溶液中水電離的H+或OH-濃度計算問題

摘 要：根據學生對混合溶液體系中水電離的氫離子或氫氧根離子濃度問題存在的疑問，通過例題解析和實驗分析，得出解決該類問題的一般思維模型，實現知識的結構化和思維的有序化，幫助學生更好地理解混合體系中水電離出的氫離子和氫氧根離子濃度問題.

關鍵詞：混合體系；水電離；氫氧根離子濃度

中圖分類號：G632"" 文獻標識碼：A"" 文章編號：1008-0333（2024）19-0126-03

收稿日期：2024-04-05

作者簡介：南利蕊（1989.11—），女，河南省濮陽人，博士，中學一級教師，從事中學化學教學研究.

在人教版《化學》選擇性必修一第三章《水溶液中的離子反應與平衡》中，課本中明確指出水是一種極弱的電解質，能發生微弱的電離，如圖1所示.

針對這一內容，2017年版本2020年修訂的《普通高中化學課程標準》中，要求學生能從電離、離子反應和化學平衡的角度分析溶液的性質[1].當學生運用弱電解質的電離模型分析水的電離時，會不可避免地涉及當溶液中有外加酸堿或可水解的鹽時對水電離的抑制或促進問題的分析.本文針對學生對混合溶液體系中水電離的氫離子或氫氧根離子濃度問題存在的疑問，通過例題解析和實驗分析，學生能運用分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立解決該類問題的一般思維模型，揭示現象的本質和規律[2].

1 單一溶質體系中水電離的氫離子或氫氧根離子濃度"題型1 25 ℃時，計算下列溶液中由水電離的c（H+）.

（1）pH=2的鹽酸

（2）pH=12的NaOH溶液

（3）pH=5的NH4Cl溶液

（4）pH=10的Na2CO3溶液

解析 （1）在鹽酸溶液中，相當于在水中加酸，此時酸對水的電離是抑制的，所以水電離出的c（H+）水肯定小于10-7 mol/L，結合KW（25 ℃）=

c（H+）·c（OH-）=10-14，可得此時溶液中的OH-是由水電離出來的，即可得出此時c（H+）水=10-12 mol/L，同理分析（2）中情況可知，c（H+）水=10-12" mol/L.（3）中相當于在水中加入了像NH+4這樣的可水解的弱堿陽離子時，由于NH+4+H2ONH3·H2O+H+，對水的電離是促進的，所以水電離出的c（H+）水是大于10-7 mol/L的，pH=5，可得c（H+）水=10-5 mol/L.同理分析（4）中情況，當水中存在像CO2-3這樣的可水解的弱酸陰離子時，可得此情況下c（H+）水=10-4 mol/L.

由以上題目的分析過程，不難得出以下解決該類問題的思維模型：

但是，該類問題有時候并不是簡單地以計算水電離出的c（H+）或c（OH-）的形式給出，而是以一種隱含的形式引導學生去分析其中的情況，如題型2.

題型2 常溫下，下列各組離子一定能在指定溶液中大量共存的是（" ）.

A.使酚酞變紅色的溶液中：Na+、Al3+ 、SO2-4、Cl-

B.KW/c（H+）=1×10-13 mol/L的溶液中：NH+4、Ca2+ 、Cl- 、NO-3

C.與Al反應能放出H2的溶液中：Fe2+、K+、NO-3、SO2-4

D.水電離出的c（H+）=1×10-13 mol/L的溶液中：K+、Na+、AlO-2、CO2-3

解析" A選項可以很明顯地看出溶液中此時是有大量的OH-的，又因為Al3++3OH-Al（OH）3↓或Al3++4OH-AlO2-+2H2O，所以A組溶液中的離子不能大量共存；B選項中當KW/c（H+）=1×10-13的時候，溶液為酸性溶液，該組中的離子均可以大量共存；C選項中的情況，能與Al反應放出H2的溶液可以是酸性溶液也可以是堿性溶液，則當該溶液為堿性溶液時，Fe2+和氫氧根是不能共存的；D選項中，當水電離出的c（H+）=1×10-13 mol/L時，該溶液可以是酸性溶液，也可以是堿性溶液，可知此時由于發生H++CO2-3CO2↑+H2O而不能大量共存.

