分布系数曲线模型在水溶液问题分析中的应用-高中-化学-论文

分布系数曲线模型在水溶液问题分析中的应用杨雅兰西安铁一中滨河学校摘要：本文以数学计算和数形结合为研究方法，以二元弱酸的酸式盐为研究对象，应用“宏观、微观、符号、图像”四重表征，提升对电离与水解平衡模型的应用能力，辩证认识弱酸酸式盐溶液的酸碱性。图1关键词：酸式盐分布系数曲线电离水解图11提出问题图1为二元弱酸(记为H2X)在水溶液中的分布系数曲线图，由电离方程式H2X⇌HX−+H+，HX−⇌及相关知识不难判断δ0为H2X的分布系数，δ1为HX的分布系数，δ2为X2−的分布系数。现出B点和D点的横坐标相等，但笔者查阅资料发现，并没有文献明确表达这一结论的正确性，据此提出问题：当δ(HX-)最大时，δ(H2X)与δ(X2-)相等吗？2分析论证δ(HX-)=c(HX−)要使δ(HX-)最大，只需Ka2由均值不等式可得Ka2c(H+)此时c(X2−)=c(H2X)，δ(Hδ(H2X)=δ(X2-)=c(H2X)c(HX−)+c(X2−)+c(H由c(X2−)=c(H2X)可得，Ka1·Ka2=c(HX−)·c(H+)c(HpH(B)=pH(D)=-lgc(H+)=-lgKa1·Ka2=−lgKa1·Ka以H2C2O4~HC2Oeq\o\al(－,4)~C2Oeq\o\al(2－,4)体系为例（图1为H2C2O4~HC2Oeq\o\al(－,4)~C2Oeq\o\al(2－,4)的分布分数曲线图），由A点的pH＝1.2得Ka1=10－1.2由C点的pH＝4.2得Ka2=10－4.2B、D两点的c(H+)=Ka1·Ka2=pH(B)=pH(D)=1.2+4.22δ(HC2Oeq\o\al(－,4))max=11+2Ka2Ka1=11+210δ(H2C2O4)=δ(C2Oeq\o\al(2－,4))=1Ka1Ka2+2=110−1.210以H2CO3~HCO3-~CO32-体系为例，Ka1=4.5×10－7Ka2=4.7×10－11B、D两点的c(H+)=Ka1·Ka2=4.6×pH(B)=pH(D)=pKa1+pδ(HCO3-)max=11+2Ka2Ka1=δ(H2CO3)=δ(CO32-)=1Ka1Ka2+2=1通过以上分析也可以构建其分布分数曲线如下图所示3得出结论对于二元弱酸酸式盐而言，当当δ(HX-)最大时，δ(H2X)与δ(X2-)相等，且此时c(H+)=Ka1·Ka2，pH4解决问题问题1.NaHCO3溶液的pH最大能达到多少？在H2CO3~HCO3-~CO32-体系中，当溶质为单一的碳酸氢钠时，HCO3-浓度相对较大（在一定浓度范围内成立），当其浓度最大时，溶液显碱性的原因由其决定——即δ(HCO3-)最大时溶液的pH即为其溶液所能达到的最大的pH=pKa1+pKa12=6.35+10.332=8.34.（B/D点之后，pH继续增大，δ(HCO3-)将会减小，此时碱性增强的原因由溶液中外加的CO32-决定；B/D点之前，pH减小，δ(HCO3-)也会减小，此时碱性减弱的原因由溶液中外加的H+将HCO3-问题2.向溶液中加入“显碱性”的碳酸氢钠固体，溶液碱性一定会增强吗？碳酸氢钠显碱性是针对于溶剂为纯水的体系而言的，其核心是HCO3-的水解可以破坏水的电离平衡，使溶液中的氢离子和氢氧根失衡，且最终氢离子浓度小于氢氧根的情况。事实上，在酸性或者碱性较强的溶液中，氢离子和氢氧根的浓度原本就是失衡的，对于既可以电离出氢离子又能够结合氢离子的碳酸氢根而言，进入溶液体系后是否真正发挥结合氢离子的作用取决于溶液中原有氢离子浓度的大小。当溶液碱性较强（pH>8.34）时，根据分布系数曲线可知，此时若加入碳酸氢钠固体，固体溶解并电离出的碳酸氢根将经过电离、水解、反应等一系列变化后主要以CO32-的形式存在，显然，在这个过程中其所发挥的作用是提供H+。即显酸性，溶液碱性并不会增强。例题分析：(2023·海南卷，14)25℃下，Na2CO3水溶液的pH随其浓度的变化关系如图所示。下列说法正确的是()A．c(Na2CO3)＝0.6mol·L－1时，溶液中c(OH－)<0.01mol·L－1B．Na2CO3水解程度随其浓度增大而减小C．在水中H2CO3的Ka2<4×10－11D．0.2mol·L－1的Na2CO3溶液和0.3mol·L－1的NaHCO3溶液等体积混合，得到的溶液c(OH－)<2×10－4mol·L－1答案BD解析由图像可知，c(Na2CO3)＝0.6mol·L－1时，pH>12.0，溶液中c(OH－)>0.01mol·L－1，故A错误；盐溶液越稀越水解，Na2CO3水解程度随其浓度增大而减小，故B正确；结合图像可知，当c(Na2CO3)＝0.5mol·L－1时，pH＝12，Kh1＝eq\f(cHCO\o\al(－,3)·cOH－,cCO\o\al(2－,3))＝eq\f(10－2×10－2,0.5)＝2×10－4，则Ka2＝eq\f(Kw,Kh)＝5×10－11,故C错误；若0.2mol·L－1的Na2CO3溶液与等体积的蒸馏水混合，浓度变为0.1mol·L－1，由图可知，pH>11.6，得到的溶液c(OH－)>2×10－4mol·L－1,0.2mol·L－1的Na2CO3溶液和0.3mol·L－1的NaHCO3溶液等体积混合后c(OH－)大于与水混合的c(OH－)，故D错误。