电解质溶液中三种守恒关系的应用
2014-03-26田洪亚
田洪亚
电解质溶液中三种守恒关系是中学化学电解质溶液理论部分重要知识.从近几年高考命题不难看出，这是每年必考的内容.从高考题难度分析，历年高考题以中档题、较难题为主，重点考查学生的分析能力，题型主要为选择题.学生在复习时，如何把握好溶液中的三大守恒关系，尤其是有等量关系的微粒浓度问题，常常感到无从下手或者混淆这些问题，导致做题时常常出错，若能掌握好这三种守恒关系，这类问题便迎刃而解.解题时，首先，根据题意分析确定溶液中的溶质成分；其次，列出溶液中发生变化的离子方程式（如电离、水解等），利用题给数据分析比较各粒子浓度的大小关系；然后再根据物料守恒、电荷守恒、质子守恒原理列出有关恒等关系，对照题目作出准确的判断.
一、物料守恒
在反应前后，某物质在溶液中可能离解成多种粒子，或者因化学反应而生成多种粒子的产物，在平衡状态时，该物质的各粒子浓度之和必然等于该物质的分析浓度，这一规律称为物料平衡（或质量平衡）.它的数学表达式叫做物料等衡式或质量等衡式.
例1 写出0.1 mol/L·NaHCO3，溶液的物料等衡式t
分析 NaHCO3（0.1 mol/L）在溶液中存在如下关系：
NaHCO3Na++HCO-3
HCO-3+H2OH2CO3+OH-
HCO-3H++CO2-3
溶质在溶液中存在的粒子有Na+，HCO-3，H2CO3，CO2-3四种.根据物料平衡规律平衡时有如下关系：c（Na+）=0.1 mol/L，c（H2CO3）+c（HCO2-3）+c（CO2-3）=0.1 mol/L.
即：c（Na+）=c（H2CO3）+c（HCO-3）+c（CO2-3）
=0.1 mol/L
在电解质溶液中，由于某些离子能够水解，离子种类增多，但某些关键性的原子总是守恒的.此类元素守恒题中各粒子之间的关系一般为：c（不变化的离子）=c（变化的离子）+c（水解后生成的弱电解质）+c（电离所得二元弱酸根离子）
例2 写出Na2CO3，溶液的物料等衡式
分析 在Na2CO3溶液中存在如下关系：
Na2CO32Na++CO2-3
CO2-3+H2OHCO-3+OH-
HCO-3+H2OH2CO3+OH-
故碳元素以HCO-3，H2CO3，CO2-3三种形式存在.且钠原子数目是碳原子数目的二倍.它们之间有如下守恒关系：c（Na+）=2c（H2CO3）+2c（HCO-3）+2c（CO2-3）
二、电荷守恒
电解质溶于水时，当处于平衡状态时，无论发生什么变化，溶液中正电荷的总数必等于负电荷总数，即溶液总是电中性的，这一规律称为电荷守恒.它的数学表达式叫电荷等衡式.
例3 写出NaHCO3在溶液中的电荷等衡式分析：溶液中带正电荷的离子有Na+，H+，个带有1个单位的正电荷；带负电荷的离子有OH-，HCO-3，CO2-3，前两者各带有1个单位的负电荷，后者带有2个单位的负电荷.根据电荷守恒，则NaHCO3溶液的电荷等衡式为：
c（Na+）+c（H+）=c（HCO-3）+c（OH-）+2c（CO2-3）
三、质子守恒
即酸碱反应达到平衡时，酸（含广义酸）失去质子（H+）的总数等于碱（或广义碱）得到的质子（H+）总数.这种得失质子（H+）数相等的关系就称为质子守恒.
质子守恒研究对象主要是电解质溶液的溶剂水，是指溶液中由水电离出来的H+和OH-总是相等的〔c（H+）=c（OH-）〕，质子守恒式反应了电解质溶液中分子或离子得失质子（H+）的物质量相等的一种数学关系，其数学表达式称为质子等衡式.
例4 写出Na2CO3溶液的质子等衡式，
分析 在其溶液中与质子转移有关的组分有：CO2-3，H2O，H2CO3， HCO-3，H3O+，OH-.可确定为CO2-3，H2O为参考水准.
与质子参考水准相比，H2CO3是由参考水准得两个质子而来，HCO-3是由参考水准得一个质子而来；H3O+是由参考水准得一个质子而来，OH-是由参考水准失去一个质子而来.
