基于模型建構的水溶液中微粒分布系數的解題策略

沈瑞杉

(福建省泉州市豐澤區教師進修學校)

1.問題的提出

水溶液體系中微粒的分布系數是在緩沖溶液認知的基礎上衍生出來的知識點,是近幾年全國高考試題考查的熱點內容。考題以各微粒的分布系數圖像為載體,通過分析各分布系數曲線的變化、交點的含義,考查體系中微粒濃度的大小、溶液pH的計算等,考查學生的讀圖能力、信息提取加工和分析推理的能力。在高考復習備考中,幫助學生建立相應的分析解題模型,對學生掌握相關知識點及培養學生證據推理與模型認知的學科核心素養有重要作用。

2.建構分布系數圖像分析模型

2.1 認識分布系數

在水溶液體系中存在著多種微粒,平衡狀態下微粒的濃度稱為平衡濃度,各種微粒的平衡濃度之和稱為總濃度,某一微粒的平衡濃度占總濃度的分數即該微粒的分布系數,通常以δ表示。

當溶液的pH發生變化時,平衡發生移動,溶液中各微粒的分布情況也隨之變化,分布系數(δ)與溶液pH間的關系曲線稱為分布曲線。

2.2 一元弱酸體系

圖1 CH3COOH體系中各微粒的分布系數與pH的關系圖

圖中,δ1=δ(CH3COOH),δ2=δ(CH3COO-)

經過計算分析可以發現:

(1)各微粒分布系數(δ)只與pH有關,與微粒總濃度無關;

(2)當δ(CH3COOH)=δ(CH3COO-),即A點時,c(H+)=Ka,pH=pKa,這與利用Ka表達式所推導的結果是一致的。

2.3 二元弱酸體系

圖2 H2C2O4體系中各微粒的分布系數與pH的關系圖

同上推理可得:

經過計算分析可以發現,

2.4 三元弱酸體系

圖3 H3PO4體系中各微粒的分布系數與pH的關系圖

同上推理可得:

與二元弱酸體系的計算方法相同,經過計算分析可以發現,

(1)A點,pH1=pKa1=2.12;B點,pH2=pKa2=7.2;C點,pH3=pKa3=12.36;

2.5 分析模型

(1)一元弱酸體系有一個交點、兩條曲線,交點的pH=pKa;

(2)二元弱酸體系有兩個交點、三條曲線,交點的pH從左往右依次為pKa1、pKa2;

(3)三元弱酸體系有三個交點、四條曲線,交點的pH從左往右依次為pKa1、pKa2、pKa3;

(5)判斷酸式鹽溶液中各微粒濃度的大小時,若該溶液呈酸性,電離大于水解,則在曲線最高點處的右邊作輔助線;若溶液呈堿性,水解大于電離,則在曲線的最高點處的左邊作輔助線,根據輔助線與各微粒分布曲線的相交點判斷對應微粒的濃度大小。

3.分布系數模型的應用

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圖4

A.曲線a代表的是H2NCH2COO-

B.甘氨酸的Ka=10-2.35

【分析】本題包含了分布系數類題型的常見考點,曲線的判斷、交點的判斷、粒子濃度大小的比較、K值相關計算等。

【例2】(2023年福建南平統考三模)常溫下,向0.1 mol·L-1的H3PO4溶液中滴入NaOH溶液,隨著pH變化溶液中濃度最大的含磷微粒如圖5所示。下列說法正確的是

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圖5

D.若用0.5 mol·L-1的H3PO4溶液進行實驗,pKa1將向左移動

【分析】本題將常見的分布系數圖變形為數軸的形式,增加了信息遷移能力的考查,對學生的理解與辨析、分析與推測等綜合分析能力有較高的要求。

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圖6

B.a、b、c三點水的電離程度相等

【分析】本題以高鐵酸鈉與稀硫酸反應為載體,考查三元弱酸體系的分布系數,可以使用磷酸體系的分析模型。

綜上,利用建構的分布系數圖像的分析模型,可以解決這類常作為壓軸題的水溶液中微粒分布系數考題。通過分析題給信息和圖像信息,采用分析模型,發揮學生圖像轉換的能力是解決這類問題的關鍵,可以培養學生的高階思維,落實學生的學科核心素養。