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高频考查的四类离子平衡图像

2016-11-19兰建祥

中学生理科应试 2016年4期
关键词:醋酸电离微粒

兰建祥

物质在水溶液中的行为涉及化学平衡、电离平衡、溶解平衡等多种平衡,高考常借助图像对此进行综合考查,现将其中高频考查的几种离子平衡图像进行归类分析.

一、与Kw和Ksp有关的图像

1.两个变量为浓度的反比例函数图像

例1(2013年大纲全国卷)图1表示水中c(H+)和c(OH-)的关系,下列判断错误的是( ).

A.两条曲线间任意点均有c(H+)·c(OH-)=Kw

B.M区域内任意点均有c(H+)

C.图中T1

D.XZ线上任意点均有pH=7

解析水电离出的c(H+)与c(OH-)的乘积为一常数,A对;由图可看出M区域内c(H+)T1,C对;XZ线上任意点的c(H+)=

c(OH-),但pH不一定为7,D错.选D.

规律点拨

(1)若某平衡体系中两种离子浓度之积为一常数,即c(Mx+)·c(Mx-)=k,则c(An+)与c(Bn-)的关系为反比例函数图像.

(2)此类图像常见于:水溶液中c(H+)·

c(OH-)=Kw、难溶电解质

MN的溶解平衡中c(Mx+)·c(Mx-)=Ksp.

2.两个变量为离子浓度负对数的直线型图像

例2(2013年山东)某温度下,向一定体积0.1 mol·L-1的醋酸溶液中逐滴加入等浓度的NaOH溶液,溶液中pOH(pOH=-lgc(OH-)与pH的变化关系如图2所示,则( ).

A.M点所示溶液的导电能力强于Q点

B.N点所示溶液中c(CH3COO-)>c(Na+)

C.M点和N点所示溶液中水的电离程度相同

D.Q点消耗NaOH溶液的体积等于醋酸溶液的体积

解析由于醋酸是弱酸,电离程度很小,离子浓度也较小,在滴加NaOH溶液的过程中,溶液中离子浓度变大,则M点溶液的导电能力比Q点弱,A错;N点溶液呈碱性,根据电荷守恒易判断出此时c(OH-)>c(H+),则c(CH3COO-)

规律点拨

(1)将等式c(Mx+)·c(Mx-)=k两边取负对数得[-lgc(Mx+)]+[-lgc(Mx-)]=-lgk,即p(Mx+)+p(Mx-)=-lgk,可见p(Mx+)与p(Mx-)的关系图像为直线(如图3所示).

(2)此类图像常见于:水溶液中pH+pOH=

-lg Kw,AgCl型难容物沉淀平衡中pc(Ag+)+pc(Cl-)=-lg Ksp.

3.浓度(溶解度)-pH图像

例3(2010年山东)某温度下,Fe(OH)3(s)、Cu(OH)2(s)分别在溶液中达到沉淀溶解平衡后,改变溶液pH,金属阳离子浓度的变化如图4所示.据图分析,下列判断错误的是( ).

A.Ksp[Fe(OH)3]

B.加适量NH4Cl固体可使溶液由a点变到b点

C.c、d两点代表的溶液中c(H+)与c(OH-)乘积相等

D.Fe(OH)3、Cu(OH)2分别在b、c两点代表的溶液达到饱和

解析b、c点时,Ksp[Fe(OH)3]=c(Fe3+)·

c3(OH-)=c(Fe3+)·(10-12.7)3,Ksp[Cu(OH)2]=c(Cu2+)·c2(OH-)=c(Cu2+)·(10-9.6)2,因

c(Fe3+)=c(Cu2+),则Ksp[Fe(OH)3]Ksp,要析出沉淀, D对.选B.

规律点拨

(1)若某平衡体系中两离子浓度幂之积为一常数,即c(Mx+)·c(Mx-)=k,则c(Mx+)与c(Mx-)的函数关系和图像较为复杂.

以Cu(OH)2为例.在Cu(OH)2饱和溶液中存在关系c(Cu2+)·c2(OH-)=Ksp,则c(Cu2+)=(Ksp/k2w)·c2(H+),令t=-lgc(H+)=pH,则

c(H+)=1/10t,代入得c(Cu2+)=(Ksp/ k2w) ·10-2t,可见,c(Cu2+)与pH为指数函数关系,其图像为渐降型曲线.

(2)此类图像常见于研究溶液中金属离子浓度与pH的关系.

二、强酸与弱酸的比较图像

1.比较稀释后pH的变化情况

例4(2010·重庆)pH=2的两种一元酸x和y,体积均为100 mL,稀释过程中pH与溶液体积的关系如图5所示.分别滴加NaOH溶液(c=0.1 mol·L-1)至pH=7,消耗NaOH溶液的体积为Vx、Vy,则( ).

A.x为弱酸,VxVy

C.y为弱酸,VxVy

解析由图知,将一元酸x和y分别稀释10倍,pH的变化量ΔpHx=1,ΔpHy<1,所以x为强酸,y为弱酸.pH=2时弱酸y的浓度大,滴加NaOH至pH=7时需NaOH溶液的体积y要比x大.选C.

规律点拨

(1)相同体积、相同浓度的盐酸与醋酸:加水稀释相同的倍数,醋酸的pH大;加水稀释到相同的pH,盐酸加入的水多(如图6所示).

(2)相同体积、相同pH值的盐酸与醋酸:加水稀释相同的倍数,盐酸的pH大;加水稀释到相同的pH,醋酸加入的水多(如图7所示).

