电解质溶液三大守恒的书写困扰与解决方法
2020-04-07林雪铃郑柳萍
林雪铃 郑柳萍
摘 要：“三大守恒”（电荷守恒、物料守恒和质子守恒）是高中化学电解质溶液教学的重点和难点之一，以此为基础的考点如离子浓度大小的比较，在全国各地高考试题中的出现率几乎100%。然而大多数学生却因为“三大守恒”存在书写困扰导致无法解题或判断失误，因此本文归纳了目前多数学生存在的书写困扰问题，并提出相应的解决方法，运用于教学实践后发现学生较容易理解和掌握，效果良好。
关键词：三大守恒;离子浓度;基准法
一、 电荷守恒
（一）书写困扰
①易漏写离子。
②什么地方该乘系数？
（二）解决方法
①电荷守恒是指电解质的水溶液中，阳离子所带的总电荷数等于阴离子所带的总电荷数。其中，不仅有溶质电离的离子，溶剂水作为弱电解质也会电离出H+和OH-，同时要注意有些离子还能继续电离（如HCO-3）。所以学生在书写电荷守恒时，可以通过写出溶液中存在的电离和水解方程式辅助判断。
②面对电荷守恒的系数问题，教师在教学过程中，应着重强调：既然电荷守恒的本质是溶液中离子带有的阴阳电荷相等，那么就必须注意离子能带多少电荷。例：碳酸氢钠（NaHCO3）溶液，第一步，找种类，列等式，一般为左阳右阴。溶液存在的离子种类有：Na+、H+、HCO-3、CO2-3和OH-，可列出等式：c（Na+）+c（H+）=c（HCO-3）+c（CO2-3）+c（OH-）。第二步：乘电荷，发现1个CO2-3带两个负电荷，即带有的电荷是它浓度的两倍，因此c（CO2-3）前乘2，得到电荷守恒等式：c（Na+）+c（H+）=c（HCO-3）+2c（CO2-3）+c（OH-）。
（三）如何运用
由于电荷守恒需要考虑水的电离，因此电荷守恒等式中肯定会出现H+和OH-，而它们的相对大小正好反应了溶液的酸碱性，所以电荷守恒就可以应用于给定pH时，比较其他离子的浓度大小。
【例】 将未知浓度体积的CH3COOH溶液与NaOH溶液混合，溶液呈酸性，那么c（Na+） c（CH3COO-）（填“>”“<”或“=”）。
解析：不管浓度体积多少，该混合溶液中存在的所有离子都为Na+、H+、CH3COO-和OH-，则对应存在的电荷守恒为：c（Na+）+c（H+）=c（CH3COO-）+c（OH-）。溶液呈酸性，即c（H+）>c（OH-），根据等式可得c（Na+） 注：若混合后溶液呈碱性，则c（H+） 二、 物料守恒 （一）书写困扰 ①守恒找不到目标，无从下手。 ②系数与比例找不对，为什么系数总是写反？ （二）解决方法 ①物料守恒是指一个平衡体系中，某一组分的总浓度一定等于它所电离或水解成的各种离子的平衡浓度之和。较多学生在概念上有些理解困难，比例关系具体列的依据是什么呢？因此，教师在教学中，应强调物料守恒探讨的对象是溶质，与溶剂水无关，在等式中根本不会出现水电离的H+和OH-，所以物料守恒的关键在于找准原始溶液中非氢非氧元素的比例。如碳酸钠（Na2CO3）溶液，第一步，找出非氢非氧元素，肯定是Na和C，其中NaC=21，即Na=2C，而溶液中的部分CO2-3会分步水解成HCO-3和H2CO3，所以C存在的形式有CO2-3、HCO-3和H2CO3，那么就可以列出等式：c（Na+）=2【c（CO2-3）+c（HCO-3）+c（H2CO3）】。 ②由以上可知，物料守恒的系数是以非氢非氧元素的比例交叉相乘得到的，所以在列等式的时候，就必须先把比例列对。比如碳酸氢钠（NaHCO3）溶液和碳酸钠（Na2CO3）溶液等浓度等体积1∶1混合时，找出非氢非氧元素：Na和C，在两份溶质等物质的量下，NaC=32，再交叉相乘展开，即2Na=3C，C存在的形式有CO2-3、HCO-3和H2CO3，列出等式：2c（Na+）=3【c（CO2-3）+c（HCO-3）+c（H2CO3）】，物料守恒就写完了。但还是要注意，C的所有存在形式要以中括号围起，它们是一个整体。所以遇到题目去掉中括号时就应该变成：2c（Na+）=3c（CO2-3）+3c（HCO-3）+3c（H2CO3），C每个系数前要均匀分配3。因此物料守恒的关键是找到溶质的非氢非氧元素，有了目标再列出比例式，从而配上系数，扎实书写就不会混乱。 （三）如何运用 通常在题目里看到等式中没有出现c（H+）与 c（OH-），很可能就是物料守恒，它可以辅助判斷溶液中离子浓度的变化关系。 【例】 对于0.1mol/LNa2SO3溶液，下列说法正确的是（ ） A. 升高温度，溶液的pH降低 B. c（Na+）=2c（SO2-3）+c（HSO-3）+c（H2SO3） C. c（Na+）+c（H+）=2c（SO2-3）+2c（HSO-3）+c（OH-） D. 加入少量NaOH固体，c（SO2-3）与c（Na+）均增大 解析：Na2SO3属于强碱弱酸盐，SO2-3会发生分步水解：SO2-3+H2OHSO-3+OH-，HSO-3+H2OH2SO3+OH-。A选项中，水解属于吸热反应，升温促水解，平衡正向移动，c（OH-）增大，pH升高，故A错。