故Na2CO3溶液的质子等衡式为：
c（H3O+）+c（HCO-3）+2c（H2CO3）=c（OH-）
或c（H ）+c（HCO-3）+2c（H2CO3）=c（OH-）
例5 写出NH4H2PO4溶液的质子等衡式，
分析 与质子转移有关的组分有：NH+4，H2PO-4， H2O，H3PO4， H3O+，NH3，HPO2-4，PO3-4， OH-；可选择质子参考水准为NH+4，H2PO-4，H2O，这样可以直接写出质子等衡式为：
c（H+）+c（H3PO4）=c（OH-）+c（NH3）+c（HPO2-4）+2c（PO3-4）
学生在做习题时，常会遇到微粒浓度有等量关系的题目.此时，利用三种守恒式解题简便快捷，一切问题便迎刃而解.
例6 在0.1 mol/L·CH3COONa溶液中，下列关系不正确的是（ ）.
A.c（Na+）>c（CH3COO-）>c（OH-）>c（CH3COOH）>c（H+）
B.c（Na+）=c（CH3COO-）+c（CH3COOH）
C.c（Na+）+c（OH-）=c（CH3COO-）+2c（CH3COOH）+c（H+）
D.c（Na+）>c（OH-）=c（CH3COOH）>c（CH3COO-）>c（H+）
解析 CH3COONa溶液中存在如下关系：
CH3COONa=CH3COO-+Na+
CH3COO-+H2O=CH3COOH+OH-
H2O=H++OH-
故可知A正确，D不正确.
据三种等衡式（1）物料等衡式：c（Na+）=c（CH3COO-）+c（CH3COOH）=0.1 mol/L故B正确.（2）电荷等衡式：c（Na+）+c（H+）=c（CH3COO-）+c（OH-）
（3）质子等衡式：c（H+）+c（CH3COOH）=c（OH-）
（1）（3）合并得C正确.故本题答案为D.
例7 下列浓度关系正确的是（ ）.
A. 氯水中：c（Cl2）=2[c（ClO-）+c（Cl-）+c（HClO）]
B. 氯水中：c（Cl-）>c（H+ ）>c（OH-）>c（ClO-）
C. 等体积等浓度的氢氧化钠与醋酸混合：c（Na+）=c（CH3COO-）
D. Na2CO3溶液中：c（Na+）>c（CO2-3）>c（OH-）>c（HCO-3）>c（H+ ）
解析 根据氯水中所含粒子的种类可知氯水中也含有氯气分子，A设置了一个貌似物料守恒的式子而忽视了氯气分子的存在，故A错；根据Cl2+H2OHClO+H++Cl-，HCl完全电离 而HClO部分电离，可知正确的顺序c（H+）>c（Cl-）>c（ClO-）>c（OH-），B错；C项等物质的量的强碱与弱酸混合生成强碱弱酸盐溶液显碱性c（OH-）>c（H+），再根据溶液中电荷守恒可以判断c（Na+）>c（CH3COO-） ；
答案：D正确
综上所述，利用上述三大关系解题，避免了许多中间换算，使问题简单化，更易被学生接受，且比较直接，也容易理解掌握；符合思维过程，即化繁为简的思维方式，是解决问题的捷径.
电解质溶液中三种守恒关系是中学化学电解质溶液理论部分重要知识.从近几年高考命题不难看出，这是每年必考的内容.从高考题难度分析，历年高考题以中档题、较难题为主，重点考查学生的分析能力，题型主要为选择题.学生在复习时，如何把握好溶液中的三大守恒关系，尤其是有等量关系的微粒浓度问题，常常感到无从下手或者混淆这些问题，导致做题时常常出错，若能掌握好这三种守恒关系，这类问题便迎刃而解.解题时，首先，根据题意分析确定溶液中的溶质成分；其次，列出溶液中发生变化的离子方程式（如电离、水解等），利用题给数据分析比较各粒子浓度的大小关系；然后再根据物料守恒、电荷守恒、质子守恒原理列出有关恒等关系，对照题目作出准确的判断.
一、物料守恒
在反应前后，某物质在溶液中可能离解成多种粒子，或者因化学反应而生成多种粒子的产物，在平衡状态时，该物质的各粒子浓度之和必然等于该物质的分析浓度，这一规律称为物料平衡（或质量平衡）.它的数学表达式叫做物料等衡式或质量等衡式.
例1 写出0.1 mol/L·NaHCO3，溶液的物料等衡式t
分析 NaHCO3（0.1 mol/L）在溶液中存在如下关系：
NaHCO3Na++HCO-3
HCO-3+H2OH2CO3+OH-
HCO-3H++CO2-3
溶质在溶液中存在的粒子有Na+，HCO-3，H2CO3，CO2-3四种.根据物料平衡规律平衡时有如下关系：c（Na+）=0.1 mol/L，c（H2CO3）+c（HCO2-3）+c（CO2-3）=0.1 mol/L.
