對NaHCO3溶液中各離子濃度的探究

張貝貝

關鍵詞：虛擬實驗;碳酸氫鈉溶液;離子濃度;定量研究

一、引言

電解質溶液中離子濃度大小排序是高中化學常考題型，其中碳酸氫鈉溶液中各離子濃度排序尤為常見。在日常教學中，關于碳酸氫鈉溶液中各離子濃度大小關系分析過程如下：

碳酸氫鈉溶液中存在的電離平衡與水解平衡共有四個，分別為：

第一步中，由于HCO-3 水解，所以c（Na+）>c（HCO-3 ），又因為碳酸氫鈉溶液顯堿性，所以HCO-3 的水解能力大于電離能力，即c（OH-）>c（CO2-3 ），第三步中c（H+）=c（CO2-3 ），但由于第四步中水電離出少量c（H+），所以c（H+）>c（CO2-3 ），綜上，c（Na+）>c（HCO-3 ）>c（OH-）>c（H+）>c（CO2-3 ）。

對此，有不少學者提出了質疑，孫麗梅[1]通過對1.0×10-4 mol/L和0.10 mol/L的NaHCO3溶液中c（H+）、c（OH-）、c（CO2-3 ）以及c（H2CO3）進行的分析，發現兩種濃度下粒子濃度不同;姜廣勇[2]以及喬悅、趙廣柱[3]等人也對某一具體濃度進行了分析，得出與日常教學中不同的結果;在此基礎上，劉清華[4]通過公式計算，對濃度為1.0×10-6 mol/L～0.10 mol/L的碳酸氫鈉溶液中各微粒濃度進行了探究，發現碳酸氫鈉溶液濃度不同時，各微粒濃度大小關系有三種情況。

之所以有學者對此提出質疑，筆者分析主要有以下兩個方面的原因：第一，日常教學中，教師只進行了定性分析，并沒有對碳酸氫鈉溶液中各離子濃度進行定量計算;第二，大部分學者忽略了在碳酸氫鈉溶液中還存在HCO-3 的質子自遞反應[5]，即HCO-3 + HCO-3 H2CO3+ CO2-3 ，K=1.07×10- 4，我們發現HCO-3 的質子自遞反應的平衡常數的數量級為10-4，這遠遠大于上述三個反應的平衡常數，而這一反應往往成為大多數學者計算出錯的主要原因。

通過查閱文獻，我們可以發現大多數學者并沒有考慮溫度對碳酸氫鈉溶液中各離子濃度大小順序的影響，也沒有找出各種情況所對應的碳酸氫鈉溶液的濃度范圍。基于以上分析，筆者以“IrYdiumChemistry Lab”虛擬化學實驗軟件為載體，對碳酸氫鈉溶液中各離子濃度大小進行探究。“IrYdium Chem?istry Lab”虛擬化學實驗軟件是一個內含多種標準試劑并可以進行多種操作的仿真實驗室。其以傳感技術為載體，計算結果準確。對于沒有數字化實驗設備的學校來說，具有較好的可視化教學效果。周昌林[6]對其下載方法以及簡單應用已做了詳細的介紹。

二、溫度的影響

溫度對電解質溶液中酸根離子的水解能力和電離能力有明顯的影響，直接影響著水解方程式和電離方程式所對應的平衡常數。因此，筆者以1.000×10- 1 mol/L、1.000×10- 2 mol/L、1.000×10- 3 mol/L 以及1.000×10-4 mol/L的NaHCO3溶液為例，探究了溫度為25 ℃、50 ℃、75 ℃以及100 ℃下，碳酸氫鈉溶液中各離子濃度大小順序，見表1。

通過對表1數據分析，我們可以得出以下三個結論：第一對同濃度的碳酸氫鈉溶液而言，隨著溫度的升高，c（Na+）保持不變，c（HCO-3 ）減小，c（CO2-3 ）、c（OH-）以及c（H+）都有所升高。這是由于質子自遞反應平衡常數的數量級較大，隨著溫度的升高，反應正向移動效果明顯，HCO-3 逐漸轉變為CO2-3 ;與此同時，溫度的升高促進了碳酸氫根離子和水的電離，使得c（CO2-3 ）、c（OH-）以及c（H+）都有所升高。

