉澱物在過量鹼中重新溶解，形成溶液。能夠在過量鹼中溶解的金屬氫氧化物被稱為兩性的。
有些金屬氫氧化物，如 Fe(OH)2(H2O)4 和 Fe(OH)3(H2O)3，不會溶解在過量鹼中。這些氫氧化物被稱為鹼性的。
所有沉澱物都可以透過新增酸轉化回六水合配合物：例如 [Cr(H2O)3(OH)3](s) + 3H3O+(aq) == [Cr(H2O)6]3+(aq) + 3H2O(l) 例如 [Al(H2O)3(OH)3](s) + 3H3O+(aq) == [Al(H2O)6]3+(aq) + 3H2O(l)
氨也是比水更強的鹼，因此也可以引起六水合配合物的去質子化並形成氫氧化物沉澱物。
例如 [Fe(H2O)6]2+(aq) + 2NH3(aq) == [Fe(H2O)4(OH)2](s) + 2NH4+(aq) 二價鐵氫氧化物 例如 [Cu(H2O)6]2+(aq) + 2NH3(aq) == [Cu(H2O)4(OH)2](s) + 2NH4+(aq) 二價銅氫氧化物 例如 [Cr(H2O)6]3+(aq) + 3NH3(aq) == [Cr(H2O)3(OH)3](s) + 3NH4+(aq) 三價鉻氫氧化物 例如 [Fe(H2O)6]3+(aq) + 3NH3(aq) == [Fe(H2O)3(OH)3](s) + 3NH4+(aq) 三價鐵氫氧化物
氨不是強到足以引起進一步去質子化的鹼，因此在過量氨存在的情況下不會形成羥基陰離子。
碳酸根離子是鹼，可以從 +3 離子中去質子化形成氫氧化物沉澱。碳酸根離子被轉化為二氧化碳氣體。
2[Fe(H2O)6]3+(aq) + 3CO32-(aq) à 2[Fe(H2O)3(OH)3](s) + 3CO2(g) + 3H2O(l) 2[Cr(H2O)6]3+(aq) + 3CO32-(aq) à 2[Cr(H2O)3(OH)3](s) + 3CO2(g) + 3H2O(l) 2[Al(H2O)6]3+(aq) + 3CO32-(aq) à 2[Al(H2O)3(OH)3](s) + 3CO2(g) + 3H2O(l)
然而，+2 離子不易去質子化，在碳酸根離子存在的情況下不表現出酸性。相反，它們直接與碳酸根離子形成沉澱。沒有二氧化碳產生。
[Fe(H2O)6]2+(aq) + CO32-(aq) à FeCO3(s) + 6H2O(l) [Co(H2O)6]2+(aq) + CO32-(aq) à CoCO3(s) + 6H2O(l) [Cu(H2O)6]2+(aq) + CO32-(aq) à CuCO3(s) + 6H2O(l)
FeCO3 CoCO3 CuCO3 綠色 粉紅色 藍綠色
配體交換是指在一個配合物中，一個配體被另一個配體取代的過程。許多配體能夠取代過渡金屬配合物中的水，但這裡只考慮兩種。
對於六水合配合物，氨充當鹼並促進去質子化。然而，過量的氨會與某些氫氧化物發生配體交換，用氨配體取代水和氫氧基配體。
對於 Co(H2O)4(OH)2，取代是完全的：[Co(H2O)6]2+(aq) + 2NH3(aq) == [Co(OH)2(H2O)4](s) + 2NH4+(aq) 粉紅色溶液變為藍色沉澱 [Co(H2O)4(OH)2](s) + 6NH3(aq) == [Co(NH3)6]2+(aq) + 4H2O(l) + 2OH-(aq) 藍色沉澱變為淡黃色溶液 配合物 [Co(NH3)6]2+ 在空氣中放置時被氧化為 [Co(NH3)6]3+：[Co(NH3)6]2+ 到 [Co(NH3)6]3+ + e 淡黃色溶液變為棕色溶液
對於 Cu(H2O)4(OH)2，取代是不完全的：[Cu(H2O)6]2+(aq) + 2NH3(aq) == [Cu(H2O)4(OH)2](s) + 2NH4+(aq) 淡藍色溶液變為淡藍色沉澱 [Cu(H2O)4(OH)2](s) + 4NH3(aq) == [Cu(NH3)4(H2O)2]2+(aq) + 2H2O(l) + 2OH-(aq) 淡藍色沉澱變為深藍色溶液
鉻、鐵（II）、鐵（III）和鋁的氫氧化物不溶於氨水。
緩慢地將氨新增到含有 Co2+ 和 Cu2+ 的水合配合物的溶液中，會形成氫氧化物的沉澱，該沉澱在過量的氨中重新溶解，再次形成溶液。
