水溶液中“三守恒”的應(yīng)用

摘 要：水溶液中“三守恒”問題是水溶液中微粒濃度關(guān)系的核心問題，而微粒間的關(guān)系又非常微妙，使學(xué)生對(duì)其理解的不夠透徹，導(dǎo)致應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)問題.

關(guān)鍵詞：三守恒;適用范圍;高考鏈接;高中化學(xué)

中圖分類號(hào)：G632 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1008-0333（2020）10-0086-03

收稿日期：2020-01-05

作者簡(jiǎn)介：李春文（1975.12-），女，碩士，從事高中化學(xué)教學(xué)研究.

水溶液中微粒的三種守恒關(guān)系指的是原子（物料）守恒、電荷守恒和質(zhì)子守恒.三種守恒關(guān)系的應(yīng)用，一直是高考的熱點(diǎn)和難點(diǎn).學(xué)生對(duì)三種守恒關(guān)系理解的不透，不了解它的適用范圍，不理解它的真正含義，導(dǎo)致應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)很多問題.

一、“三守恒”的含義和適用范圍

1.原子（物料）守恒

電解質(zhì)溶液中，無論微粒的表現(xiàn)形式如何，各元素的原子個(gè)數(shù)比保持不變.由于弱離子水解過程的存在，導(dǎo)致弱離子的存在形式發(fā)生變化，但是總的元素的個(gè)數(shù)卻是不變的.那么原子守恒的適用范圍一定是知道元素間的計(jì)量關(guān)系，才能找到原子守恒的表達(dá)式，所以它所對(duì)應(yīng)的溶液可以是單一溶液，也可以是混合溶液，只需找到元素間的計(jì)量關(guān)系.例如向1 L 0.3mol/L的NaOH溶液中通入標(biāo)準(zhǔn)狀況下的4.48 L CO2氣體，完全反應(yīng)后，溶液中原子守恒的表達(dá)式為2c（Na+）=3[c（CO2-3）+c（HCO-3）+c（H2CO3）].NaOH和CO2以3∶ 2反應(yīng)，生成0.1mol Na2CO3和0.1mol NaHCO3，那么溶液中鈉元素和碳元素的計(jì)量關(guān)系即為3∶ 2，碳元素在溶液中的存在形式除了CO2-3和HCO-3，還有水解產(chǎn)生的H2CO3.因此只需找到碳元素在溶液中的所有存在形式，就找到了物料守恒的表達(dá)式.

2.電荷守恒

電解質(zhì)溶液中，無論存在幾種溶質(zhì)，只需找到溶液中所有陽離子和所有陰離子，溶液中陽離子所帶電荷一定等于陰離子所帶電荷，溶液才能呈電中性.對(duì)于電荷守恒，首先應(yīng)該理解的是，無論溶液中溶質(zhì)有幾種，只要離子種類保存不變，電荷守恒的表達(dá)式就不會(huì)改變，如Na2CO3溶液、NaHCO3溶液、Na2CO3和NaHCO3的混合溶液中電荷守恒的表達(dá)式均相同.其次應(yīng)該理解的是，用離子濃度來表示其所帶電荷，而同一溶液中離子濃度又可以表示離子的物質(zhì)的量（因?yàn)楣灿靡粋€(gè)體積），所以1mol CO2-3帶有2mol負(fù)電荷，電荷守恒表達(dá)式中需將c（CO2-3）前填2，因此離子帶有幾個(gè)電荷就需在濃度前乘以幾.那么上述三種溶液中電荷守恒的表達(dá)式為c（Na+）+c（H+）=2c（CO2-3）+c（HCO-3）+c（OH-）.從中也不難看出，電荷守恒適用于所有溶液.

3.質(zhì)子守恒

鹽類水解過程中，水電離產(chǎn)生的H+（質(zhì)子）或OH-會(huì)結(jié)合弱離子生成弱電解質(zhì)，使水的電離平衡正向移動(dòng).那么只需找到弱酸根結(jié)合的質(zhì)子數(shù)，再由水電離產(chǎn)生的c（H+）和c（OH-）相等的關(guān)系，找到H+和OH-守恒的表達(dá)式;或者找到弱堿陽離子結(jié)合的OH-，再由水電離產(chǎn)生的c（H+）和c（OH-）相等的關(guān)系，找到H+和OH-守恒的表達(dá)式.例如NH4Cl溶液中質(zhì)子守恒的表達(dá)式為：c（H+）=c（OH-）+c（NH3·H2O）.水電離產(chǎn)生的OH-除了溶液中存在之外，還結(jié)合NH+4生成了NH3·H2O，用c（NH3·H2O）表示消耗的c（OH-），水電離產(chǎn)生的c（H+）和c（OH-）相等，進(jìn)而找到質(zhì)子守恒的表達(dá)式.再如Na2CO3溶液中，質(zhì)子守恒的表達(dá)式為c（OH-）=2c（H2CO3）+c（HCO-3）+c（H+）.水電離產(chǎn)生的H+結(jié)合CO2-3生成HCO-3，H+會(huì)繼續(xù)結(jié)合HCO-3生成H2CO3，使H+得以消耗.溶液中有多少HCO-3生成， 就要消耗多少H+ ，溶液中有多少H2CO3 ，消耗的 H+ 就將是H2CO3 的2倍，因?yàn)?mol H2CO3 需要結(jié)合2mol H+ 才能生成1mol H2CO3.簡(jiǎn)言之，只需找到H2O 電離產(chǎn)生的H+ 的所有去向，便找到了質(zhì)子守恒的表達(dá)式.由此也不難看出，質(zhì)子守恒的適用對(duì)象是能水解的鹽溶液.

