溶液中水电离的H+或OH-浓度计算问题

摘 要：根据学生对混合溶液体系中水电离的氢离子或氢氧根离子浓度问题存在的疑问，通过例题解析和实验分析，得出解决该类问题的一般思维模型，实现知识的结构化和思维的有序化，帮助学生更好地理解混合体系中水电离出的氢离子和氢氧根离子浓度问题.

关键词：混合体系；水电离；氢氧根离子浓度

中图分类号：G632"" 文献标识码：A"" 文章编号：1008-0333（2024）19-0126-03

收稿日期：2024-04-05

作者简介：南利蕊（1989.11—），女，河南省濮阳人，博士，中学一级教师，从事中学化学教学研究.

在人教版《化学》选择性必修一第三章《水溶液中的离子反应与平衡》中，课本中明确指出水是一种极弱的电解质，能发生微弱的电离，如图1所示.

针对这一内容，2017年版本2020年修订的《普通高中化学课程标准》中，要求学生能从电离、离子反应和化学平衡的角度分析溶液的性质[1].当学生运用弱电解质的电离模型分析水的电离时，会不可避免地涉及当溶液中有外加酸碱或可水解的盐时对水电离的抑制或促进问题的分析.本文针对学生对混合溶液体系中水电离的氢离子或氢氧根离子浓度问题存在的疑问，通过例题解析和实验分析，学生能运用分析、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，建立解决该类问题的一般思维模型，揭示现象的本质和规律[2].

1 单一溶质体系中水电离的氢离子或氢氧根离子浓度"题型1 25 ℃时，计算下列溶液中由水电离的c（H+）.

（1）pH=2的盐酸

（2）pH=12的NaOH溶液

（3）pH=5的NH4Cl溶液

（4）pH=10的Na2CO3溶液

解析 （1）在盐酸溶液中，相当于在水中加酸，此时酸对水的电离是抑制的，所以水电离出的c（H+）水肯定小于10-7 mol/L，结合KW（25 ℃）=

c（H+）·c（OH-）=10-14，可得此时溶液中的OH-是由水电离出来的，即可得出此时c（H+）水=10-12 mol/L，同理分析（2）中情况可知，c（H+）水=10-12" mol/L.（3）中相当于在水中加入了像NH+4这样的可水解的弱碱阳离子时，由于NH+4+H2ONH3·H2O+H+，对水的电离是促进的，所以水电离出的c（H+）水是大于10-7 mol/L的，pH=5，可得c（H+）水=10-5 mol/L.同理分析（4）中情况，当水中存在像CO2-3这样的可水解的弱酸阴离子时，可得此情况下c（H+）水=10-4 mol/L.

由以上题目的分析过程，不难得出以下解决该类问题的思维模型：

但是，该类问题有时候并不是简单地以计算水电离出的c（H+）或c（OH-）的形式给出，而是以一种隐含的形式引导学生去分析其中的情况，如题型2.

题型2 常温下，下列各组离子一定能在指定溶液中大量共存的是（" ）.

A.使酚酞变红色的溶液中：Na+、Al3+ 、SO2-4、Cl-

B.KW/c（H+）=1×10-13 mol/L的溶液中：NH+4、Ca2+ 、Cl- 、NO-3

C.与Al反应能放出H2的溶液中：Fe2+、K+、NO-3、SO2-4

D.水电离出的c（H+）=1×10-13 mol/L的溶液中：K+、Na+、AlO-2、CO2-3

解析" A选项可以很明显地看出溶液中此时是有大量的OH-的，又因为Al3++3OH-Al（OH）3↓或Al3++4OH-AlO2-+2H2O，所以A组溶液中的离子不能大量共存；B选项中当KW/c（H+）=1×10-13的时候，溶液为酸性溶液，该组中的离子均可以大量共存；C选项中的情况，能与Al反应放出H2的溶液可以是酸性溶液也可以是碱性溶液，则当该溶液为碱性溶液时，Fe2+和氢氧根是不能共存的；D选项中，当水电离出的c（H+）=1×10-13 mol/L时，该溶液可以是酸性溶液，也可以是碱性溶液，可知此时由于发生H++CO2-3CO2↑+H2O而不能大量共存.

