溶液中水電離的H+或OH-濃度計(jì)算問題

摘 要：根據(jù)學(xué)生對(duì)混合溶液體系中水電離的氫離子或氫氧根離子濃度問題存在的疑問，通過例題解析和實(shí)驗(yàn)分析，得出解決該類問題的一般思維模型，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化和思維的有序化，幫助學(xué)生更好地理解混合體系中水電離出的氫離子和氫氧根離子濃度問題.

關(guān)鍵詞：混合體系；水電離；氫氧根離子濃度

中圖分類號(hào)：G632"" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"" 文章編號(hào)：1008-0333（2024）19-0126-03

收稿日期：2024-04-05

作者簡介：南利蕊（1989.11—），女，河南省濮陽人，博士，中學(xué)一級(jí)教師，從事中學(xué)化學(xué)教學(xué)研究.

在人教版《化學(xué)》選擇性必修一第三章《水溶液中的離子反應(yīng)與平衡》中，課本中明確指出水是一種極弱的電解質(zhì)，能發(fā)生微弱的電離，如圖1所示.

針對(duì)這一內(nèi)容，2017年版本2020年修訂的《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中，要求學(xué)生能從電離、離子反應(yīng)和化學(xué)平衡的角度分析溶液的性質(zhì)[1].當(dāng)學(xué)生運(yùn)用弱電解質(zhì)的電離模型分析水的電離時(shí)，會(huì)不可避免地涉及當(dāng)溶液中有外加酸堿或可水解的鹽時(shí)對(duì)水電離的抑制或促進(jìn)問題的分析.本文針對(duì)學(xué)生對(duì)混合溶液體系中水電離的氫離子或氫氧根離子濃度問題存在的疑問，通過例題解析和實(shí)驗(yàn)分析，學(xué)生能運(yùn)用分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立解決該類問題的一般思維模型，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律[2].

1 單一溶質(zhì)體系中水電離的氫離子或氫氧根離子濃度"題型1 25 ℃時(shí)，計(jì)算下列溶液中由水電離的c（H+）.

（1）pH=2的鹽酸

（2）pH=12的NaOH溶液

（3）pH=5的NH4Cl溶液

（4）pH=10的Na2CO3溶液

解析 （1）在鹽酸溶液中，相當(dāng)于在水中加酸，此時(shí)酸對(duì)水的電離是抑制的，所以水電離出的c（H+）水肯定小于10-7 mol/L，結(jié)合KW（25 ℃）=

c（H+）·c（OH-）=10-14，可得此時(shí)溶液中的OH-是由水電離出來的，即可得出此時(shí)c（H+）水=10-12 mol/L，同理分析（2）中情況可知，c（H+）水=10-12" mol/L.（3）中相當(dāng)于在水中加入了像NH+4這樣的可水解的弱堿陽離子時(shí)，由于NH+4+H2ONH3·H2O+H+，對(duì)水的電離是促進(jìn)的，所以水電離出的c（H+）水是大于10-7 mol/L的，pH=5，可得c（H+）水=10-5 mol/L.同理分析（4）中情況，當(dāng)水中存在像CO2-3這樣的可水解的弱酸陰離子時(shí)，可得此情況下c（H+）水=10-4 mol/L.

由以上題目的分析過程，不難得出以下解決該類問題的思維模型：

但是，該類問題有時(shí)候并不是簡單地以計(jì)算水電離出的c（H+）或c（OH-）的形式給出，而是以一種隱含的形式引導(dǎo)學(xué)生去分析其中的情況，如題型2.

題型2 常溫下，下列各組離子一定能在指定溶液中大量共存的是（" ）.

A.使酚酞變紅色的溶液中：Na+、Al3+ 、SO2-4、Cl-

B.KW/c（H+）=1×10-13 mol/L的溶液中：NH+4、Ca2+ 、Cl- 、NO-3

C.與Al反應(yīng)能放出H2的溶液中：Fe2+、K+、NO-3、SO2-4

D.水電離出的c（H+）=1×10-13 mol/L的溶液中：K+、Na+、AlO-2、CO2-3

解析" A選項(xiàng)可以很明顯地看出溶液中此時(shí)是有大量的OH-的，又因?yàn)锳l3++3OH-Al（OH）3↓或Al3++4OH-AlO2-+2H2O，所以A組溶液中的離子不能大量共存；B選項(xiàng)中當(dāng)KW/c（H+）=1×10-13的時(shí)候，溶液為酸性溶液，該組中的離子均可以大量共存；C選項(xiàng)中的情況，能與Al反應(yīng)放出H2的溶液可以是酸性溶液也可以是堿性溶液，則當(dāng)該溶液為堿性溶液時(shí)，F(xiàn)e2+和氫氧根是不能共存的；D選項(xiàng)中，當(dāng)水電離出的c（H+）=1×10-13 mol/L時(shí)，該溶液可以是酸性溶液，也可以是堿性溶液，可知此時(shí)由于發(fā)生H++CO2-3CO2↑+H2O而不能大量共存.

以上分析過程中，最明顯的就是D選項(xiàng)，由于水電離出的c（H+）=1×10-13 mol/L，很明顯此時(shí)水的電離是被抑制的，即該溶液可能是外加酸或者堿的溶液，即是對(duì)以上思維模型的應(yīng)用.

