基于酸堿質(zhì)子理論厘清離子反應(yīng)中的若干問題

金劍鋒

摘要： 以酸堿質(zhì)子理論為基礎(chǔ)，運用化學(xué)平衡原理，討論溶液中離子反應(yīng)的若干問題，幫助學(xué)生明晰電離平衡和水解平衡的本質(zhì)，形成認(rèn)識溶液中離子反應(yīng)的基本思路。

關(guān)鍵詞： 酸堿質(zhì)子理論; 離子反應(yīng); 電離平衡; 化學(xué)平衡常數(shù); 水解平衡

文章編號： 10056629（2020）10009404

中圖分類號： G633.8

文獻標(biāo)識碼： B

1 問題的提出

無機化學(xué)反應(yīng)大多數(shù)是在水溶液中進行的，參與反應(yīng)的物質(zhì)主要是酸、堿和鹽，它們都是電解質(zhì)，在水溶液中能電離出離子。因此，酸、堿、鹽之間的反應(yīng)實際上就是離子反應(yīng)。離子反應(yīng)可以分為酸堿反應(yīng)、沉淀反應(yīng)、配合反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)四大類[1]。

現(xiàn)行高中化學(xué)教材在選修《化學(xué)反應(yīng)原理》模塊中以“溶液中的離子反應(yīng)”為專題，介紹了弱電解質(zhì)的電離平衡、溶液的酸堿性、鹽類的水解和難溶電解質(zhì)的沉淀溶解平衡四部分內(nèi)容[2]。教材中對酸堿的認(rèn)識是基于1887年瑞典化學(xué)家阿倫尼烏斯（Arrhenius， 1859～1927）提出的酸堿電離理論，即凡在水溶液中電離產(chǎn)生的全部陽離子都是H+的物質(zhì)叫做酸;電離產(chǎn)生的全部陰離子都是OH-的物質(zhì)叫做堿;酸堿反應(yīng)的實質(zhì)就是H+和OH-結(jié)合生成水的反應(yīng)[3]。這一理論是人們對酸、堿認(rèn)識由現(xiàn)象到本質(zhì)的一次巨大飛躍，在高中階段具有普遍的適用性。但是也存在一定的缺陷，如它無法解釋物質(zhì)在非水溶液中的酸堿性問題，這對學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)帶來一定的障礙;又如它也無法解釋中學(xué)階段的氣態(tài)NH3和HCl發(fā)生中和反應(yīng)并無水生成，以及下文將討論的若干問題。授課時教師通常是按照教材順序逐一講解，對專題內(nèi)容的前后聯(lián)系認(rèn)識不夠深入，缺乏對知識的系統(tǒng)性研究，從而導(dǎo)致學(xué)生掌握知識的片面化和碎片化，有時甚至出現(xiàn)理解上的誤區(qū)。

高中階段在“溶液中的離子反應(yīng)”專題中選擇酸堿反應(yīng)和沉淀反應(yīng)為離子反應(yīng)的研究對象，旨在引導(dǎo)學(xué)生運用前一專題所學(xué)的化學(xué)平衡原理，進一步認(rèn)識水溶液體系中的電離平衡、水解平衡和沉淀溶解平衡，從而掌握離子反應(yīng)進行的方向和限度，認(rèn)識離子反應(yīng)所遵循的基本原理，初步形成關(guān)于物質(zhì)變化的科學(xué)觀念[4]，以便能動地控制化學(xué)反應(yīng)，從而服務(wù)于實際生產(chǎn)和生活。水溶液中的電離平衡和水解平衡屬于單相平衡，而沉淀溶解平衡是多相平衡[5]。本文重點以酸堿質(zhì)子理論為基礎(chǔ)，討論單相平衡中電離平衡和水解平衡的若干問題，以便幫助學(xué)生進一步明晰電離平衡和水解平衡的本質(zhì)和聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生形成認(rèn)識水溶液中離子反應(yīng)的基本思路，回溯知識的本原，更好地建構(gòu)學(xué)科知識體系，形成并發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”和“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)系統(tǒng)思維能力[6]。

