沉淀溶解平衡曲线的解读

高 源 高雅文

(1.山东省临沂第一中学 2.山东省临沂高新区高级中学)

化学反应原理是每年高考的重点和难点,虽然近年高考对此部分知识的考查力度相对稳定,但考查方式发生了一定的变化,因此学生要进行有针对性的复习,同时要提高对学科核心素养的重视.

1 沉淀溶解平衡曲线的常见考查方式

沉淀溶解平衡曲线能很好地考查学生应用知识的灵活性和综合性,因此备受命题者的青睐.相对于其他知识在试题情境上的创新,沉淀溶解平衡曲线类试题更偏向在坐标曲线上创新.沉淀溶解平衡图像题中涉及的化学物质一般是学生较为熟悉的(如常见的不溶性碱、卤化银等),但横纵坐标所代表的物理量往往是“陌生”的,学生在理解不透彻的情况下很容易出错.综观近年高考化学试题发现,常见的沉淀溶解平衡曲线有pH-lgc、lgc-lgc、温度—溶解度三种,图像中的lgc也常以－lgc方式呈现,因此认真审题、准确解读图像中的横纵坐标所代表的物理量是解答此类试题的关键.

2 沉淀溶解平衡曲线的求解策略

沉淀溶解平衡曲线涉及的计算量较大,学生需要先判断图像中各点的含义,明确沉淀溶解平衡常见的计算方式,然后对各问题进行逐步破解.

2.1 掌握扎实的基础知识

中学化学教学逐渐加重了对学科核心素养的培养,试题的命制也逐渐以创新为主,但本质上还是考查学生的化学基础知识和基本技能,因此深度分析试题是十分必要的.

例1(2023年全国甲卷)Fe(OH)3、Al(OH)3和Cu(OH)2在水中达沉淀溶解平衡时的pM-pH 关系如图1 所示{pM＝－lg[c(M)/(mol•L－1)];c(M)≤10－5mol•L－1可认为M 离子沉淀完全}.下列叙述正确的是( ).

A.由a点可求得Ksp[Fe(OH)3]＝10－8.5

B.pH＝4时Al(OH)3的溶解度为

C.浓度均为0.01 mol•L－1的Al3＋和Fe3＋可通过分步沉淀进行分离

D.Al3＋、Cu2＋混合溶液中c(Cu2＋)＝0.2 mol•L－1时二者不会同时沉淀

由图像可知,a点pH＝2,即c(H＋)＝10－2mol•L－1,则c(OH－)＝10－12mol•L－1,c(Fe3＋)＝10－2.5mol•L－1,所以

选项A错误.又Ksp[Al(OH)3]＝10－33,当pH＝4时,

则

即Al(OH)3的溶解度为10－3mol•L－1,选项B错误.由图像可知,Fe3＋优先沉淀,当Fe3＋沉淀完全时,,此时Qsp[Al(OH)3]＝0.01 mol•L－1×10－33.5(mol•L－1)3＝10－35.5＜Ksp[Al(OH)3]＝10－33,Al3＋还未沉淀,所以浓度均为0.01mol•L－1的Al3＋和Fe3＋可通过分步沉淀进行分离,选项C 正确.根据图像中Cu2＋的曲线可知,pH＝7时,有

由上述分析可知,Ksp[Al(OH)3]＝10－33,Al3＋沉淀完全时的mol•L－1,c(H＋)≈10－4.7mol•L－1,pH＝4.7,此时Cu2＋刚开始沉淀,c(Cu2＋)＝0.1 mol•L－1,若c(Cu2＋)＝0.2 mol•L－1＞0.1 mol•L－1,因此Al3＋、Cu2＋会同时沉淀,选项D 错误.答案为C.

溶度积的计算公式不是固定的,要依据难溶物的化学式发生相应的变化,但本质上都是溶液中离子的浓度幂之积.一定温度下溶度积常数是固定的,可依据溶液中的离子浓度判断沉淀的生成或溶解,也可以依据沉淀溶解平衡曲线计算溶液中离子的浓度.

2.2 明确交点的含义

一般情况下,沉淀溶解平衡曲线中出现交点时,图像会给出难溶物中阴离子和阳离子的浓度变化情况.当横纵坐标分别表示阴、阳离子的浓度变化时,交点表示几种难溶物中所含的阴离子或阳离子浓度相同,但由于各难溶物的溶度积计算公式可能不同,难溶物的溶度积常数不一定相等.

例2(2023年辽宁卷)某废水处理过程中始终保持H2S饱和,即c(H2S)＝0.1mol•L－1,通过调节pH 使Ni2＋和Cd2＋形成硫化物而分离,体系中pH 与－lgc关系如图2所示,c为HS－、S2－、Ni2＋和Cd2＋的浓度,单位为mol•L－1.已 知Ksp(NiS)＞Ksp(CdS),下列说法正确的是( ).

图2

A.Ksp(CdS)＝10－18.4

B.③为pH 与－lgc(HS－)的关系曲线

C.Ka1(H2S)＝10－8.1

D.Ka2(H2S)＝10－14.7

本题综合性较强,涉及沉淀溶解平衡及弱电解质的电离平衡,准确分析图像中各曲线对应的微粒是解答此题的关键.酸性较强的溶液中含硫微粒为H2S、HS－、S2－,H2S是二元弱酸,则起始阶段c(HS－)＞c(S2－),－lgc(HS－)＜－lgc(S2－),随着溶液pH 的增大,溶液的酸性减弱,c(HS－)和c(S2－)都逐渐增大,－lgc(HS－)和－lgc(S2－)都逐渐减小,c(Ni2＋)或c(Cd2＋)逐渐减小,－lgc(Ni2＋)或－lgc(Cd2＋)逐渐增大,且Ksp(NiS)＞Ksp(CdS),当c(S2－)一定时,c(Ni2＋)＞c(Cd2＋),－lgc(Ni2＋)＜－lgc(Cd2＋),故图中①②分别为pH与－lgc(Cd2＋)、－lgc(Ni2＋)的关系曲线.当pH＝4.9时,c(S2－)＝c(Cd2＋)＝10－13.0mol•L－1,Ksp(CdS)＝c(S2－)•c(Cd2＋)＝10－26.0,选项A 错误.图中③为pH与－lgc(S2－)的关系曲线,④为pH 与－lgc(HS－)的关系曲线,选项B错误.pH＝4.2时,有

选项C错误.

在判断溶液中微粒的变化曲线时,首先要依据所给信息确定起始阶段各微粒的浓度,然后依据纵坐标的变化确定各微粒浓度可能发生的变化,最后依据给出的Ksp大小确定各微粒的变化趋势.此外,此类试题还会涉及沉淀的转化,即沉淀溶液平衡的移动,当两种难溶电解质的Ksp相差较大时,Ksp大的难溶电解质会向Ksp小的转化;阴离子或阳离子相同的难溶电解质,Ksp小的先沉淀.

沉淀溶解平衡曲线图是常见的考查形式,学生要加深对其的理解和掌握.在解题时不仅要有扎实的基础知识,还要具备较强的读图分析能力,清楚图像中每条曲线代表的微粒种类,了解各微粒的变化趋势,最后灵活应用所学解决问题.

(完)