第二碳酸氫鈉濃度為1.000×10-3 mol/L～1.000×10- 1 mol/L 時，溶液中各離子濃度大小順序始終為c（Na+）>c（HCO-3 ）>c（CO2-3 ）>c（OH-）>c（H+），碳酸氫鈉濃度為1.000×10-4 mol/L時，溶液中各離子濃度大小順序始終為c（Na+）>c（HCO-3）>c（OH-）>c（CO2-3 ）>c（H+）。

第三溫度對碳酸氫鈉溶液中各離子濃度大小順序影響較小，濃度對碳酸氫鈉溶液中各離子濃度大小順序影響較大。

三、濃度的影響

隨著碳酸氫鈉溶液濃度的稀釋，酸根離子的水解能力和電離能力都會有所增強，正所謂越稀越電離，越稀越水解。當溶液濃度足夠小時，溶液pH≈7，c（OH-）與c（H+）有可能比c（Na+）還要大，筆者以25℃下0.10 mol/L的NaHCO3溶液為起點，對碳酸氫鈉溶液進行稀釋，發現碳酸氫鈉溶液中離子濃度大小順序共有7種情況，各濃度臨界點見表2。

通過上表我們可以發現，隨著碳酸氫鈉溶液濃度的降低，c（CO2-3 ）極速降低，當c（NaHCO3）=2.150×10-4 mol/L時，c（CO2-3 ）=c（OH-），此時出現了第一臨界點，隨著溶液的稀釋，溶液中各離子濃度大小順序變為c（Na+）>c（HCO-3 ）>c（OH-）>c（CO2-3 ）>c（H+）。隨著溶液的稀釋，水的電離對于溶液中各離子濃度大小順序的影響越來越大，當c（NaHCO3）=1.017×10-5 mol/L時，c（CO2-3 ）=c（H+），出現了第二個臨界點，當溶液被稀釋后，溶液中各離子濃度大小順序變為c（Na+）>c（HCO-3 ）>c（OH-）>c（H+）>c（CO2-3 ）。當c（NaHCO3）=1.351×10-7 mol/L時，c（HCO-3 ）=c（OH-），此時出現第三個臨界點，在此基礎上稀釋，溶液中各離子濃度大小順序變為c（Na+）>c（OH-）>c（HCO-3 ）>c（H+）>c（CO2-3 ）。此后c（OH-）與c（H+）的變化成為溶液中各離子濃度大小順序變化的主要原因，第4、5、6個臨界點分別為1.104×10-7 mol/L、1.103×10-7 mol/L和9.281×10-8 mol/L，溶液中各離子濃度大小順序變分別為c（Na+）>c（OH-）>c（H+）>c（HCO-3 ）>c（CO2-3 ）、c（OH-）>c（Na+）>c（H+）>c（HCO-3 ）>c（CO2-3 ）和c（OH-）>c（H+）>c（Na+）>c（HCO-3 ）>c（CO2-3 ）。筆者對碳酸氫鈉溶液進行了再稀釋，發現當c（NaHCO3）<9.281×10-8 mol/L時，溶液中各離子濃度大小順序不再變化。現將7種情況整理于表3。

四、研究價值

通過以上研究可以發現，碳酸氫鈉溶液中各離子濃度大小順序存在多種情況，在沒有說明碳酸氫鈉溶液濃度的情況下，各離子濃度大小順序是無法確定的。同理NaHSO3、NaHS等酸式鹽中各離子濃度大小順序也存在多種情況。教師在日常教學中關于NaHCO3溶液中各離子濃度大小順序的講解以及我們日常所涉及的習題多有不嚴謹的情況出現，針對這種現象，筆者有以下兩個建議：第一，我們在教學和命題中，要盡量避免出現類似知識點;第二，如果教師想要考查相關知識時，比如：c（Na +）>c（HCO-3 ）>c（OH-）>c（H +）>c（CO2-3 ）這種常考類型，一定要標注所對應的濃度值。