即：c（Na+）=c（H2CO3）+c（HCO-3）+c（CO2-3）
=0.1 mol/L
在电解质溶液中，由于某些离子能够水解，离子种类增多，但某些关键性的原子总是守恒的.此类元素守恒题中各粒子之间的关系一般为：c（不变化的离子）=c（变化的离子）+c（水解后生成的弱电解质）+c（电离所得二元弱酸根离子）
例2 写出Na2CO3，溶液的物料等衡式
分析 在Na2CO3溶液中存在如下关系：
Na2CO32Na++CO2-3
CO2-3+H2OHCO-3+OH-
HCO-3+H2OH2CO3+OH-
故碳元素以HCO-3，H2CO3，CO2-3三种形式存在.且钠原子数目是碳原子数目的二倍.它们之间有如下守恒关系：c（Na+）=2c（H2CO3）+2c（HCO-3）+2c（CO2-3）
二、电荷守恒
电解质溶于水时，当处于平衡状态时，无论发生什么变化，溶液中正电荷的总数必等于负电荷总数，即溶液总是电中性的，这一规律称为电荷守恒.它的数学表达式叫电荷等衡式.
例3 写出NaHCO3在溶液中的电荷等衡式分析：溶液中带正电荷的离子有Na+，H+，个带有1个单位的正电荷；带负电荷的离子有OH-，HCO-3，CO2-3，前两者各带有1个单位的负电荷，后者带有2个单位的负电荷.根据电荷守恒，则NaHCO3溶液的电荷等衡式为：
c（Na+）+c（H+）=c（HCO-3）+c（OH-）+2c（CO2-3）
三、质子守恒
即酸碱反应达到平衡时，酸（含广义酸）失去质子（H+）的总数等于碱（或广义碱）得到的质子（H+）总数.这种得失质子（H+）数相等的关系就称为质子守恒.
质子守恒研究对象主要是电解质溶液的溶剂水，是指溶液中由水电离出来的H+和OH-总是相等的〔c（H+）=c（OH-）〕，质子守恒式反应了电解质溶液中分子或离子得失质子（H+）的物质量相等的一种数学关系，其数学表达式称为质子等衡式.
例4 写出Na2CO3溶液的质子等衡式，
分析 在其溶液中与质子转移有关的组分有：CO2-3，H2O，H2CO3， HCO-3，H3O+，OH-.可确定为CO2-3，H2O为参考水准.
与质子参考水准相比，H2CO3是由参考水准得两个质子而来，HCO-3是由参考水准得一个质子而来；H3O+是由参考水准得一个质子而来，OH-是由参考水准失去一个质子而来.
故Na2CO3溶液的质子等衡式为：
c（H3O+）+c（HCO-3）+2c（H2CO3）=c（OH-）
或c（H ）+c（HCO-3）+2c（H2CO3）=c（OH-）
例5 写出NH4H2PO4溶液的质子等衡式，
分析 与质子转移有关的组分有：NH+4，H2PO-4， H2O，H3PO4， H3O+，NH3，HPO2-4，PO3-4， OH-；可选择质子参考水准为NH+4，H2PO-4，H2O，这样可以直接写出质子等衡式为：
c（H+）+c（H3PO4）=c（OH-）+c（NH3）+c（HPO2-4）+2c（PO3-4）
学生在做习题时，常会遇到微粒浓度有等量关系的题目.此时，利用三种守恒式解题简便快捷，一切问题便迎刃而解.
例6 在0.1 mol/L·CH3COONa溶液中，下列关系不正确的是（ ）.
A.c（Na+）>c（CH3COO-）>c（OH-）>c（CH3COOH）>c（H+）
B.c（Na+）=c（CH3COO-）+c（CH3COOH）
C.c（Na+）+c（OH-）=c（CH3COO-）+2c（CH3COOH）+c（H+）
D.c（Na+）>c（OH-）=c（CH3COOH）>c（CH3COO-）>c（H+）
解析 CH3COONa溶液中存在如下关系：
CH3COONa=CH3COO-+Na+
CH3COO-+H2O=CH3COOH+OH-
H2O=H++OH-
故可知A正确，D不正确.
