模型認(rèn)知在“水溶液中的離子反應(yīng)與平衡”圖像中的應(yīng)用

廣東

一、概述

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》關(guān)于“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的描述為：“知道可以通過分析、推理等方法認(rèn)識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。”

“水溶液中的離子反應(yīng)與平衡”是高考化學(xué)必考內(nèi)容，試題多會以圖像的形式呈現(xiàn)，具有一定的綜合性、靈活性和技巧性，很好地考查學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。這部分內(nèi)容也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點，基于高中化學(xué)必修1“離子反應(yīng)”和選擇性必修1“水溶液中的離子平衡”等內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生基本具備從微觀角度去分析溶液中存在何種微粒的能力，但仍缺乏系統(tǒng)的分析策略，多數(shù)學(xué)生對“兩軸三點”(橫、縱坐標(biāo)軸，起點、終點和特殊點)沒有形成系統(tǒng)認(rèn)識，不能將圖像與離子反應(yīng)、微粒種類及物理量建立起關(guān)聯(lián)。

為此，本文以“水溶液中的離子反應(yīng)與平衡”圖像復(fù)習(xí)教學(xué)為例，運用模型分類認(rèn)知，傳授教師幫助學(xué)生突破思維障礙的方法，完善知識結(jié)構(gòu)及認(rèn)識思路。

二、熱點圖像分類展示

1.pH-V圖

【探題源】(2010·江蘇卷·12)常溫下，用0.100 0 mol·L-1NaOH溶液滴定20.00 mL 0.100 0 mol·L-1CH3COOH溶液所得滴定曲線如圖1。下列說法正確的是

( )

圖1

A.點①所示溶液中：c(CH3COO-)+c(OH-)=c(CH3COOH)+c(H+)

B.點②所示溶液中：c(Na+)=c(CH3COOH)+c(CH3COO-)

C.點③所示溶液中：c(Na+)>c(OH-)>c(CH3COO-)>c(H+)

D.滴定過程中可能出現(xiàn)：c(CH3COOH)>c(CH3COO-)>c(H+)>c(Na+)>c(OH-)

【參考答案】D

【解析】點①溶液中的溶質(zhì)為0.001 mol的CH3COOH和0.001 mol的CH3COONa，據(jù)元素質(zhì)量守恒“2c(Na+)=c(CH3COOH)+c(CH3COO-)”和電荷守恒“c(Na+)+c(H+)=c(CH3COO-)+c(OH-)”，整理后消去c(Na+)可得：c(CH3COO-)+2c(OH-)=c(CH3COOH)+2c(H+)，故A錯誤；點②溶液的pH=7，即c(H+)=c(OH-)，再據(jù)電荷守恒“c(Na+)+c(H+)=c(CH3COO-)+c(OH-)”可得：c(Na+)=c(CH3COO-)，故B錯誤；點③溶液中的溶質(zhì)為0.002 mol的CH3COONa，又因為CH3COO-水解且程度較小，則離子濃度大小關(guān)系為：c(Na+)>c(CH3COO-)>c(OH-)>c(H+)，故C錯誤；當(dāng)CH3COOH較多，滴入的堿較少時，則生成CH3COONa少量，則可能出現(xiàn)c(CH3COOH)>c(CH3COO-)>c(H+)>c(Na+)>c(OH-)，故D正確。

【建模型】基本方法：抓住關(guān)鍵點→確定酸堿性→厘清微粒組成→用好“三守恒”

突破酸堿中和滴定曲線圖像的關(guān)鍵是“五點四段”，如以常溫下用0.1 mol·L-1NaOH溶液滴定20 mL 0.1 mol·L-1HA溶液的滴定曲線為例，其溶液pH的變化如圖2所示。

圖2

溶液中的溶質(zhì)成分經(jīng)歷了“酸→酸、鹽混合→鹽→鹽、堿混合”的“四段”變化。巧用“五點”，即曲線的起點、反應(yīng)一半點、恰好完全反應(yīng)點、溶液中性點和過量點，先判斷各點所對應(yīng)溶液的酸堿性(pH)，再思考溶質(zhì)在溶液中的宏觀表現(xiàn)、各粒子間相互是否反應(yīng)以及宏觀相對的量，最后應(yīng)用電荷守恒、元素質(zhì)量守恒等守恒關(guān)系去分析變化體系中不變的關(guān)系。

