張貝貝

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn);碳酸氫鈉溶液;離子濃度;定量研究

一、引言

電解質(zhì)溶液中離子濃度大小排序是高中化學(xué)?？碱}型，其中碳酸氫鈉溶液中各離子濃度排序尤為常見(jiàn)。在日常教學(xué)中，關(guān)于碳酸氫鈉溶液中各離子濃度大小關(guān)系分析過(guò)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(gè)，分別為：

第一步中，由于HCO-3 水解，所以c（Na+）>c（HCO-3 ），又因?yàn)樘妓釟溻c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(duì)此，有不少學(xué)者提出了質(zhì)疑，孫麗梅[1]通過(guò)對(duì)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(jìn)行的分析，發(fā)現(xiàn)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(duì)某一具體濃度進(jìn)行了分析，得出與日常教學(xué)中不同的結(jié)果;在此基礎(chǔ)上，劉清華[4]通過(guò)公式計(jì)算，對(duì)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(jìn)行了探究，發(fā)現(xiàn)碳酸氫鈉溶液濃度不同時(shí)，各微粒濃度大小關(guān)系有三種情況。

之所以有學(xué)者對(duì)此提出質(zhì)疑，筆者分析主要有以下兩個(gè)方面的原因：第一，日常教學(xué)中，教師只進(jìn)行了定性分析，并沒(méi)有對(duì)碳酸氫鈉溶液中各離子濃度進(jìn)行定量計(jì)算;第二，大部分學(xué)者忽略了在碳酸氫鈉溶液中還存在HCO-3 的質(zhì)子自遞反應(yīng)[5]，即HCO-3 + HCO-3 H2CO3+ CO2-3 ，K=1.07×10- 4，我們發(fā)現(xiàn)HCO-3 的質(zhì)子自遞反應(yīng)的平衡常數(shù)的數(shù)量級(jí)為10-4，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上述三個(gè)反應(yīng)的平衡常數(shù)，而這一反應(yīng)往往成為大多數(shù)學(xué)者計(jì)算出錯(cuò)的主要原因。

通過(guò)查閱文獻(xiàn)，我們可以發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)者并沒(méi)有考慮溫度對(duì)碳酸氫鈉溶液中各離子濃度大小順序的影響，也沒(méi)有找出各種情況所對(duì)應(yīng)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(xué)實(shí)驗(yàn)軟件為載體，對(duì)碳酸氫鈉溶液中各離子濃度大小進(jìn)行探究。“IrYdium Chem?istry Lab”虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件是一個(gè)內(nèi)含多種標(biāo)準(zhǔn)試劑并可以進(jìn)行多種操作的仿真實(shí)驗(yàn)室。其以傳感技術(shù)為載體，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。對(duì)于沒(méi)有數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的學(xué)校來(lái)說(shuō)，具有較好的可視化教學(xué)效果。周昌林[6]對(duì)其下載方法以及簡(jiǎn)單應(yīng)用已做了詳細(xì)的介紹。

二、溫度的影響

溫度對(duì)電解質(zhì)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(duì)應(yīng)的平衡常數(shù)。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(jiàn)表1。

通過(guò)對(duì)表1數(shù)據(jù)分析，我們可以得出以下三個(gè)結(jié)論：第一對(duì)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(zhì)子自遞反應(yīng)平衡常數(shù)的數(shù)量級(jí)較大，隨著溫度的升高，反應(yīng)正向移動(dòng)效果明顯，HCO-3 逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2-3 ;與此同時(shí)，溫度的升高促進(jìn)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(shí)，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(shí)，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(duì)碳酸氫鈉溶液中各離子濃度大小順序影響較小，濃度對(duì)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(huì)有所增強(qiáng)，正所謂越稀越電離，越稀越水解。當(dāng)溶液濃度足夠小時(shí)，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(diǎn)，對(duì)碳酸氫鈉溶液進(jìn)行稀釋，發(fā)現(xiàn)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(diǎn)見(jiàn)表2。

通過(guò)上表我們可以發(fā)現(xiàn)，隨著碳酸氫鈉溶液濃度的降低，c（CO2-3 ）極速降低，當(dāng)c（NaHCO3）=2.150×10-4 mol/L時(shí)，c（CO2-3 ）=c（OH-），此時(shí)出現(xiàn)了第一臨界點(diǎn)，隨著溶液的稀釋，溶液中各離子濃度大小順序變?yōu)閏（Na+）>c（HCO-3 ）>c（OH-）>c（CO2-3 ）>c（H+）。隨著溶液的稀釋，水的電離對(duì)于溶液中各離子濃度大小順序的影響越來(lái)越大，當(dāng)c（NaHCO3）=1.017×10-5 mol/L時(shí)，c（CO2-3 ）=c（H+），出現(xiàn)了第二個(gè)臨界點(diǎn)，當(dāng)溶液被稀釋后，溶液中各離子濃度大小順序變?yōu)閏（Na+）>c（HCO-3 ）>c（OH-）>c（H+）>c（CO2-3 ）。當(dāng)c（NaHCO3）=1.351×10-7 mol/L時(shí)，c（HCO-3 ）=c（OH-），此時(shí)出現(xiàn)第三個(gè)臨界點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上稀釋，溶液中各離子濃度大小順序變?yōu)閏（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(gè)臨界點(diǎn)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(duì)碳酸氫鈉溶液進(jìn)行了再稀釋，發(fā)現(xiàn)當(dāng)c（NaHCO3）<9.281×10-8 mol/L時(shí)，溶液中各離子濃度大小順序不再變化。現(xiàn)將7種情況整理于表3。

四、研究?jī)r(jià)值

通過(guò)以上研究可以發(fā)現(xiàn)，碳酸氫鈉溶液中各離子濃度大小順序存在多種情況，在沒(méi)有說(shuō)明碳酸氫鈉溶液濃度的情況下，各離子濃度大小順序是無(wú)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(xué)中關(guān)于NaHCO3溶液中各離子濃度大小順序的講解以及我們?nèi)粘Ｋ婕暗牧?xí)題多有不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那闆r出現(xiàn)，針對(duì)這種現(xiàn)象，筆者有以下兩個(gè)建議：第一，我們?cè)诮虒W(xué)和命題中，要盡量避免出現(xiàn)類似知識(shí)點(diǎn);第二，如果教師想要考查相關(guān)知識(shí)時(shí)，比如：c（Na +）>c（HCO-3 ）>c（OH-）>c（H +）>c（CO2-3 ）這種?？碱愋停欢ㄒ獦?biāo)注所對(duì)應(yīng)的濃度值。