電解質溶液分析思維模型的構建及應用

廣東 劉漢國

電解質溶液是歷年高考的必考點和熱點，多以選擇題的形式出現，選項主要考查“守恒關系”、微粒大小比較和判斷比值變化及計算。但是這部分題型得分率較低，主要原因是學生不能快而準地寫出“守恒關系”，不能熟練掌握微粒大小比較與判斷比值變化的方法。本文通過構建“守恒關系”思維模型、“微粒大小比較”思維模型和“比值”思維模型，突破考查電解質溶液知識的難題，供同仁們在教學時參考借鑒。

一、思維模型的構建與應用

1.“守恒關系”的思維模型

通過對n元弱酸HnA和n元弱堿B(OH)n溶液中的離子種類和A(B)的存在形式探究發(fā)現：n元弱酸HnA溶液中的陰離子種類為酸根和氫氧根，共n+1種；n元弱堿B(OH)n溶液中的陽離子種類為堿對應的陽離子和氫離子。n元弱酸HnA溶液中A的存在形式為酸根和弱酸分子，共n+1種；n元弱堿B(OH)n溶液中的B的存在形式為堿對應的陽離子和弱堿本身。另外，amol BOH(一元弱堿)的溶液與含有bmol H2A(二元弱酸)溶液混合前后，溶液中的陰、陽離子種類、A(B)的存在形式及其物質的量均不發(fā)生變化。

鹽可以看成對應的酸和堿反應的產物。根據此思想和探究的結論，構建了電荷守恒和物料守恒的思維模型如圖1和圖2所示。

圖1 電荷守恒書寫的思維模型圖

圖2 物料守恒書寫的思維模型圖

對于質子守恒，只有單一的電解質溶液可以直接書寫，而對于混合的電解質溶液是無法直接書寫的。但是無論單一溶液還是混合溶液，都可以通過電荷守恒和物料守恒合并得到，所以這里不再構建質子守恒書寫的思維模型。

( )

圖3

(2)(2017·江蘇卷·14，節(jié)選)常溫下，Ka(HCOOH)=1.77×10-4，Ka(CH3COOH)=1.75×10-5，Kb(NH3·H2O)=1.76×10-5，下列說法正確的是

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C.0.2 mol·L-1HCOOH與0.1 mol·L-1NaOH等體積混合后的溶液中：c(HCOO-)+c(OH-)=c(HCOOH)+c(H+)

(2)根據思維模型寫出電荷守恒c(Na+)+c(H+)=c(HCOO-)+c(OH-)和物料守恒式：2c(Na+)=c(HCOO-)+c(HCOOH)，兩式消去c(Na+)即可得到質子守恒c(HCOO-)+2c(OH-)=c(HCOOH)+2c(H+)，故C選項錯誤。

【變式訓練1】(2016·天津卷·6，節(jié)選)室溫下，用相同濃度的NaOH溶液，分別滴定濃度均為0.1 mol·L-1的三種酸(HA、HB和HD)溶液，滴定的曲線如圖4所示，下列判斷錯誤的是

( )

圖4

C.pH=7時，三種溶液中：c(A-)=c(B-)=c(D-)

D.當中和百分數達100%時，將三種溶液混合后：c(HA)+c(HB)+c(HD)=c(OH-)-c(H+)

【解析】根據思維模型寫出電荷守恒式：c(Na+)+c(H+)=c(A-)+c(OH-)、c(Na+)+c(H+)=c(B-)+c(OH-)和c(Na+)+c(H+)=c(D-)+c(OH-)，pH=7時，c(OH-)=c(H+)，所以c(Na+)=c(A-)、c(Na+)=c(B-)=c(D-)和c(Na+)=c(D-)，但是三種溶液中的c(Na+)并不相等，故C選項錯誤。根據思維模型寫出電荷守恒式：c(Na+)+c(H+)=c(A-)+c(B-)+c(D-)+c(OH-)和物料守恒式：c(Na+)=c(A-)+c(B-)+c(D-)+c(HA)+c(HB)+c(HD)，消去c(Na+)即可得到質子守恒c(HA)+c(HB)+c(HD)+c(H+)=c(OH-)，故D選項正確。