上述D选项的解析中就默认为碳酸氢钠溶液显碱性，因此在溶液中加入碳酸氢钠固体就一定能让溶液增强因此对D选项进行了错误分析。事实上，0.2mol·L－1的Na2CO3溶液中c(OH-)=kh1·c=2×10−4×0.2=2×10－2.5，pOH＝2.5-lg2=2.2，pH＝14-2.2=11.7>8.34，因此在此题情境下加入碳酸氢钠固体溶液酸性并不会增强，即0.2mol·L－1的Na2CO3溶液和0.3mol·L－1的NaHCO3溶液等体积混合后c(OH－)小于与水混合的那么对D选项应该如何分析呢？对于成分复杂的混合物问题，我们往往可以采用“构造平衡常数”的方法，利用“平衡常数仅与温度有关”这一重要原理进行分析，我们可以构造出Ka2=c(X2−)·c(H+)c(HX−)=c(X2−)·kwc(HX−)·c(OH−)由此可见，对于酸式盐碳酸氢钠的碱性，我们应该辩证认识，不能一概而论，不能简单的认为“水溶液中加入碳酸氢钠固体，溶液的碱性就一定会增强”。问题3.离子共存问题：碳酸氢根与强酸强碱都不共存的使用条件。例题分析：常温下，下列溶液中的离子可否共存A.加入酚酞呈浅红色的溶液中，Na+、K+、HCO3-、NO3-B.滴入酚酞变红的溶液中，Na+、K+、HCO3-、Cl-分析：A.“浅红色”表明溶液显弱碱性（pH在8.2-10之间），可以共存；B。变红表示溶液显强碱性（pH﹥10），不能共存。5迁移应用二元弱碱——联氨的酸式盐化学式例题分析：已知联氨(N2H4)为二元弱碱，常温下将盐酸滴加到联氨(N2H4)的水溶液中，混合溶液中微粒的物质的量分数δ(X)随－lgc(OH－)变化的关系如图所示。下列叙述错误的是()A．反应N2Heq\o\al(2＋,6)＋N2H4⇌2N2Heq\o\al(＋,5)的pK＝－0.9(已知pK＝－lgK)B．N2H5Cl溶液中存在：c(Cl－)＋c(OH－)＝c(N2Heq\o\al(＋,5))＋2c(N2Heq\o\al(2＋,6))＋c(H＋)C．N2H5Cl溶液中：c(H＋)＞c(OH－)D．Kb1(N2H4)＝10－6.0答案A解析由N2H4＋H2O⇌N2Heq\o\al(＋,5)＋OH－可得Kb1(N2H4)＝eq\f(cN2H\o\al(＋,5)·cOH－,cN2H4)＝c(OH－)＝10－6.0，又由N2Heq\o\al(＋,5)＋H2O⇌N2Heq\o\al(2＋,6)＋OH－可得，Kb2(N2H4)＝eq\f(cN2H\o\al(2＋,6)·cOH－,cN2H\o\al(＋,5))＝c(OH－)＝10－15.0，而反应N2Heq\o\al(2＋,6)＋N2H4⇌2N2Heq\o\al(＋,5)的K＝eq\f(c2N2H\o\al(＋,5),cN2H\o\al(2＋,6)·cN2H4)＝eq\f(Kb1N2H4,Kb2N2H4)＝eq\f(10－6.0,10－15.0)＝109.0，所以pK＝－9.0，A项错误、D项正确；N2H5Cl溶液中存在电荷守恒：c(Cl－)＋c(OH－)＝c(N2Heq\o\al(＋,5))＋2c(N2Heq\o\al(2＋,6))＋c(H＋)，B项正确；N2H5Cl溶液因N2Heq\o\al(＋,5)水解呈酸性，所以c(H＋)＞c(OH－)，C项正确。硫酸酸式盐化学式书写：正确答案应为N2H4(HSO4)2，容易误答为N2H5HSO4等。本题的解决如果用好分布系数曲线则可快速准确的得出正确答案。硫酸是强酸，正常浓度范围内其溶液应为较强的酸性，而上图可以清楚的体现出在pOH=15即强酸性条件下，N元素的主要存在形态与溶液pH有关，当c(H＋)＞10mol·L－1时，N主要以N2Heq\o\al(2＋,6)形式存在，在此环境下结晶析出的酸式盐应为N2H6(HSO4)2；而N2Heq\o\al(＋,5)可以大量存在于pH在-1-8范围内的溶液中，在此环境下结晶析出的酸式盐应为N2H5HSO4。。碳酸酸式盐化学式书写：由图分析，HCO3-可以大量存在于pH在6.3-8.3范围内的溶液中，而N2Heq\o\al(＋,5)可以大量存在于pH在-1-8范围内的溶液中，当溶液中c(H＋)＞mol·L－1时，N主要以N2Heq\o\al(2＋,6)形式存在，因此联氨形成的碳酸酸式盐应为N2H5HCO3。事实上HCO3-与N2Heq\o\al(2＋,6)不能共存，二者会发生反应生成H2CO3。草酸酸式盐化学式书写：由图分析，HC2Oeq\o\al(－,4)可以大量存在于pH在1.2-4.2范围内的溶液中，此时N主要以N2Heq\o\al(2＋,6)形式存在，因此联氨形成的草酸酸式盐应为N2H5HC2O4，事实上HCO3-与N2Heq\o\al(2＋,6)不能共存，二者会发生反应生成H2C2O4。[1]中华人民共和国教育部.普通高中