但是，學(xué)生在對(duì)該類問題的解決過程中，經(jīng)常會(huì)有的疑問有（1）常溫下，某溶液中由水電離出的c（H+）水=1×10-7 mol/L，該溶液一定是中性的嗎？（2）常溫下，某中性溶液中由水電離出的c（H+）水一定等于1×10-7 mol/L嗎？

鑒于以上問題，筆者將從以下題目來進(jìn)行說明.

2 混合溶液體系中水電離的氫離子或氫氧根離子濃度

題型3 常溫下，向1 L pH＝10的KOH溶液中持續(xù)通入CO2，與溶液中水電離出的c（OH-）與通入的CO2的體積（V）關(guān)系如圖所示.下列敘述不正確的是（" ）.

A.b點(diǎn)溶液呈中性

B.d點(diǎn)溶液中：c（K+）＝2c（CO2-3）+c（HCO-3）

C.c點(diǎn)溶液中：2c（H2CO3）+c（H+）+

c（HCO-3）＝c（OH-）

D.a點(diǎn)溶液中：水電離出的c（H+）＝1×10-10" mol/L

解析 結(jié)合題目中信息及圖像進(jìn)行分析可知，a點(diǎn)水電離出的c（OH-）最小，說明其抑制水電離程度最大，此時(shí)溶液中的溶質(zhì)為KOH；b點(diǎn)KOH抑制水電離程度等于K2CO3促進(jìn)水電離程度相等，則水電離出的c（OH-）＝1×10-7 mol/L，該點(diǎn)溶液中c（KOH）＜c（K2CO3），但是此時(shí)溶液很明顯不是中性的；c點(diǎn)水電離程度最大，說明該點(diǎn)溶液中溶質(zhì)為K2CO3；d點(diǎn)溶液中水電離出的c（OH-）＝1×10-7mol·L-1，溶液呈中性；由以上分析可知A選項(xiàng)中的b點(diǎn)，溶液中溶質(zhì)為KOH和K2CO3，且c（KOH）＜c（K2CO3），KOH是堿、碳酸鉀是強(qiáng)堿弱酸鹽，所以該溶液是呈堿性的，故A錯(cuò)誤；B 選項(xiàng)中，d點(diǎn)溶液呈中性，則c（H+）＝c（OH-），根據(jù)電荷守恒得c（K+）＝2c（CO2-3）+c（HCO-3），故B正確；C選項(xiàng)中，c點(diǎn)溶液中溶質(zhì)為K2CO3，溶液中存在質(zhì)子守恒，根據(jù)質(zhì)子守恒得2c（H2CO3）+c（H+）+c（HCO-3）＝c（OH-），故C正確；D選項(xiàng)中，a點(diǎn)溶質(zhì)為KOH，水電離出的c（H+）與溶液中c（H+）是相等的，所以水電離出的c（H+）＝10-pH mol/L＝1×10-10 mol/L，故D正確.

據(jù)此題目，可知常溫下，某溶液中由水電離出的c（H+） =1×10-7 mol/L時(shí)，該溶液堿性的.還有沒有可能有其他情況呢？對(duì)于這個(gè)問題，筆者設(shè)計(jì)了以下4個(gè)實(shí)驗(yàn)（如圖3）進(jìn)行說明，實(shí)驗(yàn)過程中隨著試劑量的改變，溶液中由水電離出的c（H+）的變化情況如圖4所示.

由圖3可知，該實(shí)驗(yàn)就是簡單的酸堿中和實(shí)驗(yàn)，根據(jù)圖4所示，我們可以簡單分析出以下結(jié)果，a點(diǎn)：c（H+）lt;1×10-7 mol/L，說明此時(shí)水的電離是被抑制的；c點(diǎn)：c（H+）gt;1×10-7 mol/L，說明此時(shí)水的電離是被促進(jìn)的；b、d點(diǎn)：c（H+）=1×10-7 mol/L，說明此時(shí)水電離的抑制程度是等于促進(jìn)程度的.

結(jié)合具體的酸堿中和的情況，我們對(duì)每個(gè)點(diǎn)的溶質(zhì)進(jìn)行分析，不難得到各情況下a、b、c、d點(diǎn)的溶質(zhì)如表1所示.

根據(jù)以上分析，可得出不同酸堿中和過程中各個(gè)點(diǎn)的酸堿性情況如圖5所示.

根據(jù)圖5中分析結(jié)果，就可以解答上面的問題，常溫下，某溶液中由水電離出的c（H+） =1×10-7 mol/L時(shí)，該溶液可以是酸性、中性或堿性的.我們?cè)賹?duì)圖4進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)在某些中性溶液中，由水電離出的c（H+）是等于1×10-7 mol/L的（如當(dāng)HCl和NH3·H2O反應(yīng)時(shí)的a點(diǎn)），或者是大于1×10-7 mol/L的（如當(dāng)CH3COOH和NaOH反應(yīng)時(shí)的d點(diǎn)）.

3 結(jié)束語

綜上所述，將上面的思維模型加以完善，可得解決該類問題的一般思維模型如下：

參考文獻(xiàn)：

［1］ 中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：36.

[2] 中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：4.

［責(zé)任編輯：季春陽］