基于模型建构的水溶液中微粒分布系数的解题策略

沈瑞杉

(福建省泉州市丰泽区教师进修学校)

1.问题的提出

水溶液体系中微粒的分布系数是在缓冲溶液认知的基础上衍生出来的知识点,是近几年全国高考试题考查的热点内容。考题以各微粒的分布系数图像为载体,通过分析各分布系数曲线的变化、交点的含义,考查体系中微粒浓度的大小、溶液pH的计算等,考查学生的读图能力、信息提取加工和分析推理的能力。在高考复习备考中,帮助学生建立相应的分析解题模型,对学生掌握相关知识点及培养学生证据推理与模型认知的学科核心素养有重要作用。

2.建构分布系数图像分析模型

2.1 认识分布系数

在水溶液体系中存在着多种微粒,平衡状态下微粒的浓度称为平衡浓度,各种微粒的平衡浓度之和称为总浓度,某一微粒的平衡浓度占总浓度的分数即该微粒的分布系数,通常以δ表示。

当溶液的pH发生变化时,平衡发生移动,溶液中各微粒的分布情况也随之变化,分布系数(δ)与溶液pH间的关系曲线称为分布曲线。

2.2 一元弱酸体系

图1 CH3COOH体系中各微粒的分布系数与pH的关系图

图中,δ1=δ(CH3COOH),δ2=δ(CH3COO-)

经过计算分析可以发现:

(1)各微粒分布系数(δ)只与pH有关,与微粒总浓度无关;

(2)当δ(CH3COOH)=δ(CH3COO-),即A点时,c(H+)=Ka,pH=pKa,这与利用Ka表达式所推导的结果是一致的。

2.3 二元弱酸体系

图2 H2C2O4体系中各微粒的分布系数与pH的关系图

同上推理可得:

经过计算分析可以发现,

2.4 三元弱酸体系

图3 H3PO4体系中各微粒的分布系数与pH的关系图

同上推理可得:

与二元弱酸体系的计算方法相同,经过计算分析可以发现,

(1)A点,pH1=pKa1=2.12;B点,pH2=pKa2=7.2;C点,pH3=pKa3=12.36;

2.5 分析模型

(1)一元弱酸体系有一个交点、两条曲线,交点的pH=pKa;

(2)二元弱酸体系有两个交点、三条曲线,交点的pH从左往右依次为pKa1、pKa2;

(3)三元弱酸体系有三个交点、四条曲线,交点的pH从左往右依次为pKa1、pKa2、pKa3;

(5)判断酸式盐溶液中各微粒浓度的大小时,若该溶液呈酸性,电离大于水解,则在曲线最高点处的右边作辅助线;若溶液呈碱性,水解大于电离,则在曲线的最高点处的左边作辅助线,根据辅助线与各微粒分布曲线的相交点判断对应微粒的浓度大小。

3.分布系数模型的应用

( )

图4

A.曲线a代表的是H2NCH2COO-

B.甘氨酸的Ka=10-2.35

【分析】本题包含了分布系数类题型的常见考点,曲线的判断、交点的判断、粒子浓度大小的比较、K值相关计算等。

【例2】(2023年福建南平统考三模)常温下,向0.1 mol·L-1的H3PO4溶液中滴入NaOH溶液,随着pH变化溶液中浓度最大的含磷微粒如图5所示。下列说法正确的是

( )

图5

D.若用0.5 mol·L-1的H3PO4溶液进行实验,pKa1将向左移动

【分析】本题将常见的分布系数图变形为数轴的形式,增加了信息迁移能力的考查,对学生的理解与辨析、分析与推测等综合分析能力有较高的要求。

( )

图6

B.a、b、c三点水的电离程度相等

【分析】本题以高铁酸钠与稀硫酸反应为载体,考查三元弱酸体系的分布系数,可以使用磷酸体系的分析模型。

综上,利用建构的分布系数图像的分析模型,可以解决这类常作为压轴题的水溶液中微粒分布系数考题。通过分析题给信息和图像信息,采用分析模型,发挥学生图像转换的能力是解决这类问题的关键,可以培养学生的高阶思维,落实学生的学科核心素养。