電解質溶液中微粒在圖像中的變化趨勢分析

龔孝斐

(貴州省凱里市第八中學)

化學反應原理作為高中階段化學教學的重點和難點,在高考中的考查方式也發生了較大改變,由原來的直接比較微粒濃度大小,轉變為通過分析微粒變化圖像,全面考查電解質溶液知識,成為高考化學試題中的壓軸題,極易成為學生的失分點.本文從電解質溶液中微粒在圖像中的變化趨勢入手,分析此類試題的命題方式,以期幫助學生厘清同類試題的解題思路.

1 溶液導電性變化曲線

溶液的導電能力是研究化學反應原理的基礎,一般用于判斷電解質的強弱,反映兩種物質反應后溶液中微粒濃度的變化情況,用于考查學生的分析能力及知識應用能力.在分析溶液導電性變化趨勢時,不僅要關注反應前物質的性質,還要注意反應過程中溶液可能發生的變化.

例1(2019年全國Ⅰ卷)NaOH 溶液滴定鄰苯二甲酸氫鉀(鄰苯二甲酸H2A 的Ka1＝1.1×10－3,Ka2＝3.9×10－6)溶液,混合溶液的相對導電能力變化曲線如圖1所示,其中b點為反應終點.下列敘述錯誤的是( ).

圖1

A.混合溶液的導電能力與離子濃度和種類有關

B.Na＋與A2－的導電能力之和大于HA－的

C.b點的混合溶液pH＝7

D.c點的混合溶液中,有

c(Na＋)＞c(K＋)＞c(OH－)

分析混合溶液的導電能力與離子濃度和種類有關,選項A 敘述正確.由圖像可知a點主要存在K＋和HA－,b點主要存在K＋、Na＋和A2－.b點K＋濃度比a點小,且導電性強于a點,說明Na＋與A2－的導電能力之和大于HA－,選項B 敘述正確.由題給數據可知,H2A 為二元弱酸,b點溶質為Na2A、K2A,為強堿弱酸鹽,溶液呈堿性,則pH＞7,選項C敘述錯誤.c點NaOH 過量,則n(NaOH)＞n(KHA),溶液呈堿性,可知c(Na＋)＞c(K＋)＞c(OH－),選項D 敘述正確.答案為C.

此類試題基礎性較強,解題的關鍵是抓住“溶液的導電能力與離子濃度成正比”這一核心.學生在平時的復習中,要熟練掌握常見強弱電解質,了解它們在水溶液中的變化,知道強弱電解質與導電能力沒有必然的聯系,如BaSO4是強電解質,但難溶于水,導電能力弱.

2 水的電離平衡曲線

水是弱電解質,能發生微弱的電離,且水的電離是吸熱過程,升高溫度有利于電離平衡向右移動,如此便為命題者提供了豐富的命題角度,不僅可以以水為核心進行設問,還可以結合其他物質在水中的變化對水電離出的c(H＋)或c(OH－)進行設問.

例2(2023年上海卷)將0.1 mol?L－1NaOH溶液分別滴入20mL0.1mol?L－1HX 溶液與20mL 0.1mol?L－1HCl溶液中,其pH 隨滴入NaOH 溶液體積變化情況如圖2所示.下列說法正確的是( ).

圖2

A.b點:c(X－)?c(OH－)＝10－12mol2?L－2

B.c點:c(X－)－c(HX)＝c(OH－)－c(H＋)

C.a、d點溶液混合后呈酸性

D.水的電離程度:d＞c＞b＞a

分析由圖可知,0.1mol?L－1HX 溶液的pH＝6,0.1mol?L－1HCl溶液的pH＝1,則HX 為弱電解質,25℃HX溶液中

b點溶液中c(X－)?c(OH－)≈c(H＋)?c(OH－)＝Kw＝10－14mol2?L－2,選項A 錯誤.c點中 溶質為NaX 和HX,且c(NaX)＝c(HX),物料守恒關系為c(X－)＋c(HX)＝2c(Na＋),電荷守恒關系為

則c(HX)－c(X－)＝2c(OH－)－2c(H＋),選項B錯誤.a點溶液中

n(HCl)＝0.01L×0.1mol?L－1＝0.001mol,d點溶液中n(NaX)＝0.002mol,a、d點溶液混合后溶質為NaX 和HX,且c(NaX)＝c(HX),類似于圖中c點組成,溶液呈堿性,選項C錯誤.由圖可知,溶液中a點的c(H＋)大于b點的,酸抑制水的電離,c(H＋)越大,抑制作用越強,則水的電離b＞a;c、d點溶液促進水的電離,d點的c(X－)大于c點的,c(X－)越大,水的電離程度越大,則水的電離d＞c,故水的電離程度:d＞c＞b＞a,選項D 正確.答案為D.