2 理論的分析

2.1 酸堿質(zhì)子理論

酸堿質(zhì)子理論是丹麥化學(xué)家布朗斯泰德（Bronsted， 1879～1947）和英國化學(xué)家勞萊（Lowry， 1874～1936）于1923年提出。他們認(rèn)為，凡能夠給出質(zhì)子（H+）的物質(zhì)都是酸;凡能夠接受質(zhì)子的物質(zhì)都是堿;某物質(zhì)既能夠給出質(zhì)子，又能夠接受質(zhì)子，就既是酸又是堿，可稱為酸堿兩性物質(zhì)[7]。

由此可以看出，單獨一對共軛酸堿本身是不能發(fā)生酸堿反應(yīng)的，也可以把通式“酸堿+H+”稱為酸堿半反應(yīng)。

3 問題的解決

3.1 運用酸堿質(zhì)子理論修正電離平衡的表達方式

蘇教版教材在用“CH3COOH+H2OCH3COO-+H3O+表示醋酸分子與水分子作用并發(fā)生電離的過程示意”后，又表述“醋酸的電離方程式可表示為CH3COOHCH3COO-+H+”，并在腳注中指出“在水溶液中，分子或離子并不是單獨存在的，而是與一定數(shù)目的水分子結(jié)合在一起的。H+和H3O+都是水溶液中氫離子的簡略表示方式，通常更多地用H+表示”[8]。

通常學(xué)生接觸到的各種物質(zhì)的電離方程式都是簡寫形式。長此以往，學(xué)生容易忽略簡寫形式的由來，往往誤認(rèn)為CH3COOH分子可以自發(fā)電離成CH3COO-和H+，若寫成“CH3COOH+H2OCH3COO-+H3O+”形式，僅僅是因為“在水溶液中，H+不是單獨存在的，而是與一定數(shù)目的水分子結(jié)合在一起的，從而寫成H3O+”。

據(jù)了解，出現(xiàn)以上情況的學(xué)生還不在少數(shù)，甚至是已經(jīng)高三年級的學(xué)生。顯然這是教學(xué)出了問題。由于教師沒有理解教材給出“CH3COOH+H2OCH3COO-+H3O+表示醋酸分子與水分子作用并發(fā)生電離的過程示意”的意圖，亦或是對于酸堿質(zhì)子理論的認(rèn)識膚淺或者缺失，導(dǎo)致對于水溶液中電離原理的理解不夠到位。

依據(jù)酸堿質(zhì)子理論，可以非常清晰地認(rèn)識到“CH3COOH+H2OCH3COO-+H3O+”才是CH3COOH發(fā)生電離的本質(zhì)，而“CH3COOHCH3COO-+H+”僅僅是一個酸堿半反應(yīng)，教師雖然習(xí)慣用它來表示CH3COOH發(fā)生電離的一種書寫形式，但切不要把簡寫的酸堿質(zhì)子反應(yīng)和酸堿半反應(yīng)混為一談。為了避免學(xué)生出現(xiàn)上述認(rèn)識上的誤區(qū)，筆者認(rèn)為教學(xué)中有必要強化規(guī)范的電離平衡表達式的內(nèi)涵釋義。

3.2 運用酸堿質(zhì)子理論完善化學(xué)平衡常數(shù)的使用

電離常數(shù)、水的離子積常數(shù)、水解常數(shù)是各種化學(xué)平衡的平衡常數(shù)。運用這些常數(shù)來分析溶液的酸堿性相對強弱時會起到很好的輔助作用。例如，在一定的溫度下，當(dāng)弱酸的濃度相同時，電離常數(shù)越大，弱酸的電離程度就越大，弱酸的酸性就越強。學(xué)生對于這條規(guī)則的運用也顯得得心應(yīng)手。

建構(gòu)主義認(rèn)為，知識結(jié)構(gòu)并不是線性結(jié)構(gòu)或?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)，而是圍繞關(guān)鍵概念而建構(gòu)起來的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的知識。在學(xué)生學(xué)完了電離平衡和水解平衡后，有教師設(shè)計了“比較室溫下，相同濃度的HCN和NH4Cl溶液的酸堿性強弱”的問題，考查學(xué)生運用化學(xué)平衡常數(shù)在解決結(jié)構(gòu)不良領(lǐng)域問題的遷移和運用能力，同時也保證了知識的高度概括性與具體性的結(jié)合，使知識富于靈活性，能夠適應(yīng)變化的情境，增強了知識的遷移性和覆蓋面。在學(xué)生經(jīng)過一番思考后，有學(xué)生提出了以下分析思路：

