黃生芳 周立芳

摘要：運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)、電離平衡與水解平衡、電荷守恒物料守恒和質(zhì)子守恒對溶液中的粒子成分、粒子間數(shù)量的關(guān)系進(jìn)行分析，運(yùn)用宏微結(jié)合的思想，能幫助學(xué)生精確而高效解決離子濃度大小比較問題.

關(guān)鍵詞：離子濃度;高考熱點(diǎn);高中化學(xué)

中圖分類號：G632文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1008-0333（2022）16-0139-04

溶液中離子濃度的大小比較是歷年高考的重點(diǎn)內(nèi)容，也是日常教學(xué)中研究的熱點(diǎn)問題，涉及化學(xué)中的微粒觀、變化觀、守恒觀，是學(xué)生學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)內(nèi)容.大部分學(xué)生的思維障礙主要集中在宏微分離且不會表示，發(fā)現(xiàn)變化但不善于抓住變化中的守恒關(guān)系.如何幫助學(xué)生運(yùn)用一定認(rèn)知模型分析此部分的內(nèi)容，并做到思路清晰，結(jié)果判斷不出錯呢？筆者根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出“一原理、二理論、三守恒”的認(rèn)知模型.

1 模型解析

1.1 “一原理”

原理即化學(xué)反應(yīng)原理.要想理解溶液中微粒間的濃度大小，前提是找出溶液中存在的各種微粒，而想要準(zhǔn)確判斷溶液中微粒的種類，前提條件是準(zhǔn)確分析溶液中溶質(zhì)的成分.對于已知的單一溶液，學(xué)生能迅速判斷溶質(zhì)，如醋酸溶液的溶質(zhì)為CH3COOH、氨水的溶質(zhì)為NH3·H2O、氯化銨溶液的溶質(zhì)為NH4Cl，而混合溶液則需要根據(jù)溶質(zhì)間的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行溶質(zhì)成分分析.如：

①將等濃度等體積的NaOH溶液與HCl溶液混合：在此體系中，氫氧化鈉與鹽酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（化學(xué)方程式如下），生成等物質(zhì)的量的氯化鈉，此時溶液的溶質(zhì)則不再是NaOH、HCl而是NaCl.

NaOH+HClNaCl+H2O

②將物質(zhì)的量之比為1∶1的HCl溶液與Na2CO3溶液混合：在此體系中，HCl與Na2CO3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)方程式如下，生成碳酸氫鈉與氯化鈉，此時溶液的溶質(zhì)是碳酸氫鈉與氯化鈉而不僅只是氯化鈉.

Na2CO3+HClNaCl+NaHCO3

③向20mL 0.1mol/L CH3COOH溶液中滴加

0.1mol/L NaOH溶液，滴定曲線如圖1所示.

點(diǎn)A時溶液中未加入氫氧化鈉，此時溶質(zhì)為CH3COOH;

點(diǎn)B時加入了10mL 0.1mol/L的NaOH溶液，此時氫氧化鈉與醋酸按1∶1的比例發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成等濃度的CH3COONa，同時溶液中還剩下一半的CH3COOH未參與反應(yīng)，因此，此時溶液對應(yīng)的溶質(zhì)為CH3COONa、CH3COOH兩種物質(zhì)，且兩者物質(zhì)的量濃度之比為1∶1;

點(diǎn)C時，溶液pH=7，呈中性，由于醋酸為弱酸，且由圖1可知，此時溶液中還存在醋酸分子，此時溶液中的溶質(zhì)依舊是CH3COONa、CH3COOH兩種物質(zhì)，但醋酸鈉的物質(zhì)的量濃度大于醋酸的物質(zhì)的量濃度;

點(diǎn)D時，加入20mL 0.1mol/L NaOH溶液，兩者恰好完全反應(yīng)，因此溶液中的溶質(zhì)為CH3COONa.

1.2 “二理論”

理論即電離理論與水解理論，弱電解質(zhì)在水溶液中會發(fā)生電離（微弱），弱酸的陰離子（弱堿的陽離子）則會結(jié)合水中的氫離子（氫氧根）生成弱電解質(zhì)（微弱），從而影響離子的濃度.如：

案例1同濃度的NH4Cl溶液、NH4HSO4溶液、氨水中NH+4濃度的大小比較.