2.“微粒大小比較”的思維模型

“微粒大小比較”時，首先確定電解質溶液的組分，然后對組成組分的微粒按照“直接組成微粒”和“電離或水解生成微粒”進行分組，因為電離或水解都比較微弱，所以“直接組成微粒”濃度大于“電離或水解生成微粒”濃度。對于直接組成微粒，先假設微粒不發(fā)生電離或水解，按照微粒數目比較大小，若微粒數目相同，則再考慮微粒是否發(fā)生電離或水解。對于電離或水解生成的微粒，先判斷溶液的酸堿性，若溶液顯酸性，則在該組中c(H+)最大，c(OH-)最小，其他電離或水解生成的微粒在中間。構建的“微粒大小比較”思維模型如圖5所示。

圖5 “微粒大小比較”的思維模型

【例2】(2017·江蘇卷·14，節(jié)選)常溫下，Ka(HCOOH)=1.77×10-4，Ka(CH3COOH)=1.75×10-5，Kb(NH3·H2O)=1.76×10-5，下列說法正確的是

( )

D.0.2 mol·L-1CH3COONa與0.1 mol·L-1鹽酸等體積混合后的溶液中(pH<7)：c(CH3COO-)>c(Cl-)>c(CH3COOH)>c(H+)

【解析】根據“微粒大小比較”思維模型，CH3COONa與鹽酸混合后溶液的組分為等濃度CH3COOH、CH3COONa和NaCl三種溶質的混合溶液，該組分直接組成微粒CH3COOH、CH3COO-和Cl-，假設CH3COOH不發(fā)生電離、CH3COO-不發(fā)生水解，則CH3COOH、CH3COO-和Cl-三者相等，但混合后的溶液中pH<7，意味著CH3COOH電離比CH3COO-水解程度大，故c(CH3COO-)>c(Cl-)>c(CH3COOH)；“電離生成微粒”為H+，故c(H+)最小，故D選項正確。

【變式訓練2】(2016·上海卷·31，節(jié)選)已知：碳酸(H2CO3)，Ki1=4.3×10-7，Ki2=5.6×10-11；草酸(H2C2O4)，Ki1=5.9×10-2，Ki2=6.4×10-5。若將等濃度的草酸溶液和碳酸溶液等體積混合，各種離子濃度大小的順序正確的是________。(選填編號)

3.“比值”的思維模型

判斷比值變化或計算比值時，先根據題干信息寫出平衡常數表達式，然后把表達式變形成題干中的形式，再根據題目條件，判斷出比值的變化。構建“比值變化”思維模型如圖6所示。

圖6 “比值”的思維模型

【例3】(2017·全國卷Ⅰ·13，節(jié)選)常溫下將NaOH溶液滴加到己二酸(H2X)溶液中，混合溶液的pH與離子濃度變化的關系如圖所示。下列敘述錯誤的是

( )

圖7

【變式訓練3】(2016·全國卷Ⅲ·13，節(jié)選)下列有關電解質溶液的說法正確的是

( )

二、電解質溶液考點的備課建議

高中知識紛繁復雜，高中生學業(yè)繁重，電解質溶液是高考的重點、難點和熱點，教師在教學中如何幫助學生突破該考點的瓶頸呢？

1.精心研究考綱，把握命題動向

研究考綱是高三復習的前提。通過對近幾年高考題的研究，把握今后的命題方向。把考綱和命題動向作為復習和練習的主要依據，使復習和練習更具有針對性。

2.深挖事物本質，抓住核心知識

越是看似錯綜復雜的問題，越是要回歸原點，所以在復習時強調基礎知識，把握核心知識。只有抓住核心知識，才能以不變應萬變應對高考。

3.探究知識規(guī)律，構建思維模型

解題是學生對所學知識進行內化的過程，更是培養(yǎng)學生思維能力的過程。解題思路的正確與否直接關系到解題的效率和正確性。只有科學掌握知識，遵循客觀規(guī)律，才能在正確的解題思維指導下正確解題。在教學中，應積極引導學生探究知識規(guī)律，構建思維模型。只有探究規(guī)律，才能應用規(guī)律。在某些問題的解決中，思維模型的作用是其他手段無法替代的。思維模型的構建，不僅簡化了解題過程，提升了解題效率，而且培養(yǎng)了學生“證據推理與模型認知”的化學核心素養(yǎng)。