筆者總結(jié)抓住滴定曲線的5個關(guān)鍵點的一般方法：抓反應(yīng)的“起始”點，判斷酸、堿的相對強弱；抓反應(yīng)的“一半”點，判斷是哪兩種溶質(zhì)的等量混合，若為二元弱酸H2A，則溶質(zhì)為弱酸酸式鹽NaHA單一成分；此時n(HA)=n(NaA)，抓溶液的“中性”點，判斷溶液中溶質(zhì)的成分及哪種物質(zhì)過量或不足，此時溶液中的c(H+)=c(OH-)；抓“恰好”完全反應(yīng)點，此時酸堿混合恰好完全反應(yīng)生成正鹽，溶液的酸堿性只由鹽水解決定；抓反應(yīng)的“過量”點，判斷溶液中的溶質(zhì)及量的關(guān)系。結(jié)合圖2曲線，應(yīng)用方法思路可總結(jié)如表1。

表1

【實操應(yīng)用1】(2021·浙江6月選考·23)取兩份10 mL 0.05 mol·L-1的NaHCO3溶液，一份滴加0.05 mol·L-1的鹽酸，另一份滴加0.05 mol·L-1NaOH溶液，溶液的pH隨加入酸(或堿)體積的變化如圖3。

圖3

下列說法不正確的是

( )

D.令c點的c(Na+)+c(H+)=x，e點的c(Na+)+c(H+)=y，則x>y

【參考答案】C

2.δ-pH圖

( )

圖4

A.pH=1.2時，c(H2A)=c(HA-)

B.lg[K2(H2A)]=-4.2

C.pH=2.7時，c(HA-)>c(H2A)=c(A2-)

D.pH=4.2時，c(HA-)=c(A2-)=c(H+)

【參考答案】D

【建模型】基本方法：分清微粒線→關(guān)注交叉點→借用“三守恒”→構(gòu)建關(guān)聯(lián)式。

分布系數(shù)(δ)圖像是酸堿中和滴定曲線的一種變式，常以pH為橫坐標(biāo)，分布系數(shù)(δ)為縱坐標(biāo)，結(jié)合滴定實驗數(shù)據(jù)而繪制出的關(guān)系曲線，分布系數(shù)(δ)代表組分的平衡濃度占總濃度的比值。因此，學(xué)生在解題時應(yīng)先按照“此起彼伏”的規(guī)律分清各微粒所對應(yīng)的曲線，結(jié)合題意明確其來源，再根據(jù)曲線交點的pH確定電離常數(shù)，也可借用三大守恒確定溶液中離子濃度的等式或不等式關(guān)系等。圖像中的交點是兩種微粒濃度相等的點，可以由交點的相關(guān)數(shù)據(jù)快速求出弱酸(或弱堿)的Ka(或Kb)。對于二元弱酸H2A，隨著pH的增加，第一個交點即為溶液c(H2A)=c(HA-)的點，此時pH1=pKa1，第二個交點即為溶液c(HA-)=c(A2-)的點，此時pH2=pKa2。

【實操應(yīng)用2】(2021·山東省學(xué)業(yè)水平等級考試·15)賴氨酸[H3N+(CH2)4CH(NH2)COO-，用HR表示]是人體必需氨基酸，其鹽酸鹽(H3RCl2)在水溶液中存在如下平衡：

( )

圖5

B.M點，c(Cl-)+c(OH-)+c(R-)=2c(H2R+)+c(Na+)+c(H+)

D.P點，c(Na+)>c(Cl-)>c(OH-)>c(H+)

【參考答案】CD

3.lgx-pH圖

【探題源】(2017·全國卷Ⅰ·13)常溫下將NaOH溶液滴加到己二酸(H2X)溶液中，混合溶液的pH與離子濃度變化的關(guān)系如圖6所示。下列敘述錯誤的是