二、高考鏈接

1.（2014·新課標(biāo)全國(guó)卷Ⅱ）一定溫度下，下列溶液的離子濃度關(guān)系式正確的是（ ?）.

A.pH=5的H2S溶液中，c（H+）=c（HS-）=1×10-5mol·L-1

B.pH=a的氨水溶液，稀釋10倍后，其pH=b，則a=b+1

C.pH=2的H2C2O4溶液與pH=12的NaOH溶液任意比例混合：c（Na+）+c（H+）=c（OH-）+c（HC2O-4）

D.pH相同的①CH3COONa，②NaHCO3，③NaClO三種溶液的c（Na+）：①>②>③

解析 A項(xiàng)，pH=5的H2S溶液中，H+的濃度為1×10-5mol·L-1，但是HS-的濃度會(huì)小于H+的濃度，H+來自于H2S的第一步電離、HS-的電離和水的電離，故H+的濃度大于HS-的濃度，錯(cuò)誤;B項(xiàng)，弱堿不完全電離，弱堿稀釋10倍時(shí)，pH減小不到一個(gè)單位，a

答案：D

2.（2015年江蘇卷）室溫下，向下列溶液中通入相應(yīng)的氣體至溶液pH=7（通入氣體對(duì)溶液體積的影響可忽略），溶液中部分微粒的物質(zhì)的量濃度關(guān)系正確的是（ ?）.

A.向0.10 mol·L-1 NH4HCO3溶液中通CO2：c（NH+4）=c（HCO-3）+c（CO2-3）

B.向0.10 mol·L-1 NaHSO3溶液中通NH3：c（Na+）>c（NH+4）>c（SO2-3）

C.向0.10 mol·L-1 Na2SO3溶液中通SO2：c（Na+）=2＼[c（SO2-3）+c（HSO-3）+c（H2SO3）＼]

D.向0.10 mol·L-1CH3COONa溶液中通HCl：c（Na+）>c（CH3COOH）=c（Cl-）

解析 A項(xiàng)，根據(jù)電荷守恒可知：c（NH+4）+c（H+）=c（OH-）+c（HCO-3）+2c（CO2-3），溶液呈中性，則c（H+）=c（OH-），故c（NH+4）=c（HCO-3）+2c（CO2-3），錯(cuò)誤;B項(xiàng)，根據(jù)電荷守恒可知：c（NH+4）+c（Na+）+c（H+）=c（OH-）+c（HSO-3）+2c（SO2-3），根據(jù)物料守恒可知：c（Na+）=c（H2SO3）+c（HSO-3）+c（SO2-3），溶液呈中性，則c（H+）=c（OH-），三式聯(lián)立可得：c（H2SO3）+c（NH+4）=c（SO2-3），則：c（NH+4）c（SO2-3）>c（NH+4），錯(cuò)誤;C項(xiàng)，對(duì)于Na2SO3溶液，根據(jù)物料守恒，可知：c（Na+）=2＼[c（SO2-3）+c（HSO-3）+c（H2SO3）＼]，通入SO2與Na2SO3反應(yīng)使溶液呈中性，使溶液中的硫元素增多，則有c（Na+）<2＼[c（H2SO3）+c（HSO-3）+c（SO2-3）＼]，錯(cuò)誤;D項(xiàng)，對(duì)于CH3COONa溶液，根據(jù)物料守恒有：c（Na+）=c（CH3COOH）+c（CH3COO-），c（Na+）>c（CH3COOH），根據(jù)混合溶液的電荷守恒有：c（Na+）+c（H+）=c（OH-）+c（Cl-）+c（CH3COO-），溶液呈中性，則c（H+）=c（OH-），由此可知：c（Na+）=c（Cl-）+c（CH3COO-），進(jìn)而可知c（CH3COOH）=c（Cl-），故c（Na+）>c（CH3COOH）=c（Cl-），正確.

答案：D

3.（雙選）（2016年江蘇卷）H2C2O4為二元弱酸.20℃時(shí)，配制一組c（H2C2O4）+c（HC2O-4）+c（C2O2-4）=0.100 mol·L-1的H2C2O4和NaOH混合溶液，溶液中部分微粒的物質(zhì)的量濃度隨pH的變化曲線如圖所示.下列指定溶液中微粒的物質(zhì)的量濃度關(guān)系一定正確的是（ ? ）.

A.pH=2.5的溶液中：

c（H2C2O4）+c（C2O2-4）>c（HC2O-4）

B.c（Na+）=0.100 mol·L-1的溶液中：

c（H+）+c（H2C2O4）=c（OH-）+c（C2O2-4）

C.c（HC2O-4）=c（C2O2-4）的溶液中：

c（Na+）>0.100 mol·L-1+c（HC2O-4）

D.pH=7的溶液中：c（Na+）>2c（C2O2-4）

解析 A.根據(jù)圖像知pH=2.5的溶液中：c（H2C2O4）+c（C2O2-4）