电解质溶液中微粒间浓度关系推导策略之阐释
2022-06-08
摘要：电解质溶液中微粒间浓度关系的推导需采取适当的教学策略。阐述了推导过程中需遵循的三个原理：电荷守恒原理、物料守恒原理及质子守恒原理，并着重诠释了其形成的理论依据；同时根据经验总结归纳出两个法则：微弱法则和主次法则。旨在教学中能帮助学生便捷、有效地掌握相关知识和解题技巧。
教育期刊网http://www.jyqkw.com/
关键词：微粒浓度；电解质溶液；守恒原理
文章编号：1005?C6629（2014）7?C0081?C04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
电解质溶液中微粒间浓度关系的推导是高考试卷中的常见题型，也是平时教学过程中令师生都感到棘手的难点之一，究其根本原因在于教师未讲清楚，学生弄不明白，依葫芦画瓢的结果可想而知。过去虽有不少文章涉及此命题，但也多为结论总结性内容，往往只重结果而无视推导方法及过程，对教与学的启示作用并不明显。实际上只要教学策略适当，各个知识点的来龙去脉交代清楚，问题便可迎刃而解。本文从推导过程中需遵循的三个原理出发，深挖其形成的理论依据，再结合平时教学过程中总结归纳出的两个法则，深入浅出，让学生既能知其然也能知其所以然。
1 三个原理
1.1 电荷守恒原理
由于电解质溶液呈电中性，故电解质溶液中各种阳离子所带正电荷数的总和等于各种阴离子所带负电荷数的总和。该原则主要应用于溶液中所有阴、阳离子间浓度关系的推导。
例：在K2CO3溶液中存在如下关系：
需指明的是某种离子的电荷浓度应等于该离子的浓度乘以该离子所带的电荷数，这是电荷守恒关系式推导的关键，也是最容易出错的地方。
1.2 物料守恒原理
答案：C
1.3 质子守恒原理
在电解质溶液中质子（H+）不可能无缘无故地得到也不可能无缘无故地失去，某些微粒得到和失去的质子总数必然相等，此即质子守恒。首先应明确电解质溶液中有哪些初始微粒可能发生质子的得与失，这些微粒通常是组成电解质的酸碱成分和溶剂分子，一般定为“基准物质”[1]，然后用基准物质得失质子后的产物的物质的量来表示得失质子的物质的量，得出相应的关系式，再转换成物质的量浓度的表达式即可。
该式也可以理解为H原子的物料守恒，由于该溶液中只有溶剂水分子能提供质子，故H+的各种存在形式的浓度之和应等于水电离出的OH-的浓度。需注意的是其中2c（H2CO3）表示生成H2CO3分子消耗的质子数是H2CO3分子数目的2倍，这是推导质子守恒表达式的关键。
2 两个法则
若要比较电解质溶液中的微粒浓度大小关系，还需掌握以下两个法则：
2.1 微弱法则
弱电解质在水溶液中部分电离，这里的部分电离是指电离程度很小，例如25℃时0.1 mol?L-1 CH3COOH的pKa=4.76[2]，即Ka=1.73×10-5，据此可以计算出CH3COOH的电离度仅为1.3%左右，故可以认为是微弱电离，谓之弱电解质微弱电离法则。这样一来，电离产物的浓度一般就远小于未电离部分，如电解质分子的浓度。
上述讨论的题型中只存在电解质的电离或水解一种平衡，若溶液中同时存在电离和水解两种平衡状态，推导过程中就要考虑两种平衡的主次之分了。
再如等浓度等体积的CH3COOH和CH3COONa的混合溶液中，抓住微粒在初始状态时的瞬间浓度关系，不考虑电离和水解则有c（CH3COOH）起始=c（Na+）= c（CH3COO-）起始，实际上CH3COOH要电离，CH3COO-要水解，导致其浓度发生改变，结合主次法则可得：
c（CH3COOH）起始↓↑=c（Na+）=c（CH3COO-）起始↓↑
箭头的长短表示增减幅度不等，这样平衡浓度的大小关系自然一目了然，而这种推导方法既形象又直观，易于学生理解和把握。
例2 （2012江苏高考）25℃时，有c（CH3COOH）+ c（CH3COO-）=0.1 mol?L-1的一组醋酸、醋酸钠混合溶液，溶液中c（CH3COOH）、c（CH3COO-）与pH的关系如图所示。下列有关溶液中离子浓度关系的叙述正确的是（ ）
D.向W点所表示的1.0 L溶液中通入0.05 mol HCl气体（溶液体积变化可忽略）：
c（H+）=c（CH3COOH）+c（OH-）
解析：解答此类题型首先必须读懂图给信息，要抓住纵横坐标的含义、曲线的走向及起点、拐点、交点和终点等关键信息。如图：当pH=5.5时，c（CH3COO-）>c（CH3COOH），A选项错误；W点：c（CH3COO-）= c（CH3COOH），又电荷守恒可得：c（Na+）+c（H+）=c（CH3COO-）+c（OH-），所以c（Na+）+c（H+）=c（CH3COOH）+c（OH-）；若向W点1.0 L此溶液中通入HCl 0.05 mol，此时溶液恰好变为CH3COOH和NaCl的混合液，c（H+）=c（CH3COO-）+c（OH-），根据微弱法则可知此时c（CH3COO-）< 答案：BC
当然处理具体问题时还需综合考虑各种因素，特别需要注意的是要结合题目所给信息具体问题具体分析。
参考文献：
[1]华中师范大学等主编.分析化学（上册第三版）[M].北京：高等教育出版社，2001：92～93.