Co(NH3)62+ Cu(NH3)4(H2O)22+ 淡黃色 深藍色
請注意，當氨取代水作為配體時，配位數不會改變。這是因為水和氨是小的無電荷配體，因此它們不會彼此妨礙或相互排斥。因此，兩者都形成八面體配合物。
在濃鹽酸存在下，氯離子可以取代某些絡離子中的水配體，形成陰離子絡合物
[Cu(H2O)6]2+(aq) + 4Cl-(aq) == [CuCl4]2-(aq) + 6H2O(l) 淡藍色溶液 à 黃色溶液 [Co(H2O)6]2+(aq) + 4Cl-(aq) == [CoCl4]2-(aq) + 6H2O(l) 粉紅色溶液 à 藍色溶液
請注意，當氯離子取代水配體時，配位數從 6 降至 4。這是因為氯離子很大且帶負電荷，因此它們相互排斥更多，無法如此緊密地堆積在一起。
這些反應之所以有利，是因為它們會導致熵增加。等式左側有 5 個物種，右側有 7 個物種。因此，系統的熵增加。然而，這一因素被破壞更多配位鍵 (6) 被破壞而不是形成 (4)，以及氯配體形成的配位鍵不很強的事實所抵消。因此，該反應是吸熱的。
這些反應通常是可逆的，向溶液中新增水會導致氯配體被水配體取代。此反應用於檢測水；藍色氯化鈷試紙在水的存在下變為粉紅色。[CoCl4]2-(aq) + 6H2O(l) == [Co(H2O)6]2+(aq) + 4Cl-(aq)
blue pink
CoCl42- CuCl42- 藍色 綠色/黃色
多齒配體，如 H2NCH2CH2NH2、C2O42- 和 edta4-，很容易取代絡離子中的水配體。所得絡離子始終保持六配位
[Fe(H2O)6]3+(aq) + 3NH2CH2CH2NH2(aq) == [Fe(H2NCH2CH2NH2)3]3+(aq) + 6H2O(l) [Cr(H2O)6]2+(aq) + 3C2O42-(aq) == [Cr(C2O42-)3]3-(aq) + 6H2O(l) [Cu(H2O)6]2+(aq) + edta4-(aq) == [Cu(edta)]2-(aq) + 6H2O(l)
這些反應之所以有利，是因為它們會導致熵增加。等式左側的物種總比右側少。因此，系統的熵增加，並且多齒配合物比涉及單齒配體的配合物更穩定。
這被稱為螯合效應。
熵增加不會被配位數減少所抵消，因為配位數仍然是 6。
某些過渡金屬可以形成多種具有相同氧化態的物種，例如 Cr2O72-(aq) 和 CrO42-(aq)，或 VO3-(aq) 和 VO2+(aq)
物種的穩定性通常取決於溶液的 pH 值——每個金屬離子氧含量較少的物種在酸性溶液中穩定，而每個金屬離子氧含量較多的物種在鹼性溶液中穩定。兩種物種可以透過新增酸或鹼來相互轉化
2CrO42-(aq) + 2H+(aq) à Cr2O72-(aq) + H2O(l)
yellow orange
Cr2O72-(aq) + 2OH-(aq) à 2CrO42-(aq) + H2O(l) 橙色 黃色
VO3-(aq) + 2H+(aq) à VO2+(aq) + H2O(l)
yellow
VO2+(aq) + 2OH-(aq) à VO3-(aq) + 2H2O(l) 黃色
許多反應都伴隨著明顯的顏色變化。下表總結了發生的顏色的變化
離子 存在 NH3 或 NaOH，但不超過 過量 NaOH 過量 NH3 濃 HCl Na2CO3 [Fe(H2O)6]2+ 淡綠色溶液 髒綠色沉澱 不溶解 不溶解 - 綠色沉澱（碳酸鹽） [Al(H2O)6]3+ 無色溶液 白色沉澱 無色溶液 不溶解 - 白色沉澱（氫氧化物） [Cr(H2O)6]3+ 淡綠色溶液 淡綠色沉澱 綠色溶液 不溶解 - 淡綠色沉澱（氫氧化物） [Fe(H2O)6]3+ 黃色溶液 棕色沉澱 不溶解 不溶解 - 棕色沉澱（氫氧化物） [Co(H2O)6]2+
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(放置後變暗) 藍色溶液 粉紅色沉澱（碳酸鹽） [Cu(H2O)6]2+ 藍色溶液 淡藍色沉澱 不溶解 深藍色溶液 黃色溶液 藍綠色沉澱（碳酸鹽）