B、C选项考查守恒等式的书写，B中等式不含c（H+）与c（OH-），是非氢非氧元素——Na和S的物料守恒，首先列出Na和S的比例式：NaS=21，交叉相乘得Na=2S，S的存在形式有SO2-3、HSO-3和H2SO3，因此列出等式：c（Na+）=2【c（SO2-3）+c（HSO-3）+c（H2SO3）】，对应B应为：c（Na+）=2c（SO2-3）+2c（HSO-3）+2c（H2SO3），故错在系数。C等式中含有溶液中的所有离子，因此为电荷守恒，其中一个SO2-3带两个电荷，所以c（SO2-3）前乘2，但一个HSO-3只带一个电荷，不用乘2。可以看出B、C两个选项重点考查守恒等式的系数。D选项中，加入NaOH固体，c（Na+）和 c（OH-）增大，由于c（OH-）增大，水解平衡逆向移动，抑制水解，c（SO2-3）增大，故D对。 三、 质子守恒 （一）书写困扰 ①质子守恒到底怎么列？ ②混合溶液时又该怎么列？ ③什么时候要乘“系数”？ （二）解决方法 ①质子守恒是指在水溶液中由水电离的H+永远等于由水电离的OH-，即c（H+）=c（OH-）。但在会发生水解的盐溶液中，如CH3COONa溶液，由于CH3COO-会和水电离出的H+结合生成弱电解质CH3COOH，所以水电离的H+有一部分存在于CH3COOH分子中，于是就可以列出c（H+）+c（CH3COOH）=c（OH-）。对于这样简单的单一溶液列式，学生也能够较好的理解。 但若遇到混合溶液，这样定义的列式就会开始出现混乱。所以教师在教学过程中，可以以“基准法”规范列式，即分为两步。第一步，找基准，即体系中参与H+传递的物质。第二步：根据得失H+个数相等列等式。 还是以CH3COONa溶液为例，先找基准，其中只有CH3COO-和H2O会参与H+传递，可以通过画图形展现：如图1，CH3COO-会跟H+结合生成CH3COOH，而H2O既可以失H+生成OH-，也可以得H+生成H3O+。不难发现H2O到OH-丢的H+其实都在CH3COOH和H3O+中，所以根据得失H+相等，就可以得到这样的等式：c（CH3COOH）+c（H3O+）=c（OH-），但在中学阶段，一般将H3O+写成H+，即 c（CH3COOH）+c（H+）=c（OH-）。因此，可以将“基准法”列一个标准格式为：c（H+）+c（基准得H+产物）=c（OH-）+c（基准失H+产物）。 ②再是混合溶液，目前高考只要求两种溶质的溶液混合，可以先把两种溶质的质子守恒分开考虑。如在CH3COONa和CH3COOH等体积等浓度1∶1混合溶液中，如图2所示：在CH3COONa溶液中，基准（参与H+传递的）分别是CH3COO-、H2O，CH3COO-得H+生成CH3COOH，H2O得H+生成H3O+（H+），失H+得OH-。质子守恒式为c（H+）+c（CH3COOH）=c（OH-）。在CH3COOH溶液中，基准（参与H+传递的）分别是CH3COOH、H2O，CH3COOH失H+生成CH3COO-，H2O得H+生成H3O+（H+），失H+得OH-，质子守恒式为c（H+）=c（OH-）+c（CH3COO-）。再将以上两个结果合并得到2c（H+）+c（CH3COOH）=2c（OH-）+c（CH3COO-）。 结果可以总结为两种溶质混合溶液的基准法格式：2c（H+）+c（基准得H+产物）=2c（OH-）+c（基准失H+产物）。 ③什么时候要乘系数呢？先以Na2S溶液为例，第一步，找基准：S2-、H2O，其中一个S2-会得一个H+变成HS-，得两个H+生成H2S，如图3。第二步，代入列式可得质子守恒式为：c（H+）+c（HS-）+2c（H2S）=c（OH-），其中c（H2S）前有系数2是因为该溶液的基准为S2-，S2-是通过得了两次H+才生成H2S，即 c（H2S）是得到2倍H+后的产物，自然要变成 2c（H2S）。再来看NaHS溶液，第一步，找基准：HS-、H2O，其中HS-会得一个H+变成H2S，会失去一个H+变成S2-，如图4。第二步，代入列式可得质子守恒式为：c（H+）+c（H2S）=c（OH-）+c（S2-）。 由此对比可发现，虽然Na2S溶液和NaHS溶液的微粒种类一样，写出的电荷守恒也一样，但质子守恒是在溶液原本提供的微粒基础上分析得失H+的，所以基准物不一样，以基准微粒分析的得失H+个数自然也不同。因此，單一溶液的质子守恒的系数是取决于基准物得失的H+次数。 （三）如何运用 质子守恒常用来比较溶液中微粒的水解和电离程度。 【例】 浓度均为0.1mol/L的CH3COOH与CH3COONa溶液等体积混合后溶液显酸性，则 c（CH3COOH） c（CH3COO-）（填“>”“<”或“=”），即该混合溶液中CH3COOH的电离程度 CH3COO-的水解程度（填“>”“<”或“=”）。 解析：可以写出混合溶液的质子守恒式为 2c（H+）+c（CH3COOH）=2c（OH-）+c（CH3COO-）。此时溶液显酸性，则c（H+）>c（OH-），可推出c（CH3COOH） 作者简介： 林雪铃，郑柳萍，福建省福州市，福建师范大学化学与材料学院。
