水溶液中離子平衡考查的主角
———二元弱酸

王開山

水溶液中的離子平衡是中學化學重要的基礎理論,也是學習的重點、難點和高考考查的熱點．縱觀近年相關試題,筆者發現,二元弱酸及其鹽成為考查的主角．其原因主要是二元弱酸及其鹽既存在電離也存在水解,水溶液中離子種類多,離子濃度隨外界條件的改變處于動態變化中,能夠設置靈活的問題來考查學生思維的深度及變化觀念和平衡思想．筆者結合相關高考試題,針對試題特點及解答突破口作簡要分析．

1 試題特點

1)常見二元弱酸(H2S、H2CO3、H2C2O4等)和二元弱酸正鹽或酸式鹽(Na2S、NaHCO3、NaHC2O4等)是試題信息承載的主角.

2)試題信息主要以量化數據為主,呈現方式多樣．有電離常數、溶液的pH、離子濃度、坐標圖(直線型或曲線型)等.

3)問題設置靈活、考查角度廣．主要有一定pH下離子濃度大小的比較、溶液中離子濃度之間的定量關系、平衡常數的計算、相應離子方程式的書寫等．

2 解答突破口

筆者認為,抓住變化中的不變是解決水溶液中離子平衡問題的關鍵，是一種解決復雜問題的方法和思想,也是一種辯證關系的體現．解答水溶液中二元弱酸類離子平衡問題時,除了需要掌握扎實的電離平衡、水解平衡等相關基礎知識外,更主要的是要抓住變化中的不變,能從繁雜的變化信息中看到不變的電離常數和守恒關系,做到精準施策,高效解答．

突破口1電離常數.

弱酸的電離常數是衡量弱酸電離出H+能力的尺度．二元弱酸的電離常數包括第一級電離常數Ka1和第二級電離常數Ka2．對于確定的二元弱酸,只要溫度不變,其電離常數是不變的．根據電離常數的表達式可以解答以下問題.

1)依據微粒分布坐標圖求算電離常數.

2)依據電離常數求算微粒分布坐標圖中某點的pH.

3)依據電離常數推導酸式強堿鹽溶液的酸堿性.

二元弱酸的酸式強堿鹽溶液有的呈酸性,有的呈堿性．根據電離常數和水的離子積常數推導出相應離子的水解常數,可以判斷二元弱酸酸式強堿鹽溶液的酸堿性．

現以NaHCO3為例進行推導說明:

常溫下,H2CO3的電離常數

Ka1(H2CO3)=4.45×10-7,
Ka2(H2CO3)=4.69×10-11.

常見呈酸性的溶液有NaHSO3、NaHC2O4等;呈堿性的溶液有NaHS等．

突破口2守恒式.

守恒是一種定量認識事物的方法和解決問題的思維．守恒觀也是中學化學重要的化學觀念之一．

水溶液離子平衡中的守恒主要有電荷守恒、元素守恒(物料守恒)和質子守恒．

電荷守恒表明了電解質溶液呈現電中性的性質．只要電解質溶液中離子種類不變,電荷守恒式就不變．守恒式中只出現離子．

元素守恒表明了電解質溶液中指定元素之間的定量關系．守恒式中離子、分子都可能出現．

質子守恒表明了電解質溶液中質子轉移守恒．復雜溶液的質子守恒可以通過電荷守恒和元素守恒推導．

守恒式或守恒式之間的聯立是解答電解質溶液中離子濃度大小關系以及溶液酸堿性的重要突破口．

3 典例賞析

Ka1(H2C2O4)=5.4×10-2,
Ka2(H2C2O4)=5.4×10-5.

A. 0.100 0mol·L-1H2C2O4溶液:

B. c(Na+)=c(總)的溶液:

D. c(Na+)=2c(總)的溶液:

由題意知, 0.100 0mol·L-1=

兩式整理得

選項A正確;

滴入NaOH溶液后,溶液中的電荷守恒式為

室溫pH=7時,c(H+)=c(OH-),則

由于滴加溶液后體積變大,

選項C錯誤;

當c(Na+)=2c(總)時,溶液中的溶質為Na2C2O4,溶液中電荷守恒式為

物料守恒為

兩式整理得

選項D正確．答案為A、D.

圖1

下列敘述錯誤的是( ).

A.pH=1.2時,c(H2A)=c(HA-)

B.lg[K2(H2A)]=-4.2

C.pH=2.7時,c(HA-)>c(H2A)=c(A2-)

D.pH=4.2時,c(HA-)=c(H+)

分析本題基于圖象考查一定pH下離子濃度的大小關系及相應弱電解質的電離常數．通過分析一定pH下的曲線高低可以解答離子濃度大小的問題,根據電離常數的表達式及交點的pH可以計算弱電解質的電離常數．

則lg[K2(H2A)]=-4.2,選項B正確;由圖象可知,pH=2.7時,c(H2A)=c(A2-),由縱坐標數據可知c(HA-)>c(H2A)=c(A2-),選項C正確;pH=4.2時,c(HA-)=c(A2-),但此時c(H2A)≈0,如體積不變,則

c(HA-)=c(A2-)=0.05mol·L-1,
c(H+)=10-4.2mol·L-1,

如體積變化,則不能確定c(HA-)、c(A2-)與c(H+)濃度大小關系,選項D錯誤．答案為D.

圖2

A. Ka2(H2X)的數量級為10-6

C.NaHX溶液中c(H+)>c(OH-)

D. 當混合溶液呈中性時,c(Na+)>c(HX-)>c(X2-)>c(OH-)=c(H+)

分析該題綜合性強,涉及了電離常數的計算、不同直線所表示的意義、強堿酸式鹽的酸堿性,離子濃度大小關系等．解答的突破口主要是二元弱酸的分步電離特點及電離常數和水解常數的表達式．

分析一定溫度下,弱電解質的電離常數是不變的,抓住電離常數表達式就可快速解答該類型試題．

可知當氨水的濃度為2.0mol·L-1時,溶液中

筆者認為,解答水溶液中與二元弱酸有關的試題時既要明晰變化,關注信息的呈現方式,也要抓住不變,圍繞常數和守恒兩個突破口思考,最終高效解答相關試題．