由碳酸氢钠溶液中离子浓度的大小排序引起的思考

明正球

摘要：利用平衡常数详细计算了一定浓度的碳酸氢钠溶液中，各离子的浓度大小，并对离子的浓度进行了大小排序，得到了出乎意料的答案，并将推导方法应用到解决其它弱酸酸式盐溶液中离子浓度大小的排序问题，得到了一般化的结论。

关键词：酸式盐溶液；离子浓度；电离常数；高中化学

文章编号：1008-0546（2017）03-0075-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.03.026

有关碳酸氢钠溶液中离子浓度的大小排序，给出的答案通常是：c（Na+）>c（HCO3-）>c（OH-）>c（H+）>

c（CO32-） 或者c（Na+）>c（HCO3-）>c（OH-）>c（CO32-）>

c（H+），也即，c（CO32-）、c（H+）的相对大小争议较大，由于“HCO3-H++CO32-，加上水也会电离出少量氢离子，所以认为c（H+）>c（CO32-）的情况较多，笔者也见到了在大部分参考书中，给出的答案都是c（Na+）>

c（HCO3-）>c（OH-）>c（H+）>c（CO32-），事实果真如此吗？

笔者是一名中学化学教师，在中学有限的条件下，无法利用高端仪器直接检测离子的浓度大小，所以，本文想利用平衡常数，通过计算获得碳酸氢钠溶液中的离子浓度大小的排序，并得到有关酸式盐溶液中离子浓度大小的一般规律。

一、计算推导

我们取常温下0.1mol/L的碳酸氢钠溶液作为研究对象，设各离子浓度分别如下：

c（H+） = x mol/L

c（OH-） = y mol/L

c（H2CO3）= w mol/L

c（CO32-）= z mol/L

根据常温下水的离子积常数KW= c（H+）× c（OH-）= 10-14，也即 ：

xy=10-14 （1）

通过查表获得常温下碳酸的电离常数，Ka1=4.45×10-7，Ka2=4.7×10-11，代入数据，即：

=4.45×10-7（2）

=4.7×10-11（3）

依据溶液中的电荷守恒，可知：c （Na+）+x=2z+y+（0.1-z-w），0.1mol/L的碳酸氢钠溶液中c（Na+）=0.1mol/L，代入整理，即：

x = z+y-w（4）

联立上述的（1）（2）（3）（4），可解得：

x = c（H+）= 4.58×10-9 mol/L

y = c（OH-）= 2.18×10-6mol/L

w= c（H2CO3）= 0.0010081 mol/L

z = c（CO32-）= 0.0010059 mol/L

即：c（H2CO3）> c（CO32-） > c（OH-）>c（H+），在不作任何近似处理的情况下，仅仅是利用平衡常数进行计算，获得了与之前完全不一样的结果，在碳酸氢钠溶液中，CO32-的浓度居然如此之大，是OH-浓度的几百倍，是H+浓度的几万倍！结论几乎难以置信，我又采用类似的计算方法，推导了常温下1mol/L的碳酸氫钠溶液中，离子浓度的相对大小：

由于HCO3-的电离和水解都很微弱，溶液中HCO3- 的浓度近似可看成原碳酸氢钠溶液的浓度，只要所取的溶液不是极稀，HCO3-的浓度不是极小，都能满足4700×c（HCO3-）>1，也即CO32-的浓度大于OH-的浓度。

综上所述，只要不是极小的浓度，在碳酸氢钠溶液中，离子浓度的大小关系均为：c（Na+）>c（HCO3-）>

c（CO32-）>c（OH-）>c（H+）。

二、反思

通过计算，得出了与预想完全不一样的结论，仔细分析，说明在讨论碳酸氢钠溶液中离子的浓度大小问题时，不能只考虑HCO3-H++CO32-、H2OH++OH-，其实在这个体系中存在多个平衡，除了之前考虑的，还有HCO3-+H2OH2CO3+OH- ，氢离子、氢氧根离子同时也在结合成水……考虑不全可能会得到有偏差的答案。因此，用平衡常数来求算是更为客观的处理方法，而且，利用平衡常数求算溶液中离子的浓度大小问题，不仅仅适用于碳酸氢钠溶液，也可以推广为其它溶液。

三、弱酸酸式盐溶液中离子的浓度大小问题

我们采用类似的方法，求算其它酸式盐溶液中的离子浓度大小，为了简化计算过程，作适当的近似处理。

取a mol/L的NaHA溶液 （H2A为二元弱酸），查表可获得H2A的一级电离常数，记为Ka1，二级电离常数，记为Ka2，水的离子积常数记为Kw。溶液中最多的离子为Na+，其次为HA- ，依据：Kw= c（H+）× c（OH-），所以c（OH-）=，再根据Ka2=，因HA-的水解电离都很微弱，所以将其浓度近似看为a mol/L，代入并整理为：c （A2-） =，所以：=，从这个表达式可以看出，在弱酸的酸式盐NaHA的溶液中，c（OH-）与c（A2-）的相对大小不能一概而论，其比值受水的离子积常数、溶液的浓度，以及弱酸电离常数的影响，我们可以取常温下的溶液举例来看，例如，0.1mol/L的NaHS溶液，其Ka2=7.1×10-15，此时，>1，所以，在该NaHS溶液中，c（OH-）>c（S2-），得到了与同浓度的碳酸氢钠溶液不一样的结论。通过推导，我们可以发现，多元弱酸本身的电离常数，特别是其二级电离常数对结果的影响很大，还可以利用这个表达式将结论推广到其它酸式盐溶液，不再一一赘述。

四、结论

弱酸的酸式盐溶液中，离子浓度的大小问题，受弱酸本身电离常数的影响，也受溶液本身浓度大小的影响，严格来说还受水的离子积常数的影响，这样的溶液体系中存在多个电离、水解平衡，直接考虑比较复杂，也容易片面，比较严谨的方法是利用平衡常数进行推导和计算，在研究有关电离、水解、离子浓度大小等问题时，平衡常数几乎是万能的处理方法。推导过程，如果直接计算比较繁琐，可以在掌握原理的基础上合理的近似，简化计算过程，在不必大量运算的前提下，得到合理客观的答案。

溶液中的平衡问题在高中化学的教与学中始终是比较复杂的知识点，如果我们在处理有关平衡的问题时，能够尽量利用平衡常数的定量计算，解决定性问题，将会使得抽象的思维过程变得具体化，从而得到更加接近事实的结论。

参考文献

[1] 许文.浅议溶液中微粒浓度大小的比较[J].化学教学，2013（9）：72-73