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        二元弱酸酸式鹽NaHCO3、NaHS和NaHSO3溶液中離子濃度大小的探究

        2018-05-18 09:29:02劉清華
        考試周刊 2018年42期

        摘要:高中化學(xué)教學(xué)中,遇到有關(guān)二元弱酸酸式鹽NaHB溶液離子濃度大小比較時(shí),我們通過(guò)定性分析得出稀溶液中水解程度大于電離程度的二元弱酸酸式鹽中NaHB溶液離子濃度大小的結(jié)論是c(Na+)>c(HB-)>c(OH-)>c(H+)>c(B2-)。本文利用質(zhì)子守恒以及假設(shè)c(HB-)≈c(NaHB),詳細(xì)推導(dǎo)計(jì)算得出NaHCO3溶液和NaHS溶液濃度在0.1 mol·L-1到0.01 mol·L-1內(nèi)的關(guān)系為c(Na+)>c(HB-)>c(B2-)>c(OH-)>c(H+),這與我們高中教學(xué)中定性分析的結(jié)果不同。并且,筆者還探究了電離程度大于水解程度的NaHSO3溶液,在溶液濃度為0.1 mol·L-1到0.01 mol·L-1內(nèi)的濃度大小關(guān)系為c(Na+)>c(HSO-3)>c(SO2-3)>c(H+)>c(OH-),也與我們高中定性分析的結(jié)果不同。

        關(guān)鍵詞:碳酸氫鈉;硫氫化鈉;亞硫酸氫鈉;離子濃度大小;定量計(jì)算

        高中化學(xué)教學(xué)中,鹽類水解是一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)。而鹽類水解中又常常出現(xiàn)比較多元弱酸酸式鹽中各離子濃度大小的題目。例如在探討NaHCO3溶液中各離子濃度的大小關(guān)系時(shí),教師通過(guò)定性分析給出的結(jié)論是c(Na+)>c(HCO-3)>c(OH-)>c(H+)>c(CO2-3)。這個(gè)定性分析的結(jié)果存在很大爭(zhēng)議,因此有教師探究了0.1 mol·L-1的NaHCO3溶液中各離子濃度的大小關(guān)系,得到c(Na+)>c(HCO-3)>c(CO2-3)>c(OH-)>c(H+)的結(jié)論。也有教師探究了1.0×10-4mol·L-1的NaHCO3溶液中各微粒濃度的大小關(guān)系,得到的結(jié)論是c(Na+)>c(HCO-3)>c(OH-)>c(CO2-3)>c(H+)。筆者對(duì)不同初始濃度的NaHCO3溶液中各離子的濃度大小做了一系列的定量計(jì)算,發(fā)現(xiàn)隨著NaHCO3溶液的濃度的變化存在三種不同的離子濃度大小關(guān)系。本文中筆者將探究稀溶液中水解程度大于電離程度的NaHCO3溶液和NaHS溶液中各離子濃度的大小關(guān)系,以及電離程度大于水解程度的NaHSO3溶液中各離子濃度的大小關(guān)系。

        通過(guò)查閱,筆者發(fā)現(xiàn)分析化學(xué)中測(cè)定某種弱酸、弱堿的電離常數(shù)所使用的溶液濃度是0.01~0.003 mol·L-1,因此本文選取稀溶液的濃度是從0.1 mol·L-1到1.00×10-4mol·L-1進(jìn)行計(jì)算。

        經(jīng)查得:298K(25℃)下H2CO3的Ka1=4.30×10-6,Ka2=5.61×10-11,Kw=1.0×10-14。因此Kh1=Kw/Ka2=1.78×10-4;Kh2=Kw/Ka1=2.33×10-8.

        NaHCO3溶液中存在著以下平衡:

        (1) HCO-3的電離平衡:

        HCO-3H++CO2-3Ka2=[H+][CO2-3][HCO-3][CO2-3]=Ka2[HCO-3][H+]

        (2) HCO-3的水解平衡:

        HCO-3+H2OH2CO3+OH-Kh2=[OH-][H2CO3][HCO-3][H2CO3]=Kh2[HCO-3][OH-]

        (3) H2O的電離平衡:

        H2OH++OH-Kw=[H+][OH-][OH-]=Kw[H+]

        (4) 由質(zhì)子守恒可得:

        [H+]+[H2CO3][OH-]+[CO2-3]

        因此將以上(1)中的c(CO2-3)、(2)中的c(H2CO3)以及(3)中的c(OH-)代入質(zhì)子守恒關(guān)系式可得:

        [H+]+Kh2[HCO-3][H+]Kw=Kw[H+]+Ka2[HCO-3][H+]

        整理得:

        [H+]2(1+Kh2[HCO-3]Kw)=Kw+Ka2[HCO-3]

        [H+]=Kw(Kw+Ka2[HCO-3])Kw+Kh2[HCO-3]

        由于NaHCO3是強(qiáng)電解質(zhì),在溶液中完全電離,并且我們探究的溶液濃度范圍是1.0×10-1mol·L-1至1.0×10-4mol·L-1,因此c(HCO-3)的濃度遠(yuǎn)大于c(CO2-3)、c(OH-)和c(H+),所以這里我們可以假設(shè)c(HCO-3)≈c(NaHCO3),以上計(jì)算過(guò)程中沒(méi)有考慮離子強(qiáng)度的影響。

