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        由果探因——與碳酸氫根相關(guān)的兩個(gè)反應(yīng)分析

        2012-12-28 04:44:34張昌恒
        化學(xué)教與學(xué) 2012年10期
        關(guān)鍵詞:碳酸氫銨碳酸氫鈉氫氧化鈉

        張昌恒

        (江蘇省靖江高級(jí)中學(xué) 江蘇 靖江 214500)

        在高考試卷和高三模擬試卷中,經(jīng)常會(huì)碰到或涉及到與碳酸氫根相關(guān)反應(yīng)的題目, 教師在講解此類問題時(shí),多數(shù)情況下是定性地闡述或簡(jiǎn)單解釋,學(xué)生對(duì)此類問題的理解往往只限于表面認(rèn)識(shí)或者死記硬背,不能真正地把握和理解,因而在碰到其他與之相關(guān)的情景中涉及到此類問題時(shí)就不能觸類旁通、靈活駕馭。 本文試圖從定量分析的角度對(duì)與碳酸氫根相關(guān)的兩個(gè)反應(yīng)進(jìn)行分析, 以期使學(xué)生對(duì)此類問題有一個(gè)更深入具體的認(rèn)識(shí),真正把握其內(nèi)涵,以便“居高臨下”的解決相關(guān)問題。

        一、碳酸氫銨溶液與氫氧化鈉溶液的反應(yīng)分析

        在碳酸氫銨溶液中逐漸滴加氫氧化鈉溶液時(shí),若從定性的角度進(jìn)行分析,應(yīng)該有三種情況:一是氫氧根離子與碳酸氫銨溶液的碳酸氫根離子先反應(yīng);二是氫氧根離子與碳酸氫銨溶液的銨根離子先反應(yīng);三是氫氧根離子與碳酸氫銨溶液中的兩種離子同時(shí)反應(yīng),究竟反應(yīng)的機(jī)理是什么,難以從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象上加以判斷。 因此,在考查學(xué)生的這一類問題時(shí),通常設(shè)計(jì)成探究性的問題,如上海市2012 年的高考題就呈現(xiàn)了這樣一條探究題:

        (2012 上海高考46)為探究NH4HCO3和NaOH 的反應(yīng), 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案如下: 含0.1 mol NH4HCO3的溶液中加入0.1 mol NaOH,反應(yīng)完全后,滴加氯化鈣稀溶液。

        若有沉淀, 則NH4HCO3與NaOH 的反應(yīng)可能為______(寫離子方程式);

        若無沉淀, 則NH4HCO3與NaOH 的反應(yīng)可能為______(寫離子方程式)。

        現(xiàn)從加入的氫氧化鈉溶液少量和過量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行理論分析。

        (1)當(dāng)加入的氫氧化鈉溶液過量時(shí),反應(yīng)比較簡(jiǎn)單,離子方程式表示為:

        (2)當(dāng)加入的氫氧化鈉溶液少量時(shí),反應(yīng)比較復(fù)雜,涉及到OH-與NH4+和HCO3-兩種離子中誰(shuí)先反應(yīng)的問題。

        現(xiàn)假設(shè)常溫時(shí)碳酸氫銨溶液與氫氧化鈉溶液的濃度均為0.1mol/L,在碳酸氫銨溶液中有如下水解平衡:

        上式的平衡常數(shù)可表示為:

        由計(jì)算的K 值不難發(fā)現(xiàn), 反應(yīng)①進(jìn)行的程度較小,碳酸氫銨溶液中的c(NH4+)≈c(HCO3-)≈0.1mol/L,當(dāng)加入氫氧化鈉溶液時(shí),則有:

        由以上兩個(gè)反應(yīng)的常數(shù)可明顯看出反應(yīng)②更容易進(jìn)行, 故當(dāng)在碳酸氫銨溶液中滴入少量氫氧化鈉溶液時(shí), 首先發(fā)生反應(yīng)②, 即反應(yīng)的離子方程式應(yīng)為:NH4++

        二、碳酸氫鈉溶液與偏鋁酸鈉溶液的反應(yīng)分析

        由實(shí)驗(yàn)可看出,一定量濃度的碳酸氫鈉溶液與偏鋁酸鈉溶液混合會(huì)產(chǎn)生白色絮狀沉淀,因此,在離子共存題中,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)HCO3-、AlO2-能否共存的問題,如:

        (2010 上海卷9)下列離子組一定能大量共存的是

        A.甲基橙呈黃色的溶液中:I-、Cl-、NO3-、Na+

        B.石蕊呈藍(lán)色的溶液中:Na+、AlO2-、NO3-、HCO3-

        C.含大量Al3+的溶液中:K+、Na+、NO3-、ClO

        D.含大量OH-的溶液中:CO32-、Cl-、F-、K+

        本題的答案是D, 但B 選項(xiàng)如何排除, 就涉及到AlO2-與HCO3-的反應(yīng)。

        究其原因,可作如下定量分析(假設(shè)常溫時(shí)兩溶液的物質(zhì)的量濃度均為0.1mol/L)。

        1.對(duì)于碳酸氫鈉溶液來說,溶液中有下列平衡及平衡常數(shù):

        由④式的K2(H2CO3)和⑤式的K(HCO3-)水解的數(shù)值可明顯看出,由于K(HCO3-)水解遠(yuǎn)大于K2(H2CO3),所以,溶液中主要以⑤式反應(yīng)為主,又由于K(HCO3-)水解和K2(H2CO3)均較小,所以溶液中有c(H2CO3)≈c(OH-)、c(HCO3-)≈0.1-c(H2CO3),代入上述K(HCO3-)水解關(guān)系式有:

        解得c(OH-)≈4.9×10-5mol/L

        根據(jù)Kw=c(OH-)c(H+)=10-14,有c(H+)≈2.0×10-10mol/L

        2.對(duì)于偏鋁酸鈉溶液來說,溶液中有下列平衡及平衡常數(shù):

        (上式中的Ka[Al(OH)3]為Al(OH)3的酸式溶度積常數(shù))

        則當(dāng)偏鋁酸鈉溶液為0.1 mol/L 時(shí),溶液中c(OH-)≈6.3×10-3mol/L

        根據(jù)上述1 中算出的0.1mol/L 碳酸氫鈉溶液中c(H+)≈2.0×10-10mol/L 和2 中算出的0.1mol/L 偏鋁酸鈉溶液中c(OH-)≈6.3×10-3mol/L,可知,當(dāng)碳酸氫鈉溶液與偏鋁酸鈉溶液混合時(shí)(假定混合溶液中兩物質(zhì)的濃度均為0.1mol/L),溶液中有:c(H+)c(OH-)=2.0×10-10×6.3×10-3=1.26×10-12>10-14所以, 當(dāng)兩溶液混合時(shí)發(fā)生H+與OH-的中和, 即促進(jìn)HCO3-電離產(chǎn)生H+和促進(jìn)AlO2-水解產(chǎn)生OH-,從而使溶液中產(chǎn)生大量Al(OH)3而沉淀,故一定濃度的HCO3-、AlO2-溶液混合不能共存,會(huì)發(fā)生碳酸氫根的電離與偏鋁酸根的水解反應(yīng)。

        [1] 合家忠.研究性學(xué)習(xí)巧奪千峰秀色——用數(shù)學(xué)方法突破化學(xué)疑點(diǎn)[J].化學(xué)教育,2005,(4):27

        [2] 中南礦冶學(xué)院分析教研室等編著.化學(xué)分析手冊(cè)[M].北京:科學(xué)出版社,1982:573

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