基于“证据推理与模型认知”的“离子浓度大小比较”

周诗良

(云南师范大学附属中学,云南 昆明 650106)

“证据推理与模型认知”是化学学科核心素养的重要组成部分[1],是对学生进入更高级层次、提升化学关键能力的一种素养要求;“证据推理”是基于证据对物质组成、结构及变化提出可能的假设,通过分析推理证实或证伪,是科学实践活动中的思维核心,“模型认知”是通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系,建立认知模型,并能运用模型解释化学现象,揭示现象的本质和规律的一种认知方法.溶液中离子浓度大小的比较是高考化学的一个重要题型,其所涉知识和电解质溶液中的电离平衡、盐类水解平衡等知识有关.在这类题目的解题中,厘清其知识脉络,把握其知识本质,形成模型认知素养,有利于学生理解与辨析能力、分析与推测能力、归纳与论证能力、探究与创新能力等等的培养和锻炼,有利于学生解题能力的提高.

1溶液中离子浓度大小比较的基本原理

1.1 电离平衡

在无机水溶液中,一般弱电解质(弱酸、弱碱)的电离度都很小,大多都少于10%,故其中的离子浓度都是小于其电解质分子浓度的.如在1 mol/L的醋酸溶液中,各微粒浓度大小顺序是c(CH3COOH)>c(H+)>c(CH3COO-)>c(OH-),这是因为:

其一,醋酸是一种弱弱酸,其电离度较小,故有c(CH3COOH)>c(H+);

其三,又因为该溶液毕竟是酸性溶液,则其中c(OH-)应是最小的离子浓度,故必有c(CH3COO-)>c(OH-).

其余的弱酸或弱碱溶液亦是如此!

1.2 水解平衡

弱电解质的盐溶液中,水解程度都很小,其中水解产生的离子的浓度是小于其电解质离子浓度的.如在1 mol/L的醋酸钠溶液中,各离子浓度大小顺序是c(Na+)>c(CH3COO-)>c(OH-)>c(H+).这是因为:

其二,从水解离子方程式来看,因OH-是水解产物,而水解程度很小,故有c(CH3COO-)>c(OH-);

其三,又因为醋酸钠溶液毕竟呈碱性(因为强碱弱酸盐水解呈碱性),故有c(OH-)>c(H+).

其余弱电解质的盐(强酸弱碱盐或强碱弱酸盐)溶液亦是如此!

1.3 电荷守恒

电荷守恒是指,在任何电解质溶液都有“正电荷总数=负电荷总数”.如:

在1 mol/L的醋酸钠溶液中有:

c(Na+)+c(H+)=c(CH3COO-)+c(OH-)

在1 mol/L的碳酸钠溶液中有:

1.4 物料守恒

物料守恒是指,在电解质溶液中,某种原子在电离前后或水解前后其总数守恒.如:

在醋酸钠溶液中有:

c(Na+)=c(CH3COO-)+c(CH3COOH)

在碳酸钠溶液中有:

1.5 质子守恒

质子守恒是指,在溶液中水的H+以及得到水的H+的微粒数目之和,和水的OH-以及得到水的OH-的微粒数目之和相等.如:

在醋酸钠溶液中有:

c(H+)+c(CH3COOH)=c(OH-)

在碳酸钠溶液中有:

在NH4Cl溶液中有:

c(H+)=c(OH-)+c(NH3·H2O)

2 题型研究

2.1 一般水解离子浓度大小的比较

例1 HA为酸性略强于醋酸的一元弱酸,在0.1 mol·L-1NaA溶液中,离子浓度关系正确的是( ).

A．c(Na+)>c(A-)>c(H+)>c(OH-)

B．c(Na+)>c(OH-)>c(A-)>c(H+)

C．c(Na+)+c(OH-)=c(A-)+c(H+)

D．c(Na+)+c(H+)=c(A-)+c(OH-)

解析HA是弱酸,A-会水解,而Na+不会水解,所以有c(Na+)>c(A-),NaA是强碱弱酸盐,水解呈碱性(c(H+)c(OH-)不成立,所以选项A错误;

因电荷守恒,NaA溶液中有c(Na+)+c(H+)=c(A-)+c(OH-),所以选项C错误,而选项D正确.