        為了更明顯地看到NaHCO3溶液中各微粒的濃度關(guān)系,筆者將NaHCO3溶液濃度從1.0×10-1mol·L-1至1.0×10-4mol·L-1的各微粒濃度的數(shù)值顯示于圖1中。從圖1中我們可以看到c(OH-)一直大于c(H+),這是由于HCO-3水解常數(shù)Kh1大于電離常數(shù)Ka2。但是隨著NaHCO3溶液的濃度不斷減小,溶液中各離子濃度大小存在兩種不同的大小關(guān)系。為了得到精確的分界值,筆者計(jì)算了c(CO2-3)=c(OH-)時(shí)的NaHCO3溶液濃度。

        以下是推導(dǎo)過(guò)程:

        當(dāng)c(CO2-3)=c(OH-)時(shí):

        Ka2[HCO-3][H+]=Kw[H+][HCO-3]=KwKa2=1.78×10-4mol/L

        定量計(jì)算的結(jié)果表示當(dāng)NaHCO3溶液濃度在0.1mol·L-1到1.78×10-4mol·L-1時(shí),各離子的濃度關(guān)系為c(Na+)>c(HCO-3)>c(CO2-3)>c(OH-)>c(H+);而NaHCO3溶液濃度在1.78×10-4mol·L-1到1.00×10-4mol·L-1時(shí),溶液中各離子的濃度關(guān)系為c(Na+)>c(HCO-3)>c(OH-)>c(CO2-3)>c(H+)。

        為了便于比較,筆者計(jì)算了同樣是水解程度大于電離程度的NaHS溶液中各離子濃度的大小,見(jiàn)圖2。經(jīng)查得:298K(25℃)下H2S的Ka1=9.10×10-8,Ka2=1.10×10-12。

        為了得到精確的分界值,筆者計(jì)算了c(S2-)=c(OH-)時(shí)的NaHS溶液濃度。

        以下是推導(dǎo)過(guò)程:

        當(dāng)c(S2-)=c(OH-)時(shí):

        Ka2[HS-][H+]=Kw[H+][HS-]=KwKa2=9.09×10-3mol/L

        定量計(jì)算的結(jié)果表示當(dāng)NaHS溶液濃度在0.1mol·L-1到9.09×10-3mol·L-1時(shí),各離子的濃度關(guān)系為c(Na+)>c(HS-)>c(S2-)>c(OH-)>c(H+);而NaHS溶液濃度在9.09×10-3mol·L-1到1.00×10-4mol·L-1時(shí),溶液中各離子的濃度關(guān)系為c(Na+)>c(HS-)>c(OH-)>c(S2-)>c(H+)。

        NaHCO3和NaHS溶液都是水解程度大于電離程度,因此溶液都顯堿性。為了對(duì)比分析,筆者也計(jì)算了電離程度大于水解程度的二元弱酸酸式鹽NaHSO3溶液中各離子濃度的濃度大小,見(jiàn)圖3。經(jīng)查得:298K(25℃)下H2SO3的Ka1=1.54×10-2,Ka2=1.02×10-7。

        定量計(jì)算的結(jié)果表示當(dāng)NaHSO3溶液濃度在0.1 mol·L-1到1.00×10-4mol·L-1時(shí),各離子的濃度關(guān)系為c(Na+)>c(HSO-3)>c(SO2-3)>c(H+)>c(OH-)。c(SO2-3)=c(H+)的臨界值濃度不在0.1 mol·L-1到1.00×10-4mol·L-1范圍內(nèi),所以只看到了一種離子濃度大小關(guān)系。

        高考題目中對(duì)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的考查主要以0.1 mol·L-1和0.05 mol·L-1的NaHCO3溶液為主要討論對(duì)象。而筆者計(jì)算得出NaHCO3溶液和NaHS溶液濃度在0.1mol·L-1到0.01 mol·L-1內(nèi)的關(guān)系為c(Na+)>c(HB-)>c(B2-)>c(OH-)>c(H+),NaHSO3溶液在0.1 mol·L-1到0.01 mol·L-1內(nèi)的關(guān)系為c(Na+)>c(HSO-3)>c(SO2-3)>c(H+)>c(OH-),這與我們高中教學(xué)中定性分析的結(jié)果不同。在0.1 mol·L-1到1.00×10-4mol·L-1范圍內(nèi),二元弱酸酸式鹽NaHB中的離子濃度大小關(guān)系隨著NaHB的濃度不同,存在不同的離子濃度大小關(guān)系。而且不同的二元弱酸酸式鹽NaHB中三種關(guān)系的臨界值濃度也不同。

        筆者認(rèn)為遇到具體溶液中各離子濃度關(guān)系大小分析的問(wèn)題時(shí),盡量將定性分析的問(wèn)題,通過(guò)定量計(jì)算得出實(shí)際的離子濃度大小的結(jié)論,而不是僅僅停留在定性的分析基礎(chǔ)上。這樣才能使得學(xué)生學(xué)到的知識(shí)經(jīng)得起實(shí)踐的考驗(yàn)。

        參考文獻(xiàn):

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        [8] 武漢大學(xué).分析化學(xué)(第4版)[M].北京:高等教育出版社,2000.

        作者簡(jiǎn)介:劉清華,上海市,上海市奉賢中學(xué)。

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