水是“最簡單”也是“最復雜”的化學物質,十分“多變”又十分“穩定”.首先,“水顯中性”與“水的pH＝7”并不對等,在不同的溫度下水中的c(H＋)和c(OH－)是不同的,pH 也是不同的,可直接由c(H＋)計算水的pH.其次,在其他水溶液的電離平衡或水解平衡中水依然存在電離平衡,但水電離出的c(H＋)和c(OH－)與水溶液的pH 沒有必然的聯系,要分析H＋或OH－的來源計算溶液的pH.最后,在溫度相同時,任何水溶液中,水電離出的c(H＋)和c(OH－)始終是相等的,且溶度積是一定的.

3 弱電解質電離及鹽類水解平衡曲線

高中階段主要研究弱酸或弱堿的電離平衡,在設置問題時一般會依據教材給出新的概念,如pC、lgc等.此類試題綜合性較強,解題的關鍵是讀懂圖像中的變化趨勢,分清各曲線代表的微粒變化.鹽類水解涉及的知識點較多,一般以圖像的形式對其進行考查,是近年新高考形式下的新題型,以體現化學反應原理在生產、生活中的應用.

例3若定義pC是溶液中微粒物質的量濃度的負對數.常溫下,一定濃度的某酸(H2A)的水溶液中pC(H2A)、pC(HA－)、pC(A2－)隨著溶液pH 的變化曲線如圖3所示.下列說法正確的是( ).

圖3

A.pH＝3時,c(H2A)＝c(A2－)＞c(HA－)

B.c(H2A)＋c(HA－)＋c(A2－)是定值

C.HA－的水解平衡常數為10－12.7

D.任何時候,溶液中都存在:

分析由題圖可知,pC 越大,微粒濃度越小,由此可判斷曲線Ⅰ表示pC(HA－),曲線Ⅱ表示pC(H2A),曲線Ⅲ表示pC(A2－),由此分析各選項.pH＝3 時,pC(H2A)＝pC(A2－)＞pC(HA－),故c(HA－)＞c(H2A)＝c(A2－),選項A 錯誤.根據物料守恒可知,n(H2A)＋n(HA－)＋n(A2－)為定值,但溶液的pH 改變時,溶液的體積可能發生了改變,三者濃度之和不一定是定值,選項B 錯誤.HA－的水解平衡常數表達式為.由題圖可知,pH＝1.3時,c(HA－)＝c(H2A),溶液中c(H＋)＝10－1.3mol?L－1,c(OH－)＝10－12.7mol?L－1,所以HA－的水解平衡常數為10－12.7,選項C 正確.溶液pH 增大的過程可能加入了某種堿,溶液中含有其他金屬陽離子,由電荷守恒可知,c(H＋)與c(OH－)＋c(HA－)＋2c(A2－)不相等,選項D 錯誤.答案為C.

解答此題時首先要弄懂pC 的含義,可類比較為熟悉的pH,把其中的H＋轉化為各微粒,即pC越大微粒濃度越小,如此便可分析圖像中各曲線代表的微粒濃度.水解平衡常數和電離平衡常數也是此類試題的高頻考點,在解題時首先要明確圖像中各曲線交點的含義,然后依據水解或電離方程式寫出相應的水解或電離平衡常數表達式,最后由相應的pH 確定c(H＋)或c(OH－)即可.

綜上,電解質溶液中微粒在圖像中的變化趨勢多種多樣,靈活掌握電解質溶液中的微粒濃度變化,熟悉各種命題方式,提高自身的學習能力及圖像分析能力,是解答此類試題的關鍵.

(完)