[2][3][4][5][6][7]顾庆超等主编.新编化学用表[K].南京：江苏教育出版社，1998：1407～1411.
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关键词：微粒浓度；电解质溶液；守恒原理
文章编号：1005?C6629（2014）7?C0081?C04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
电解质溶液中微粒间浓度关系的推导是高考试卷中的常见题型，也是平时教学过程中令师生都感到棘手的难点之一，究其根本原因在于教师未讲清楚，学生弄不明白，依葫芦画瓢的结果可想而知。过去虽有不少文章涉及此命题，但也多为结论总结性内容，往往只重结果而无视推导方法及过程，对教与学的启示作用并不明显。实际上只要教学策略适当，各个知识点的来龙去脉交代清楚，问题便可迎刃而解。本文从推导过程中需遵循的三个原理出发，深挖其形成的理论依据，再结合平时教学过程中总结归纳出的两个法则，深入浅出，让学生既能知其然也能知其所以然。
1 三个原理
1.1 电荷守恒原理
由于电解质溶液呈电中性，故电解质溶液中各种阳离子所带正电荷数的总和等于各种阴离子所带负电荷数的总和。该原则主要应用于溶液中所有阴、阳离子间浓度关系的推导。
例：在K2CO3溶液中存在如下关系：
需指明的是某种离子的电荷浓度应等于该离子的浓度乘以该离子所带的电荷数，这是电荷守恒关系式推导的关键，也是最容易出错的地方。
1.2 物料守恒原理
答案：C
1.3 质子守恒原理
在电解质溶液中质子（H+）不可能无缘无故地得到也不可能无缘无故地失去，某些微粒得到和失去的质子总数必然相等，此即质子守恒。首先应明确电解质溶液中有哪些初始微粒可能发生质子的得与失，这些微粒通常是组成电解质的酸碱成分和溶剂分子，一般定为“基准物质”[1]，然后用基准物质得失质子后的产物的物质的量来表示得失质子的物质的量，得出相应的关系式，再转换成物质的量浓度的表达式即可。
该式也可以理解为H原子的物料守恒，由于该溶液中只有溶剂水分子能提供质子，故H+的各种存在形式的浓度之和应等于水电离出的OH-的浓度。需注意的是其中2c（H2CO3）表示生成H2CO3分子消耗的质子数是H2CO3分子数目的2倍，这是推导质子守恒表达式的关键。
2 两个法则
若要比较电解质溶液中的微粒浓度大小关系，还需掌握以下两个法则：
2.1 微弱法则
弱电解质在水溶液中部分电离，这里的部分电离是指电离程度很小，例如25℃时0.1 mol?L-1 CH3COOH的pKa=4.76[2]，即Ka=1.73×10-5，据此可以计算出CH3COOH的电离度仅为1.3%左右，故可以认为是微弱电离，谓之弱电解质微弱电离法则。这样一来，电离产物的浓度一般就远小于未电离部分，如电解质分子的浓度。
上述讨论的题型中只存在电解质的电离或水解一种平衡，若溶液中同时存在电离和水解两种平衡状态，推导过程中就要考虑两种平衡的主次之分了。
再如等浓度等体积的CH3COOH和CH3COONa的混合溶液中，抓住微粒在初始状态时的瞬间浓度关系，不考虑电离和水解则有c（CH3COOH）起始=c（Na+）= c（CH3COO-）起始，实际上CH3COOH要电离，CH3COO-要水解，导致其浓度发生改变，结合主次法则可得：
c（CH3COOH）起始↓↑=c（Na+）=c（CH3COO-）起始↓↑
箭头的长短表示增减幅度不等，这样平衡浓度的大小关系自然一目了然，而这种推导方法既形象又直观，易于学生理解和把握。
例2 （2012江苏高考）25℃时，有c（CH3COOH）+ c（CH3COO-）=0.1 mol?L-1的一组醋酸、醋酸钠混合溶液，溶液中c（CH3COOH）、c（CH3COO-）与pH的关系如图所示。下列有关溶液中离子浓度关系的叙述正确的是（ ）
D.向W点所表示的1.0 L溶液中通入0.05 mol HCl气体（溶液体积变化可忽略）：
c（H+）=c（CH3COOH）+c（OH-）
解析：解答此类题型首先必须读懂图给信息，要抓住纵横坐标的含义、曲线的走向及起点、拐点、交点和终点等关键信息。如图：当pH=5.5时，c（CH3COO-）>c（CH3COOH），A选项错误；W点：c（CH3COO-）= c（CH3COOH），又电荷守恒可得：c（Na+）+c（H+）=c（CH3COO-）+c（OH-），所以c（Na+）+c（H+）=c（CH3COOH）+c（OH-）；若向W点1.0 L此溶液中通入HCl 0.05 mol，此时溶液恰好变为CH3COOH和NaCl的混合液，c（H+）=c（CH3COO-）+c（OH-），根据微弱法则可知此时c（CH3COO-）<
当然处理具体问题时还需综合考虑各种因素，特别需要注意的是要结合题目所给信息具体问题具体分析。
参考文献：
[1]华中师范大学等主编.分析化学（上册第三版）[M].北京：高等教育出版社，2001：92～93.
[2][3][4][5][6][7]顾庆超等主编.新编化学用表[K].南京：江苏教育出版社，1998：1407～1411.