（1）NH4Cl溶液

a： NH4Cl電離：NH4ClNH+4+Cl-

b：NH+4水解：NH+4+H2ONH3·H2O+H+

（2）NH4HSO4溶液

a： NH4HSO4電離：

NH4HSO4NH+4+H++SO2-4

b：NH+4水解：

NH+4+H2ONH3

瘙 簚

H2O + H+

（3）氨水

a：NH3·H2O電離：

NH3·H2ONH+4+OH-（微弱）

如上所示，等濃度的NH4Cl溶液、NH4HSO4溶液完全電離生成等濃度的NH+4，同時，銨根離子發(fā)生水解 ，由于NH4HSO4電離出了H+，因此，NH4HSO4溶液中銨根離子的水解受到了抑制，因此NH4Cl溶液中的銨根離子的濃度小于NH4HSO4溶液中銨根離子的濃度，而NH3·H2O的電離是微弱的，因此銨根離子濃度大小為

c（NH+4）（ NH4HSO4）>c（NH+4）（NH4Cl）>c（NH+4）（NH3·H2O）

案例20.1mol/L Na2CO3溶液中離子濃度大小關(guān)系.

a：碳酸鈉在水溶液中電離：

Na2CO32Na++CO2-3

b：水自身電離：H2OH++OH-（極弱）

c：碳酸根離子的水解：

CO2-3+H2OHCO-3+OH-（主）

HCO-3+H2OH2CO3+OH-（次）

由此可得在碳酸鈉的水溶液中存在Na+、CO2-3、HCO-3、H+、OH- 5種離子，由化學(xué)計(jì)量關(guān)系可知c（Na+）=2c（CO2-3），因此c（Na+）>c（CO2-3），CO2-3水解生成HCO-3、CO2-3，水解是微弱的且第一步水解為主，因此c（CO2-3）>c（HCO-3），從電離水解方程式中可以看出OH-的來源有三部分，因此c（CO2-3）>c（OH-）>c（HCO-3）>c（H+），所以該溶液中離子濃度大小為c（Na+）>c（CO2-3）>c（OH-）>c（HCO-3）>c（H+）.

案例30.1mol/L NaHCO3溶液.

a：碳酸氫鈉在水溶液中電離：

NaHCO3Na++HCO-3

b：碳酸氫根離子電離：

HCO-3H++CO2-3（弱）

c：水自身電離：

H2OH++OH-（弱）

d：碳酸根離子水解：

HCO-3+H2OH2CO3+OH-（弱）

由此可得在碳酸氫鈉的水溶液中存在Na+、CO2-3、HCO-3、H+、OH- 5種離子.由化學(xué)計(jì)量關(guān)系可知c（Na+）=c（HCO-3），又因?yàn)镠CO-3既能水解也能電離，因此c（Na+）>c（HCO-3），HCO-3水解生成H2CO3、OH-，HCO-3電離生成CO2-3，由于HCO-3水解程度大于電離程度，所以c（OH-）>c（H+），從電離、水解方程式中可以看出H+的來源有兩部分，因此c（CO2-3）<c（H+），所以該溶液中離子濃度大小為c（Na+）>c（HCO-3）>c（OH-）>c（H+）>c（CO2-3）.

案例40.1mol/L NaHSO3溶液.

a：亞硫酸氫鈉在水溶液中電離：

NaHSO3Na++HSO-3

b：亞硫酸氫根離子電離：HSO-3H++SO2-3（弱）

c：水自身電離：H2OH++OH-（弱）

d：亞硫酸根離子水解：

HSO-3+H2OH2SO3+OH-（弱）

由此可得在亞硫酸氫鈉的水溶液中存在Na+、SO2-3、HSO-3、H+、OH- 5種離子.由化學(xué)計(jì)量關(guān)系可知c（Na+）=c（HSO-3），又因?yàn)镠SO-3既能水解也能電離因此c（Na+）>c（HSO-3），HSO-3水解生成H2SO3、OH-，HSO-3電離生成SO2-3，由于HSO-3水解程度大于電離程度，所以c（OH-）<c（H+），從電離、水解方程式中可以看出OH-的來源有兩部分，因此c（SO2-3）<c（OH-），所以該溶液中離子濃度大小為c（Na+）>c（HSO-3）>c（H+）>c（OH-）>c（SO2-3）.

1.3 “三守恒”

“三守恒”即電荷守恒、物料守恒、質(zhì)子守恒.利用守恒可以判斷溶液中的等量關(guān)系，在具體應(yīng)用判斷時還需關(guān)注不同守恒關(guān)系式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn).

1.3.1 電荷守恒

電解質(zhì)溶液總是呈中性的，因此溶液中陽離子所帶正電荷數(shù)等于陰離子所帶的負(fù)電荷數(shù).如：

（1）Na2CO3溶液

Na2CO3溶液中存在的離子為Na+、CO2-3、HCO-3、H+、OH-，1個碳酸根帶2個單位的正電荷，因此，該溶液的電荷守恒為：

c（Na+）+c（H+）

c（OH-）+c（HCO-3）+2c（CO2-3）

（2）CH3COONa溶液

該混合溶液中存在的離子為Na+、CH3COO-、H+、OH-，因此，該溶液的電荷守恒為：

c（Na+）+c（H+）c（OH-）+c（CH3COO-）

1.3.2 物料守恒（元素守恒）

在電解質(zhì)溶液中，某些離子發(fā)生水解或電離可能引起某些元素的存在形式發(fā)生變化，但變化前后各元素的原子個數(shù)保持不變（不考慮氧元素和氫元素）.如：