其實，類似問題已經(jīng)引起不少教師和參加過高中化學(xué)競賽的學(xué)生的討論。明正球老師提出弱酸的酸式鹽溶液中離子濃度的大小，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(yán)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(fù)雜，也容易片面，比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ㄊ抢闷胶獬?shù)進行推導(dǎo)和計算[11]。李德慶老師指出，對NaHCO3溶液中離子濃度的認(rèn)識產(chǎn)生誤差的原因在于僅考慮HCO-3的水解和電離，而忽略了在較高濃度時HCO-3質(zhì)子自遞反應(yīng)對粒子濃度造成的影響，他也提出涉及類似NaHCO3的兩性物質(zhì)溶液中離子濃度的比較，必須在指明溶液濃度的情況下，通過計算進行推導(dǎo)[12]。

前文推算NaHC2O4溶液中微粒濃度的過程并未具體展開，主要原因在于在其他文獻中已經(jīng)出現(xiàn)過多次規(guī)范的解析過程，以免重復(fù);更重要的原因是兩性物質(zhì)水溶液的酸堿性的定量計算，已超出高中課程標(biāo)準(zhǔn)要求。這是大學(xué)分析化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容，甚至在多個版本的大學(xué)無機化學(xué)教材中也明確指出，該定量計算比較復(fù)雜，有待后續(xù)課程討論[13]。

在NaHC2O4溶液中，存在HC2O-4的電離、HC2O-4的水解和H2O的電離，還有如李德慶老師提出的HC2O-4的質(zhì)子自遞反應(yīng)。通常HC2O-4的質(zhì)子自遞反應(yīng)不容易想到，這仍然是由于對電離和水解的本質(zhì)理解不到位而導(dǎo)致。這里主要涉及兩種物質(zhì)——HC2O-4和H2O，它們都屬于酸堿質(zhì)子理論中的酸堿兩性物質(zhì)，都是既能夠給出質(zhì)子，又能夠接受質(zhì)子。因此，兩種物質(zhì)間必定存在四個質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，具體表示如下：

以上運用酸堿質(zhì)子理論解決水溶液中微粒濃度關(guān)系的方法，是源于對水溶液中的離子反應(yīng)本質(zhì)的深刻認(rèn)識，也是基于認(rèn)識水溶液中離子反應(yīng)的基本思路，符合高中階段對學(xué)生的能力考查要求，有利于幫助學(xué)生更好地建構(gòu)學(xué)科知識體系，培養(yǎng)系統(tǒng)思維能力。值得注意的是，當(dāng)溶液的濃度過小時，定性分析會與定量計算發(fā)生結(jié)果的偏差，應(yīng)以定量計算結(jié)果為準(zhǔn)，但這已經(jīng)不是高中階段要考慮的問題了。

4 結(jié)語

隨著教育改革的不斷深化，教師應(yīng)重視自我專業(yè)能力的發(fā)展與提升，切實理解和踐行終身學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)觀和對科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度。在日常教學(xué)中，我們應(yīng)努力做到全面把握學(xué)科知識體系，深入理解每個學(xué)科概念和原理的本原，充分挖掘?qū)W科知識蘊含的思想以及解決問題的基本思路，主動研讀與化學(xué)學(xué)科知識相關(guān)的科學(xué)史料，認(rèn)識學(xué)科發(fā)展與人的發(fā)展、社會發(fā)展的關(guān)系，從而加深對學(xué)科教學(xué)的理解。只有以更專業(yè)精準(zhǔn)的學(xué)科知識和理論體系來武裝我們的頭腦，才能更好地駕馭中學(xué)化學(xué)教學(xué)。

參考文獻：

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[12]李德慶， 李研. 碳酸氫鈉水溶液中粒子濃度的關(guān)系[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2019， （9）： 87～89.