与电荷守恒的一次亲密接触

刘羽中

离子浓度比较一直是高考化学考查的重点和难点，解决的工具是三个守恒：电荷守恒、物料守恒和质子守恒.相对来说电荷守恒是学生普遍认为最简单易懂的，所以常常被忽视，但在实际解题中不少学生只会呆板的列出电荷守恒表达式，却对其应用颇为生疏.本文将结合实例与电荷守恒来一次亲密接触.

1.“电荷守恒”和“离子浓度比较”

离子浓度比较常需要考虑电离因素或水解因素及主次，而电荷守恒也是解题的有效工具之一.

例125℃时，部分弱酸的电离平衡常数为：

Ka（HCOOH）=1.77×10-4，Ka（HCN）=4.9×10-10，Ka1（H2CO3）=4.3×10-7、Ka2（H2CO3）=5.6×10-11，下列说法错误的是（）.

A.过量CO2通入NaCN溶液中的离子方程式：2CN-+H2O+CO2→2HCN+CO2-3

B.少量HCOOH与Na2CO3溶液反应离子方程式：HCOOH+CO2-3→HCOO-+HCO-3

C.中和等体积、等pH的HCOOH和HCN消耗NaOH的量前者小于后者

D.等体积、等浓度的HCOONa和NaCN溶液中所含离子总数前者大于后者

解析由电离常数可得，酸性：HCOOH>H2CO3>HCN>HCO-3，A项产物应为HCO-3，故错误.考虑用量，B项正确.C项，等pH的HCOOH和HCN，c（HCN）大，则中和时消耗的NaOH的量多，故正确.D项，因为两溶液水解程度不同，直接比较有难度，可根据两溶液电荷守恒n（HCOO-）+n（OH-）=n（Na+）+n（H+），n（CN-）+n（OH-）=n（Na+）+n（H+），即溶液中离子总数是n（Na+）+n（H+）的2倍，CN-更易水解∴NaCN溶液中的n（H+）更小，HCOONa溶液中所含离子总数更大，故正确.

答案：A

2.“电荷守恒”+“pH=7”

在离子浓度比较中，常出现“pH=7”（常温），这也就意味着需要考虑电荷守恒.

例2常温下，将CH3COONa溶液和稀盐酸混合至溶液pH=7时，列出除水分子外其余微粒的物质的量浓度大小关系.

解析此时溶液中溶质为NaCl、CH3COONa和CH3COOH，溶液中除水分子外的微粒有：Na+、Cl-、CH3COO-、CH3COOH、H+、OH-.根据pH=7，c（CH3COOH）c（Na+）+c（H+）= c（CH3COO-）+c（OH-）+c（Cl-），将物料守恒c（CH3COO-）+c（CH3COOH）= c（Na+），及c（H+）=c（OH-）代入，即可得c（CH3COOH）=c（Cl-），整理后即可得到正确答案.

答案：c（Na+）>c（CH3COO-）>c（CH3COOH）=c（Cl-）>c（H+）=c（OH-）

例3常温下，向100 mL 0.2 mol·L-1 NaOH溶液中滴加a mol·L-1的醋酸溶液，当滴加到溶液呈中性时，此时溶液总体积为200 mL（忽略两溶液混合溶液体积的变化），若用b代表醋酸的电离常数，则原醋酸的浓度a= mol·L-1.（用含b表达式表示）

解析由题意可知，V（CH3COOH）=100mL，根据电荷守恒c（Na+）+c（H+）=c（CH3COO-）+c（OH-），且c（H+）=c（OH-），∴c（CH3COO-）=c（Na+）=0.2 mol·L-1/2=0.1 mol·L-1；再根据电离方程式

CH3COOHCH3COO-+H+；Ka=

c（CH3COO-）c（H+）c（CH3COOH）=0.1 mol·L-1×10-7mol·L-1c（CH3COOH）=b，整理可得混合后醋酸的平衡浓度c（CH3COOH）=10-8bmol·L-1，∴混合后醋酸的浓度为（10-8b+0.1）mol·L-1，考虑到体积的变化，求原醋酸的浓度只需加倍即可.

答案：2×10-8b+0.2.

3.“电荷守恒”+“浓度不等式”

离子浓度的大小比较，学生较为熟悉的套路是用电离或水解的知识来解答，但一些较为复杂的题目中，常常寓守恒于不等式中，学生常常不知如何入手.技巧是：将根据题意得到的不等式代入守恒式尤其是电荷守恒，进而转化为新的不等式.这种题型综合性较强，难度也较大.

例4常温下，向20.00 mL 0.1000 mol·L-1 （NH4）2 SO4溶液中逐滴加入

0.2000 mol·L-1NaOH时，溶液的pH与所加NaOH溶液体积的关系如图1所示（不考虑NH3·H2O分解）.下列说法正确的是（）.

图1

A.点a所示溶液中：c（NH+4）>c（SO2-4）>c（OH-） > c（H+）

B.点b所示溶液中：c（NH+4）=c（Na+） >c（H+）=c（OH-）

C.点c所示溶液中：c（SO2-4）+c（H+）=c（NH3·H2O ）+c（OH-）

D.点d所示溶液中：c（SO2-4）>c（NH3·H2O）>c（OH-）>c（NH+4）

解析A项，NH+4水解溶液呈酸性，c（H+）应大于c（OH-），故错误；

B项，根据电荷守恒：

c（NH+4）+c（Na+）+c（H+）=c（OH-）+2c（SO2-4），因为b点c（Na+）

D项，此时溶质是Na2SO4和NH3·H2O，其物质的量浓度的原始比为1∶2，虽然NH3·H2O会因为微弱电离，略有减少，但c（NH3·H2O）应大于c（SO2-4），故错误.

答案：C

4.“电荷守恒”+“物料守恒”

电荷守恒和物料守恒都是离子浓度比较中的重要工具，这也注定了在一些综合性较强的题目中两者常常组合使用，对于它们的强强组合，必须学会分析和应用.

例5下列溶液中微粒的物质的量浓度关系正确的是（）.

A.CH3COOH 溶液加水稀释后，溶液中c（H+）/c（CH3COO-） 的值减小

B.25℃时，将浓度均为0.1 mol·L-1的CH3COOH、CH3COONa两溶液等体积混合，pH=4.75，则

c（CH3COO-）+c（OH-）C.25℃时，pH=2的HCOOH与pH=12的NaOH等体积混合：c（HCOO-）+c（H+）