据三种等衡式（1）物料等衡式：c（Na+）=c（CH3COO-）+c（CH3COOH）=0.1 mol/L故B正确.（2）电荷等衡式：c（Na+）+c（H+）=c（CH3COO-）+c（OH-）
（3）质子等衡式：c（H+）+c（CH3COOH）=c（OH-）
（1）（3）合并得C正确.故本题答案为D.
例7 下列浓度关系正确的是（ ）.
A. 氯水中：c（Cl2）=2[c（ClO-）+c（Cl-）+c（HClO）]
B. 氯水中：c（Cl-）>c（H+ ）>c（OH-）>c（ClO-）
C. 等体积等浓度的氢氧化钠与醋酸混合：c（Na+）=c（CH3COO-）
D. Na2CO3溶液中：c（Na+）>c（CO2-3）>c（OH-）>c（HCO-3）>c（H+ ）
解析 根据氯水中所含粒子的种类可知氯水中也含有氯气分子，A设置了一个貌似物料守恒的式子而忽视了氯气分子的存在，故A错；根据Cl2+H2OHClO+H++Cl-，HCl完全电离 而HClO部分电离，可知正确的顺序c（H+）>c（Cl-）>c（ClO-）>c（OH-），B错；C项等物质的量的强碱与弱酸混合生成强碱弱酸盐溶液显碱性c（OH-）>c（H+），再根据溶液中电荷守恒可以判断c（Na+）>c（CH3COO-） ；
答案：D正确
综上所述，利用上述三大关系解题，避免了许多中间换算，使问题简单化，更易被学生接受，且比较直接，也容易理解掌握；符合思维过程，即化繁为简的思维方式，是解决问题的捷径.
电解质溶液中三种守恒关系是中学化学电解质溶液理论部分重要知识.从近几年高考命题不难看出，这是每年必考的内容.从高考题难度分析，历年高考题以中档题、较难题为主，重点考查学生的分析能力，题型主要为选择题.学生在复习时，如何把握好溶液中的三大守恒关系，尤其是有等量关系的微粒浓度问题，常常感到无从下手或者混淆这些问题，导致做题时常常出错，若能掌握好这三种守恒关系，这类问题便迎刃而解.解题时，首先，根据题意分析确定溶液中的溶质成分；其次，列出溶液中发生变化的离子方程式（如电离、水解等），利用题给数据分析比较各粒子浓度的大小关系；然后再根据物料守恒、电荷守恒、质子守恒原理列出有关恒等关系，对照题目作出准确的判断.
一、物料守恒
在反应前后，某物质在溶液中可能离解成多种粒子，或者因化学反应而生成多种粒子的产物，在平衡状态时，该物质的各粒子浓度之和必然等于该物质的分析浓度，这一规律称为物料平衡（或质量平衡）.它的数学表达式叫做物料等衡式或质量等衡式.
例1 写出0.1 mol/L·NaHCO3，溶液的物料等衡式t
分析 NaHCO3（0.1 mol/L）在溶液中存在如下关系：
NaHCO3Na++HCO-3
HCO-3+H2OH2CO3+OH-
HCO-3H++CO2-3
溶质在溶液中存在的粒子有Na+，HCO-3，H2CO3，CO2-3四种.根据物料平衡规律平衡时有如下关系：c（Na+）=0.1 mol/L，c（H2CO3）+c（HCO2-3）+c（CO2-3）=0.1 mol/L.
即：c（Na+）=c（H2CO3）+c（HCO-3）+c（CO2-3）
=0.1 mol/L
在电解质溶液中，由于某些离子能够水解，离子种类增多，但某些关键性的原子总是守恒的.此类元素守恒题中各粒子之间的关系一般为：c（不变化的离子）=c（变化的离子）+c（水解后生成的弱电解质）+c（电离所得二元弱酸根离子）
例2 写出Na2CO3，溶液的物料等衡式
分析 在Na2CO3溶液中存在如下关系：
Na2CO32Na++CO2-3
CO2-3+H2OHCO-3+OH-
HCO-3+H2OH2CO3+OH-
故碳元素以HCO-3，H2CO3，CO2-3三种形式存在.且钠原子数目是碳原子数目的二倍.它们之间有如下守恒关系：c（Na+）=2c（H2CO3）+2c（HCO-3）+2c（CO2-3）
二、电荷守恒
电解质溶于水时，当处于平衡状态时，无论发生什么变化，溶液中正电荷的总数必等于负电荷总数，即溶液总是电中性的，这一规律称为电荷守恒.它的数学表达式叫电荷等衡式.
