由碳酸氫鈉溶液中離子濃度的大小排序引起的思考

明正球

摘要：利用平衡常數(shù)詳細計算了一定濃度的碳酸氫鈉溶液中，各離子的濃度大小，并對離子的濃度進行了大小排序，得到了出乎意料的答案，并將推導方法應用到解決其它弱酸酸式鹽溶液中離子濃度大小的排序問題，得到了一般化的結論。

關鍵詞：酸式鹽溶液；離子濃度；電離常數(shù)；高中化學

文章編號：1008-0546（2017）03-0075-02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.03.026

有關碳酸氫鈉溶液中離子濃度的大小排序，給出的答案通常是：c（Na+）>c（HCO3-）>c（OH-）>c（H+）>

c（CO32-） 或者c（Na+）>c（HCO3-）>c（OH-）>c（CO32-）>

c（H+），也即，c（CO32-）、c（H+）的相對大小爭議較大，由于“HCO3-H++CO32-，加上水也會電離出少量氫離子，所以認為c（H+）>c（CO32-）的情況較多，筆者也見到了在大部分參考書中，給出的答案都是c（Na+）>

c（HCO3-）>c（OH-）>c（H+）>c（CO32-），事實果真如此嗎？

筆者是一名中學化學教師，在中學有限的條件下，無法利用高端儀器直接檢測離子的濃度大小，所以，本文想利用平衡常數(shù)，通過計算獲得碳酸氫鈉溶液中的離子濃度大小的排序，并得到有關酸式鹽溶液中離子濃度大小的一般規(guī)律。

一、計算推導

我們?nèi)〕叵?.1mol/L的碳酸氫鈉溶液作為研究對象，設各離子濃度分別如下：

c（H+） = x mol/L

c（OH-） = y mol/L

c（H2CO3）= w mol/L

c（CO32-）= z mol/L

根據(jù)常溫下水的離子積常數(shù)KW= c（H+）× c（OH-）= 10-14，也即 ：

xy=10-14 （1）

通過查表獲得常溫下碳酸的電離常數(shù)，Ka1=4.45×10-7，Ka2=4.7×10-11，代入數(shù)據(jù)，即：

=4.45×10-7（2）

=4.7×10-11（3）

依據(jù)溶液中的電荷守恒，可知：c （Na+）+x=2z+y+（0.1-z-w），0.1mol/L的碳酸氫鈉溶液中c（Na+）=0.1mol/L，代入整理，即：

x = z+y-w（4）

聯(lián)立上述的（1）（2）（3）（4），可解得：

x = c（H+）= 4.58×10-9 mol/L

y = c（OH-）= 2.18×10-6mol/L

w= c（H2CO3）= 0.0010081 mol/L

z = c（CO32-）= 0.0010059 mol/L

即：c（H2CO3）> c（CO32-） > c（OH-）>c（H+），在不作任何近似處理的情況下，僅僅是利用平衡常數(shù)進行計算，獲得了與之前完全不一樣的結果，在碳酸氫鈉溶液中，CO32-的濃度居然如此之大，是OH-濃度的幾百倍，是H+濃度的幾萬倍！結論幾乎難以置信，我又采用類似的計算方法，推導了常溫下1mol/L的碳酸氫鈉溶液中，離子濃度的相對大?。?/p>

由于HCO3-的電離和水解都很微弱，溶液中HCO3- 的濃度近似可看成原碳酸氫鈉溶液的濃度，只要所取的溶液不是極稀，HCO3-的濃度不是極小，都能滿足4700×c（HCO3-）>1，也即CO32-的濃度大于OH-的濃度。

綜上所述，只要不是極小的濃度，在碳酸氫鈉溶液中，離子濃度的大小關系均為：c（Na+）>c（HCO3-）>

c（CO32-）>c（OH-）>c（H+）。

二、反思

通過計算，得出了與預想完全不一樣的結論，仔細分析，說明在討論碳酸氫鈉溶液中離子的濃度大小問題時，不能只考慮HCO3-H++CO32-、H2OH++OH-，其實在這個體系中存在多個平衡，除了之前考慮的，還有HCO3-+H2OH2CO3+OH- ，氫離子、氫氧根離子同時也在結合成水……考慮不全可能會得到有偏差的答案。因此，用平衡常數(shù)來求算是更為客觀的處理方法，而且，利用平衡常數(shù)求算溶液中離子的濃度大小問題，不僅僅適用于碳酸氫鈉溶液，也可以推廣為其它溶液。

三、弱酸酸式鹽溶液中離子的濃度大小問題

我們采用類似的方法，求算其它酸式鹽溶液中的離子濃度大小，為了簡化計算過程，作適當?shù)慕铺幚怼?/p>

取a mol/L的NaHA溶液 （H2A為二元弱酸），查表可獲得H2A的一級電離常數(shù)，記為Ka1，二級電離常數(shù)，記為Ka2，水的離子積常數(shù)記為Kw。溶液中最多的離子為Na+，其次為HA- ，依據(jù)：Kw= c（H+）× c（OH-），所以c（OH-）=，再根據(jù)Ka2=，因HA-的水解電離都很微弱，所以將其濃度近似看為a mol/L，代入并整理為：c （A2-） =，所以：=，從這個表達式可以看出，在弱酸的酸式鹽NaHA的溶液中，c（OH-）與c（A2-）的相對大小不能一概而論，其比值受水的離子積常數(shù)、溶液的濃度，以及弱酸電離常數(shù)的影響，我們可以取常溫下的溶液舉例來看，例如，0.1mol/L的NaHS溶液，其Ka2=7.1×10-15，此時，>1，所以，在該NaHS溶液中，c（OH-）>c（S2-），得到了與同濃度的碳酸氫鈉溶液不一樣的結論。通過推導，我們可以發(fā)現(xiàn)，多元弱酸本身的電離常數(shù)，特別是其二級電離常數(shù)對結果的影響很大，還可以利用這個表達式將結論推廣到其它酸式鹽溶液，不再一一贅述。

四、結論

弱酸的酸式鹽溶液中，離子濃度的大小問題，受弱酸本身電離常數(shù)的影響，也受溶液本身濃度大小的影響，嚴格來說還受水的離子積常數(shù)的影響，這樣的溶液體系中存在多個電離、水解平衡，直接考慮比較復雜，也容易片面，比較嚴謹?shù)姆椒ㄊ抢闷胶獬?shù)進行推導和計算，在研究有關電離、水解、離子濃度大小等問題時，平衡常數(shù)幾乎是萬能的處理方法。推導過程，如果直接計算比較繁瑣，可以在掌握原理的基礎上合理的近似，簡化計算過程，在不必大量運算的前提下，得到合理客觀的答案。

溶液中的平衡問題在高中化學的教與學中始終是比較復雜的知識點，如果我們在處理有關平衡的問題時，能夠盡量利用平衡常數(shù)的定量計算，解決定性問題，將會使得抽象的思維過程變得具體化，從而得到更加接近事實的結論。

參考文獻

[1] 許文.淺議溶液中微粒濃度大小的比較[J].化學教學，2013（9）：72-73