以上分析过程中，最明显的就是D选项，由于水电离出的c（H+）=1×10-13 mol/L，很明显此时水的电离是被抑制的，即该溶液可能是外加酸或者碱的溶液，即是对以上思维模型的应用.

但是，学生在对该类问题的解决过程中，经常会有的疑问有（1）常温下，某溶液中由水电离出的c（H+）水=1×10-7 mol/L，该溶液一定是中性的吗？（2）常温下，某中性溶液中由水电离出的c（H+）水一定等于1×10-7 mol/L吗？

鉴于以上问题，笔者将从以下题目来进行说明.

2 混合溶液体系中水电离的氢离子或氢氧根离子浓度

题型3 常温下，向1 L pH＝10的KOH溶液中持续通入CO2，与溶液中水电离出的c（OH-）与通入的CO2的体积（V）关系如图所示.下列叙述不正确的是（" ）.

A.b点溶液呈中性

B.d点溶液中：c（K+）＝2c（CO2-3）+c（HCO-3）

C.c点溶液中：2c（H2CO3）+c（H+）+

c（HCO-3）＝c（OH-）

D.a点溶液中：水电离出的c（H+）＝1×10-10" mol/L

解析 结合题目中信息及图像进行分析可知，a点水电离出的c（OH-）最小，说明其抑制水电离程度最大，此时溶液中的溶质为KOH；b点KOH抑制水电离程度等于K2CO3促进水电离程度相等，则水电离出的c（OH-）＝1×10-7 mol/L，该点溶液中c（KOH）＜c（K2CO3），但是此时溶液很明显不是中性的；c点水电离程度最大，说明该点溶液中溶质为K2CO3；d点溶液中水电离出的c（OH-）＝1×10-7mol·L-1，溶液呈中性；由以上分析可知A选项中的b点，溶液中溶质为KOH和K2CO3，且c（KOH）＜c（K2CO3），KOH是碱、碳酸钾是强碱弱酸盐，所以该溶液是呈碱性的，故A错误；B 选项中，d点溶液呈中性，则c（H+）＝c（OH-），根据电荷守恒得c（K+）＝2c（CO2-3）+c（HCO-3），故B正确；C选项中，c点溶液中溶质为K2CO3，溶液中存在质子守恒，根据质子守恒得2c（H2CO3）+c（H+）+c（HCO-3）＝c（OH-），故C正确；D选项中，a点溶质为KOH，水电离出的c（H+）与溶液中c（H+）是相等的，所以水电离出的c（H+）＝10-pH mol/L＝1×10-10 mol/L，故D正确.

据此题目，可知常温下，某溶液中由水电离出的c（H+） =1×10-7 mol/L时，该溶液碱性的.还有没有可能有其他情况呢？对于这个问题，笔者设计了以下4个实验（如图3）进行说明，实验过程中随着试剂量的改变，溶液中由水电离出的c（H+）的变化情况如图4所示.

由图3可知，该实验就是简单的酸碱中和实验，根据图4所示，我们可以简单分析出以下结果，a点：c（H+）lt;1×10-7 mol/L，说明此时水的电离是被抑制的；c点：c（H+）gt;1×10-7 mol/L，说明此时水的电离是被促进的；b、d点：c（H+）=1×10-7 mol/L，说明此时水电离的抑制程度是等于促进程度的.

结合具体的酸碱中和的情况，我们对每个点的溶质进行分析，不难得到各情况下a、b、c、d点的溶质如表1所示.

根据以上分析，可得出不同酸碱中和过程中各个点的酸碱性情况如图5所示.

根据图5中分析结果，就可以解答上面的问题，常温下，某溶液中由水电离出的c（H+） =1×10-7 mol/L时，该溶液可以是酸性、中性或碱性的.我们再对图4进行分析，可以发现在某些中性溶液中，由水电离出的c（H+）是等于1×10-7 mol/L的（如当HCl和NH3·H2O反应时的a点），或者是大于1×10-7 mol/L的（如当CH3COOH和NaOH反应时的d点）.

3 结束语

综上所述，将上面的思维模型加以完善，可得解决该类问题的一般思维模型如下：

参考文献：

［1］ 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020：36.

[2] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020：4.

［责任编辑：季春阳］