( )

圖6

A.Ka2(H2X)的數(shù)量級為10-6

C.NaHX溶液中c(H+)>c(OH-)

D.當(dāng)混合溶液呈中性時，c(Na+)>c(HX-)>c(X2-)>c(OH-)=c(H+)

【參考答案】D

【建模型】基本方法：明確對數(shù)意義→分清微粒線→關(guān)注交叉點→構(gòu)建關(guān)系式

④交叉點為微粒濃度相等點，再用三大守恒構(gòu)建出溶液離子濃度的等量或不等量關(guān)系。

【實操應(yīng)用3】(2020·山東卷·15)25℃時，某混合溶液中c(CH3COOH)+c(CH3COO-)=0.1 mol·L-1，lgc(CH3COOH)、lgc(CH3COO-)、lgc(H+)和lgc(OH-)隨pH變化的關(guān)系如圖7所示。Ka為CH3COOH的電離常數(shù)，下列說法正確的是

( )

圖7

A.O點時，c(CH3COOH)=c(CH3COO-)

B.N點時，pH=-lgKa

D.pH由7到14的變化過程中，CH3COO-的水解程度始終增大

【參考答案】BC

【解析】明確對數(shù)意義，分清微粒線。隨著pH的升高，c(OH-) 和c(CH3COO-)增大，c(H+)和c(CH3COOH)減小，又由于pH=7時，c(H+)=c(OH-)，故可推知，圖8中曲線1為lgc(CH3COO-)隨pH的變化曲線，曲線2為lgc(H+) 隨pH的變化曲線，曲線3為lgc(OH-)隨pH的變化曲線，曲線4為lgc(CH3COOH)隨pH的變化曲線。

圖8

4.δ-V-pH圖

圖9

下列敘述正確的是

( )

A.曲線①代表δ(H2A)，曲線②代表δ(HA-)

B.H2A溶液的濃度為0.200 0 mol·L-1

C.HA-的電離常數(shù)Ka=1.0×10-2

D.滴定終點時，溶液中c(Na+)<2c(A2-)+c(HA-)

【參考答案】C

【建模型】基本方法：確認(rèn)共同軸→拆解復(fù)合圖→遷移二元圖

【實操應(yīng)用4】(2021·遼寧省選擇性考試·15)用0.100 0 mol·L-1鹽酸滴定20.00 mL Na2A溶液，溶液中H2A、HA-、A2-的分布分?jǐn)?shù)δ隨pH變化曲線及滴定曲線如圖10。下列說法正確的是

( )

圖10

A.H2A的Ka1為10-10.25

B.c點：c(HA-)>c(A2-)>c(H2A)

C.第一次突變，可選酚酞作指示劑

D.c(Na2A)=0.200 0 mol·L-1

【參考答案】C

【解析】由圖像可知，隨著pH的減小，A2-的分布分?jǐn)?shù)δ逐漸減小，HA-的分布分?jǐn)?shù)δ逐漸增大，恰好生成NaHA之后，HA-的分布分?jǐn)?shù)δ逐漸減小，H2A的分布分?jǐn)?shù)δ逐漸增大，由此可得表示H2A、HA-、A2-的分布分?jǐn)?shù)δ的曲線如圖11所示。

圖11

三、結(jié)語

“水溶液中的離子反應(yīng)與平衡”圖像類試題很好地將基于真實情境下的化學(xué)實驗過程用圖像予以表征，要求考生能對圖像從靜態(tài)到動態(tài)化的閱讀，從而獲取有關(guān)的感性認(rèn)知，再將基礎(chǔ)知識與提取的關(guān)鍵信息相結(jié)合來解決有關(guān)問題。總之，突破此類試題的整體思路是基于微粒觀、變化觀、守恒觀等從宏觀到微觀，重視模型的遷移應(yīng)用。巧妙解讀圖像的關(guān)鍵是明確圖像縱、橫坐標(biāo)的物理意義，從圖像中找特殊點，并對特殊點中所蘊含的信息從定性與定量兩個維度進(jìn)行準(zhǔn)確解讀。