以上分析過程中，最明顯的就是D選項，由于水電離出的c（H+）=1×10-13 mol/L，很明顯此時水的電離是被抑制的，即該溶液可能是外加酸或者堿的溶液，即是對以上思維模型的應用.

但是，學生在對該類問題的解決過程中，經常會有的疑問有（1）常溫下，某溶液中由水電離出的c（H+）水=1×10-7 mol/L，該溶液一定是中性的嗎？（2）常溫下，某中性溶液中由水電離出的c（H+）水一定等于1×10-7 mol/L嗎？

鑒于以上問題，筆者將從以下題目來進行說明.

2 混合溶液體系中水電離的氫離子或氫氧根離子濃度

題型3 常溫下，向1 L pH＝10的KOH溶液中持續通入CO2，與溶液中水電離出的c（OH-）與通入的CO2的體積（V）關系如圖所示.下列敘述不正確的是（" ）.

A.b點溶液呈中性

B.d點溶液中：c（K+）＝2c（CO2-3）+c（HCO-3）

C.c點溶液中：2c（H2CO3）+c（H+）+

c（HCO-3）＝c（OH-）

D.a點溶液中：水電離出的c（H+）＝1×10-10" mol/L

解析 結合題目中信息及圖像進行分析可知，a點水電離出的c（OH-）最小，說明其抑制水電離程度最大，此時溶液中的溶質為KOH；b點KOH抑制水電離程度等于K2CO3促進水電離程度相等，則水電離出的c（OH-）＝1×10-7 mol/L，該點溶液中c（KOH）＜c（K2CO3），但是此時溶液很明顯不是中性的；c點水電離程度最大，說明該點溶液中溶質為K2CO3；d點溶液中水電離出的c（OH-）＝1×10-7mol·L-1，溶液呈中性；由以上分析可知A選項中的b點，溶液中溶質為KOH和K2CO3，且c（KOH）＜c（K2CO3），KOH是堿、碳酸鉀是強堿弱酸鹽，所以該溶液是呈堿性的，故A錯誤；B 選項中，d點溶液呈中性，則c（H+）＝c（OH-），根據電荷守恒得c（K+）＝2c（CO2-3）+c（HCO-3），故B正確；C選項中，c點溶液中溶質為K2CO3，溶液中存在質子守恒，根據質子守恒得2c（H2CO3）+c（H+）+c（HCO-3）＝c（OH-），故C正確；D選項中，a點溶質為KOH，水電離出的c（H+）與溶液中c（H+）是相等的，所以水電離出的c（H+）＝10-pH mol/L＝1×10-10 mol/L，故D正確.

據此題目，可知常溫下，某溶液中由水電離出的c（H+） =1×10-7 mol/L時，該溶液堿性的.還有沒有可能有其他情況呢？對于這個問題，筆者設計了以下4個實驗（如圖3）進行說明，實驗過程中隨著試劑量的改變，溶液中由水電離出的c（H+）的變化情況如圖4所示.

由圖3可知，該實驗就是簡單的酸堿中和實驗，根據圖4所示，我們可以簡單分析出以下結果，a點：c（H+）lt;1×10-7 mol/L，說明此時水的電離是被抑制的；c點：c（H+）gt;1×10-7 mol/L，說明此時水的電離是被促進的；b、d點：c（H+）=1×10-7 mol/L，說明此時水電離的抑制程度是等于促進程度的.

結合具體的酸堿中和的情況，我們對每個點的溶質進行分析，不難得到各情況下a、b、c、d點的溶質如表1所示.

根據以上分析，可得出不同酸堿中和過程中各個點的酸堿性情況如圖5所示.

根據圖5中分析結果，就可以解答上面的問題，常溫下，某溶液中由水電離出的c（H+） =1×10-7 mol/L時，該溶液可以是酸性、中性或堿性的.我們再對圖4進行分析，可以發現在某些中性溶液中，由水電離出的c（H+）是等于1×10-7 mol/L的（如當HCl和NH3·H2O反應時的a點），或者是大于1×10-7 mol/L的（如當CH3COOH和NaOH反應時的d點）.

3 結束語

綜上所述，將上面的思維模型加以完善，可得解決該類問題的一般思維模型如下：

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：36.

[2] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：4.

［責任編輯：季春陽］