（1）0.1mol/LNa2SO3溶液

亞硫酸鈉溶液在水溶液中完全電離：

Na2SO32Na++SO2-3

由此可知，

c（Na元素）/c（S元素）=2/1即

c（Na元素）=2c（S元素），鈉元素的存在形式為Na+，亞硫酸根發(fā)生水解，因此硫元素的存在形式為：SO2-3、HSO-3、H2SO3，所以有2[c（SO2-3）+c（HSO-3）+c（H2SO3）]=c（Na+）=0.2mol/L.

（2）0.1mol/LNaHSO3溶液

亞硫酸氫鈉在水溶液中電離：

NaHSO3Na++HSO-3

由此可知，c（Na元素）/c（S元素）=1即c（Na元素）=c（S元素），鈉元素的存在形式為Na+，硫元素的存在形式為：SO2-3、HSO-3、H2SO3，所以有c（SO2-3）+c（HSO-3）+c（H2SO3）=c（Na+）=0.1mol/L.

（3）等濃度Na2SO3溶液、NaHSO3溶液混合

同理可得：

c（Na元素）/c（S元素）=3/2

即：2c（Na元素）=3c（S元素）

2c（Na+）=3[c（SO2-3）+c（HSO-3）+c（H2SO3）]

1.3.3 質(zhì)子守恒

水電離出來的氫離子和水電離出來的氫氧根的濃度相等.質(zhì)子守恒等式較為復(fù)雜，一般不讓學(xué)生直接書寫，而是通過電荷守恒與物料守恒疊加得到.如：

（1）Na2CO3溶液存在如下等量關(guān)系：

電荷守恒：c（Na+）+c（H+）=c（OH-）+c（HCO-3）+2c（CO2-3）

物料守恒：2c（HCO-3）+2c（CO2-3）+2c（H2CO3）=c（Na+）

兩式相加得質(zhì)子守恒：c（H+）+c（HCO-3）+2c（H2CO3）=c（OH-）

（2）NaHCO3溶液存在如下等量關(guān)系：

電荷守恒：c（Na+）+c（H+）=c（OH-）+c（HCO-3）+2c（CO2-3）

物料守恒：c（HCO-3）+c（CO2-3）+c（H2CO3）=c（Na+）

兩式相加得質(zhì)子守恒：c（H+）+c（H2CO3）=c（OH-）+c（CO2-3）

1.4 小結(jié)

“一原理”即根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理，準(zhǔn)確分析溶液中溶質(zhì)的成分.“二理論”即根據(jù)電離理論與水解理論判斷各離子在水溶液中的行為.“三守恒”即根據(jù)電荷守恒、物料守恒、質(zhì)子守恒判斷溶液中的等量關(guān)系.

2 模型應(yīng)用

例1常溫下，用0.1000mol/LNaOH溶液滴定20.00mL 0.1000mol/L CH3COOH溶液所得滴定曲線如圖2所示，下列說法正確的是（）.

A.點(diǎn)a所示溶液中：

c（CH3COO-）+c（OH-）=c（CH3COOH）+c（H+）

B.點(diǎn)b所示溶液中：

c（Na+）=c（CH3COOH）+c（CH3COO-）

C.點(diǎn)c所示溶液中：

c（Na+）>c（OH-）>c（CH3COO-）>c（H+）

D.滴定過程中可能出現(xiàn)：

c（CH3COOH）>c（CH3COO-）>c（H+）>c（Na+）>c（OH-）

例2向2L 0.1mol/L的NaOH溶液中通入448mL（標(biāo)準(zhǔn)狀況）CO2，所得溶液離子濃度大小正確（）.

A.c（Na+）>c（HCO-3）>c（H2CO3）>c（OH-）>c（CO2-3）>c（H+）

B.c（Na+）+c（H+）=c（HCO-3）+c（OH-）+c（CO2-3）

C.c（Na+）=c（H2CO3）+c（HCO-3）+c（CO2-3）+c（OH-）

D.c（OH-）>c（H2CO3）>c（H+）>c（CO2-3）

例2用物質(zhì)的量都是0.01mol的HCN和NaCN配成1L混合溶液，已知其中c（CN-）<c（Na+）對溶液的下列判斷不正確的是（）.

A.c（H+）>c（OH-）

B.c（OH-）>c（H+）

C.c（HCN）=c（CN-）

D.c（HCN）+c（CN-）=0.02mol/L

答案：例1D;例2D;例3A

參考文獻(xiàn)：

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[2] 吳滿生.離子濃度大小比較的四步曲＼[J＼].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2019（10）：62-63.

[責(zé)任編輯：季春陽]