2.比较与金属的反应

例5(2010·大纲全国卷Ⅱ)相同体积、相同pH的某一元强酸溶液①和某一元中强酸溶液②分别与足量的锌粉发生反应,下列关于氢气体积(V)随时间(t)变化的示意图正确的是( ).

解析同体积、同pH时,中强酸溶液的浓度大于强酸溶液的浓度,故中强酸与足量的锌粉反应产生的氢气较多;起始时两溶液中c(H+)相同,随反应的进行,中强酸会继续电离出H+,在相同时间内,②的反应速率比①快.选C.

规律点拨

(1)相同体积、相同浓度的盐酸和醋酸:加入足量的Zn,产生H2的体积(V)随时间(t)的变化图像(如图8所示).

(2)相同体积、相同pH值的盐酸和醋酸:加入足量的Zn,产生H2的体积(V)随时间(t)的变化图像(如图9所示).

三、滴定图像

例6(2014年海南)室温下,用0.100 mol·L-1 NaOH溶液分别滴定20.00 mL 0.100 mol·L-1 的盐酸和醋酸,滴定曲线如图10所示,下列说法正确的是( ).

A.Ⅱ 表示的是滴定醋酸的曲线

B.pH=7时,滴定醋酸消耗V(NaOH)小于20mL

C.V(NaOH) =20 mL时,两份溶液中c(Cl-)= c(CH3COO-)

D.V(NaOH)=10 mL时,醋酸溶液中:c(Na+)>c(CH3COO-)>c(H+ )>c(OH-)

解析0.100 mol·L-1盐酸的pH=1,0.100 mol·L-1醋酸pH>1,故Ⅱ表示的是滴定盐酸的曲线, A错;滴定醋酸时,若V(NaOH)=20 mL,生成的醋酸钠因水解呈碱性,则pH=7时,滴定醋酸消耗V(NaOH)小于20 mL,B对;V(NaOH)=20 mL时,两份溶液中恰好反应分别生成氯化钠和醋酸钠,因CH3COO-水解,则c(Cl-)>c(CH3COO-),C错;V(NaOH)=10 mL时,得到的是等浓度的CH3COOH与CH3COONa的混合溶液,由于CH3COOH的电离大于CH3COO-的水解,则

c(CH3COO-)>c(Na+)>c(H+)>c(OH-).选B.

规律点拨

(1)抓住“三个关键点”:

①起点(即V=0时):据此确定起始时c(H+)、 c(OH-)或酸、碱的强弱;

②化学计量点:即恰好按照反应方程式的计量关系反应;

③中性点:即pH=7时.

(2)用好“三个守恒”:根据溶液的组成,运用物料守恒、电荷守恒与质子守恒确定有关粒子的浓度关系.

四、多元体系的平衡图像

例7(2012年江苏)25℃时,有c(CH3COOH)+c(CH3COO-)=0.1 mol·L-1的一组醋酸、醋酸钠混合溶液,溶液中c(CH3COOH)、c(CH3COO-)与pH的关系如图11所示.下列有关溶液中离子浓度关系的叙述正确的是( ).

A.pH=5.5的溶液中:c(CH3COOH)>c(CH3COO-)>c(H+)>c(OH-)

B.W点所表示的溶液中:c(Na+)+c(H+)=c(CH3COOH)+c(OH-)

C.pH=3.5 的溶液中:c(Na+)+c(H+)-c(OH-)+c(CH3COOH)=0.1 mol·L-1

D.向W点所表示的1.0 L溶液中通入0.05 mol HCl气体(溶液体积变化可忽略):c(H+)=

c(CH3COOH)+c(OH-)

解析由图像可知,在W点时,pH=4.75,溶液中c(CH3COO-)=c(CH3COOH)=0.050 mol·L-1,pH<4.75时,c(CH3COOH)>c(CH3COO-),pH>4.75时,c(CH3COOH)

c(OH-)=c(CH3COO-),又因c(CH3COO-)+c(CH3COOH)=0.1 mol·L-1,故C对.D项中,W点所表示的溶液中有0.050 mol的CH3COOH和

0.050 mol的CH3COO-,通入0.05 mol HCl气体后发生反应CH3COONa+HCl=CH3COOH+NaCl,得到的是CH3COOH和NaCl的混合溶液,此时的溶液中,由质子守恒得c(H+)=c(CH3COO-)+c(OH-),D错.选BC.

规律点拨

(1)此类图像反映的都是pH对有关微粒存在的影响,影响的原因是pH的变化使相关微粒之间的平衡发生移动.如在CH3COOH溶液中,存在平衡CH3COOHH++CH3COO-,增大pH值,使平衡右移,则c(CH3COOH)减小,

c(CH3COO-)增大;反之,降低pH值,平衡左移,c(CH3COOH)增大,c(CH3COO-)减小.

(2)在某个平衡体系中,尽管有关微粒的浓度随着平衡的移动而发生变化,但依据物料守恒,相关微粒的浓度之和却保持不变,如0.1 mol·L-1的CH3COOH溶液中,无论如何调节溶液pH的大小,始终存在c(CH3COOH)+c(CH3COO-)=0.1 mol·L-1.

(3)这类图像的本质就是用图像的形式表达pH对溶液中有关平衡的影响,因而解题的关键是认真查看图像,明白pH对不同微粒存在的影响以及如何影响(即pH变化时,微粒间如何转化,pH对微粒间相互转化的化学平衡如何影响);利用物料守恒、质子守恒推断有关微粒物质的量浓度的关系;联系弱电解质的电离平衡、弱酸盐或弱碱盐的水解平衡、难容电解质的溶解平衡的理论综合分析有关问题.

(收稿日期:2016-02-12)

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