答案:D.

2.2 多元弱酸盐溶液离子浓度大小的比较

例2 在Na2CO3的水溶液中存在着多种离子和分子,下列关系不正确的是( ).

①

②

所以选项C不成立,应为本题答案.

点评凡带等号(=)的离子浓度的判断,要不是电荷守恒,要不就是物料守恒,要不就是电荷守恒和物料守恒的综合考虑结果;若既不是电荷守恒,也不是物料守恒,也不是电荷守恒和物料守恒的综合考虑结果,则其一定是不成立的等式!

2.3 碱性酸式盐溶液离子浓度大小的比较

例3 表示0.1 mol/L NaHCO3溶液中有关微粒的浓度关系式正确的是( ).

答案:CD.

2.4 酸性酸式盐溶液离子浓度大小的比较

例4 草酸是二元弱酸,草酸氢钾溶液呈酸性.在0.1 mol·L-1KHC2O4溶液中,下列关系正确的是( ).

答案:CD.

2.5 两种溶液混合不反应离子浓度的比较

例5 用物质的量都是0.1 mol的CH3COOH和CH3COONa配制成1 L混合溶液,已知其中c(CH3COO-)大于c(Na+),对该混合溶液的下列判断正确的是( )

A．c(H+)>c(OH-)

B．c(CH3COOH)+c(CH3COO-)=0.2 mol·L-1

C．c(CH3COOH)>c(CH3COO-)

D．c(CH3COO-)+c(OH-)=0.1 mol·L-1

解析因为电荷守恒,所以有c(Na+)+c(H+)=c(CH3COO-)+c(OH-),而据题意可知c(CH3COO-)>c(Na+),所以有c(H+)>c(OH-),故选项A正确;

因为物料守恒,故此时溶液中有c(CH3COO-)+c(CH3COOH)=2c(Na+)=0.2mol·L-1,所以故选项B正确;

因为电荷守恒,所以有c(CH3COO-)+c(OH-)=c(Na+)+c(H+)>c(Na+)=0.1 mol·L-1,即c(CH3COO-)+c(OH-)>0.1 mol·L-1,故选项D错误.

答案:AB.

2.6 两种物质恰好完全反应离子浓度的比较

例6 下列混合液中,各离子浓度的大小顺序正确的是( ).

A．10 mL 0.1 mol·L NH4Cl溶液与5 mL 0.2 mol/L NaOH溶液混合:c(Na+)>c(Cl-)>c(OH-)>c(H+)

C．10 mL 0.1 mol/L CH3COOH溶液与5 mL 0.2 moL/L NaOH溶液混合:c(Na+)>c(CH3COO-)>c(OH-)>c(H+)

D．10 mL 0.5 mol/L CH3COONa溶液与6 mL 1 moL/L盐酸混合:c(Cl-)>c(Na+)>c(OH-)>c(H+)

答案:C.

2.7 两种物质反应,其中一种有剩余,离子浓度的比较

例7 把0.02 mol·L-1HAc(醋酸)溶液与0.01 mol/L NaOH溶液等体积混合,则混合液中微粒浓度关系正确的是( )(已知,醋酸的电离平衡常数Ka=1.75×10-5)

A.c(Ac-)>c(Na+)

B.2c(H+)=c(Ac-)-c(HAc)

C.c(HAc)>c(Ac-)

D.c(HAc)+c(Ac-)=0.01 mol·L-1

解析把0.02 mol·L-1HAc(醋酸)溶液与0.01 mol/L NaOH溶液等体积混合后,相当于得到等浓度(0.005 mol/L)的NaAc、HAc的混合溶液,又因为醋酸的电离平衡常数Ka=1.75×10-5,则NaAc(或Ac-)的水解常数Kh=Kw/Ka=(1×10-14)/(1.75×10-5)=(1/1.75)×10-9,故可知醋酸Ka(HAc)≫Kh(NaAc),即醋酸(HAc)的电离程度远大于醋酸钠(NaAc)的水解程度,所以此混合溶液呈酸性,即c(H+)>c(OH-),再根据溶液中电荷守恒c(Na+)+c(H+)=c(Ac-)+c(OH-)可知c(Ac-)>c(Na+),所以选项A正确;“2c(H+)=c(Ac-)-c(HAc)”既不是电荷守恒,也不是物料守恒,所以可以先写出电荷守恒和物料守恒的等式,再将二者进行综合处理(如叠加、或叠减、或代入法等),便可知结果:

电荷守恒:

c(Na+)+c(H+)=c(Ac-)+c(OH-)

①

物料守恒:

2c(Na+)=c(Ac-)+c(HAc)

②

①×2-②可得:

2c(H+)=c(Ac-)+2c(OH-)-c(HAc)

所以所以选项B不正确;

因Ka(HAc)≫Kh(NaAc),醋酸(HAc)的电离程度远大于醋酸钠(NaAc)的水解程度,所以c(HAc)

因为物料守恒有c(Ac-)+c(HAc)=2c(Na+)=2×(0.01 mol/L ÷2)=0.01 mol/L,故选项D正确.

答案:AD.

例8 将pH=3的盐酸和pH=11的氨水等体积混合后,溶液中离子浓度关系正确的是( ).

解析因为“pH酸+pH碱=14,V酸=V碱,强酸与弱碱混合,则最后溶液呈碱性”,所以有c(H+)

当然,据上述可知选项C、D也不正确.

答案:B.

例9(全国理综卷Ⅰ·10)用0.1 mol·L-1的盐酸滴定0.1 mol·L-1的氨水,在滴定过程中不可能出现的结果是( ).

答案:C.

例10 常温下,用0.100 0 mol·L-1NaOH溶液滴定20.00 mL 0.100 0 mol·L-1CH3COOH溶液所得滴定曲线如图1所示.下列说法正确的是( ).

图1

A．点①所示溶液中:

c(CH3COO-)+c(OH-)=c(CH3COOH)+c(H+)

B．点②所示溶液中:

c(Na+)=c(CH3COOH)+c(CH3COO-)

C．点③所示溶液中:

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

D．滴定过程中可能出现:

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

解析据题意可知,点①相当于是等浓度的CH3COOH和CH3COONa的混合溶液,据电荷守恒有c(Na+)+c(H+)=c(CH3COO-)+c(OH-),据物料守恒有2c(Na+)=c(CH3COO-)+c(CH3COOH),联合电荷守恒、物料守恒二等式可得2c(H+)+c(CH3COOH)=c(CH3COO-)+2c(OH-),所以可知选项A错误;

c(Na+)=c(CH3COOH)+c(CH3COO-)为CH3COONa的物料守恒等式,如题图示可知点②所示溶液pH=7,故此时溶液不可能恰好只是CH3COONa溶液,因此作为CH3COONa的物料守恒等式c(Na+)=c(CH3COOH)+c(CH3COO-)不能成立,所以可知选项B错误;

如题图示可知,点③所示溶液恰好为CH3COONa,故c(Na+)>c(OH-)>c(CH3COO-)>c(H+)中c(OH-)>c(CH3COO-)不能成立,因为此时OH-是CH3COO-的水解产物,水解程度很小,水解产物要远小于反应物浓度,所以可知选项C错误;

从题意可知,本题主要要注意的点有四个点——反应的起点、①点(反应了一半的点)、②点(溶液呈中性pH=7)、③点(反应恰好完全的点),依次分析四个点可知,在反应起点附近所加NaOH很少,故肯定c(CH3COOH)>c(CH3COO-),且c(H+)>c(Na+),当然此时NaOH的OH-一定被中和反应掉,故c(Na+)>c(OH-),再根据电荷守恒c(Na+)+c(H+)=c(CH3COO-)+c(OH-)可知有c(CH3COO-)>c(H+),所以有c(CH3COOH)>c(CH3COO-)>c(H+)>c(Na+)>c(OH-)!故选项D正确.

答案:D.