例3 写出NaHCO3在溶液中的电荷等衡式分析：溶液中带正电荷的离子有Na+，H+，个带有1个单位的正电荷；带负电荷的离子有OH-，HCO-3，CO2-3，前两者各带有1个单位的负电荷，后者带有2个单位的负电荷.根据电荷守恒，则NaHCO3溶液的电荷等衡式为：
c（Na+）+c（H+）=c（HCO-3）+c（OH-）+2c（CO2-3）
三、质子守恒
即酸碱反应达到平衡时，酸（含广义酸）失去质子（H+）的总数等于碱（或广义碱）得到的质子（H+）总数.这种得失质子（H+）数相等的关系就称为质子守恒.
质子守恒研究对象主要是电解质溶液的溶剂水，是指溶液中由水电离出来的H+和OH-总是相等的〔c（H+）=c（OH-）〕，质子守恒式反应了电解质溶液中分子或离子得失质子（H+）的物质量相等的一种数学关系，其数学表达式称为质子等衡式.
例4 写出Na2CO3溶液的质子等衡式，
分析 在其溶液中与质子转移有关的组分有：CO2-3，H2O，H2CO3， HCO-3，H3O+，OH-.可确定为CO2-3，H2O为参考水准.
与质子参考水准相比，H2CO3是由参考水准得两个质子而来，HCO-3是由参考水准得一个质子而来；H3O+是由参考水准得一个质子而来，OH-是由参考水准失去一个质子而来.
故Na2CO3溶液的质子等衡式为：
c（H3O+）+c（HCO-3）+2c（H2CO3）=c（OH-）
或c（H ）+c（HCO-3）+2c（H2CO3）=c（OH-）
例5 写出NH4H2PO4溶液的质子等衡式，
分析 与质子转移有关的组分有：NH+4，H2PO-4， H2O，H3PO4， H3O+，NH3，HPO2-4，PO3-4， OH-；可选择质子参考水准为NH+4，H2PO-4，H2O，这样可以直接写出质子等衡式为：
c（H+）+c（H3PO4）=c（OH-）+c（NH3）+c（HPO2-4）+2c（PO3-4）
学生在做习题时，常会遇到微粒浓度有等量关系的题目.此时，利用三种守恒式解题简便快捷，一切问题便迎刃而解.
例6 在0.1 mol/L·CH3COONa溶液中，下列关系不正确的是（ ）.
A.c（Na+）>c（CH3COO-）>c（OH-）>c（CH3COOH）>c（H+）
B.c（Na+）=c（CH3COO-）+c（CH3COOH）
C.c（Na+）+c（OH-）=c（CH3COO-）+2c（CH3COOH）+c（H+）
D.c（Na+）>c（OH-）=c（CH3COOH）>c（CH3COO-）>c（H+）
解析 CH3COONa溶液中存在如下关系：
CH3COONa=CH3COO-+Na+
CH3COO-+H2O=CH3COOH+OH-
H2O=H++OH-
故可知A正确，D不正确.
据三种等衡式（1）物料等衡式：c（Na+）=c（CH3COO-）+c（CH3COOH）=0.1 mol/L故B正确.（2）电荷等衡式：c（Na+）+c（H+）=c（CH3COO-）+c（OH-）
（3）质子等衡式：c（H+）+c（CH3COOH）=c（OH-）
（1）（3）合并得C正确.故本题答案为D.
例7 下列浓度关系正确的是（ ）.
A. 氯水中：c（Cl2）=2[c（ClO-）+c（Cl-）+c（HClO）]
B. 氯水中：c（Cl-）>c（H+ ）>c（OH-）>c（ClO-）
C. 等体积等浓度的氢氧化钠与醋酸混合：c（Na+）=c（CH3COO-）
D. Na2CO3溶液中：c（Na+）>c（CO2-3）>c（OH-）>c（HCO-3）>c（H+ ）
解析 根据氯水中所含粒子的种类可知氯水中也含有氯气分子，A设置了一个貌似物料守恒的式子而忽视了氯气分子的存在，故A错；根据Cl2+H2OHClO+H++Cl-，HCl完全电离 而HClO部分电离，可知正确的顺序c（H+）>c（Cl-）>c（ClO-）>c（OH-），B错；C项等物质的量的强碱与弱酸混合生成强碱弱酸盐溶液显碱性c（OH-）>c（H+），再根据溶液中电荷守恒可以判断c（Na+）>c（CH3COO-） ；
答案：D正确
综上所述，利用上述三大关系解题，避免了许多中间换算，使问题简单化，更易被学生接受，且比较直接，也容易理解掌握；符合思维过程，即化繁为简的思维方式，是解决问题的捷径.
