溶液中微粒分布系数题型解读

2023-03-18边永平

高中数理化 2023年4期

边永平

(河北省丰宁满族自治县第一中学)

在分析化学中,溶液中某物种(各型体)的浓度(平衡浓度)占总浓度(分析浓度)的分数,称为分布分数,又称分布系数,用δ或d表示,含某一微粒的各种型体的分布系数之和为1.近年来,有关电解质溶液中微粒的分布分数(或分布系数)的考查已成为高考的热点问题,如2020 年全国Ⅰ卷和Ⅱ卷、2021 年山东卷、2022年辽宁卷.试题的建模形式一般是给出分布分数的计算式,以数形结合的方式创设一定的问题情境,并辅以其他基本概念和理论进行综合考查.该题型对考生的学科核心素养要求较高,属于拉档次的题目.本文对近三年的相关考题进行分析总结,希望对学生复习备考有所帮助.

例1(2020年全国Ⅰ卷,改编)用酚酞试液作为指示剂,用物质的量浓度为0.1000 mol·L-1的NaOH 溶液来滴定20.00 mL 一定物质的量浓度的二元酸H2A 溶液.溶液中各微粒分布系数δ和溶液的酸碱性(pH)随着加入NaOH 溶液的体积V(NaOH)的变化情况如图1所示.[分布系数即为某种微粒占总量的比例,如A2-的分布系数表示为

图1

下列有关描述正确的是( ).

A.曲线①代表δ(HA-),曲线②代表δ(A2-)

B.H2A溶液的物质的量浓度为0.2000mol·L-1

C.HA-的电离平衡常数Ka＝1.0×10-2

D.滴定终点时,溶液中存在着关系式c(Na＋)＜2c(A2-)＋c(HA-)

解析由图像可知,随着NaOH 溶液的滴入,曲线①代表的微粒的分布系数逐渐减小,曲线②代表的微粒的分布系数逐渐增大;当加入40 mL NaOH 溶液时,溶液的pH 发生突变,即到达滴定终点,根据反应2NaOH＋H2A＝Na2A＋2H2O,可得c(H2A)＝0.1000mol·L-1,且曲线②代表的微粒分布系数达到最大值(接近1);观察曲线③,在没有加入NaOH 时,pH 为1,结合分布系数说明H2A 第一步完全电离,溶液中不存在H2A 分子,第二步部分电离,故曲线①代表δ(HA-),曲线②代表δ(A2-),选项A 正确,选项B 错误.由于H2A 第一步完全电离,则HA-的起始浓度为0.1000 mol·L-1,根据图像,当V(NaOH)＝0时,HA-的分布系数为0.9,溶液的pH＝1,A2-的分布系数为0.1,即

选项C正确.依据电荷守恒原理可知,溶液中各离子浓度存在的关系为c(Na＋)＋c(H＋)＝2c(A2-)＋c(HA-)＋c(OH-),用酚酞作指示剂,酚酞变色的pH 范围为8.2～10,终点时生成的盐Na2A 发生水解,使溶液呈碱性,即有c(OH-)＞c(H＋),故有c(Na＋)＞2c(A2-)＋c(HA-),选项D 错误.答案为A、C.

例2(2020年全国Ⅱ卷,节选)化学工业为疫情防控提供了强有力的物质支撑.氯的许多化合物既是重要化工原料,又是高效、广谱的灭菌消毒剂.次氯酸为一元弱酸,具有漂白和杀菌作用,其电离平衡体系中各成分的组成分数,X 为HClO 或ClO-]与pH 的关系如图2 所示.HClO 的电离常数Ka值为_________.

图2

解析由图像可以看出:当pH＝7.5时,

即可知在该点时c(ClO-)＝c(HClO),由HClO 的电离方程式HClO⇌ClO-＋H＋,结合Ka的计算式可以求解:

例3(2021 年山东卷) 赖氨酸[H3N＋(CH2)4CH(NH2)COO-,用HR 表示]是人体必需氨基酸,其盐酸盐(H3RCl2)在水溶液中存在如下平衡:

向一定浓度的H3RCl2溶液中滴加NaOH 溶液,溶液中H3R2＋、H2R＋、HR 和R-的分布系数δ(X)随pH 变化如图 3 所示.已知δ(X) ＝,下列表述正确的是( ).

图3

解析赖氨酸[H3N＋(CH2)4CH(NH2)COO-]属于一元弱酸,其盐酸盐(H3RCl2)可视为三元酸,向H3RCl2溶液中滴加NaOH 溶液,依次发生离子反应:

依据电荷守恒可以列出:

P点溶质为NaCl、HR、NaR,此时溶液呈碱性,因此有c(OH-)＞c(H＋),此时

则选项D 正确.答案为C、D.

例4(2022 年辽宁卷)NH2CH2COOH(甘氨酸)是人体必需氨基酸之一.在常温时,NH3＋CH2COOH、NH3＋CH2COO-、NH2CH2COO-的分布分数 [如δ(A2-) ＝与溶液pH 关系如图4所示,下列说法错误的是( ).

图4

新课改理念下的高考命题,优化试题呈现方式,精心创设问题情境,强化基础性,增强开放性,加强对关键能力和学科核心素养的考查.下面将有关溶液中微粒的分布系数考题的能力考查与解题应对策略进行小结.

1)有关溶液中微粒的分布系数试题的能力考查分析.

研究上述几例考题可以发现,从问题设置以及对思维能力的要求视角看,该题型在设置问题时主要分了3个梯度,层层推进.

a)考查识图能力:在明确坐标的前提下,判断图像中各曲线的含义,如例1和例4,这是最低要求,也是解题的根本.

b)考查计算能力:在试题中常设置计算电离平衡常数的问题,如例1和例2.这同时是对信息迁移能力的考查,即将题目所给的分布分数的计算方法进行应用.

c)考查创新思维能力:考查各微粒的浓度关系,如例1和例3;考查水解常数,如例4;对微粒浓度关系进行创新考查,如例3中的选项C和例4中的选项D,要求考生具有非常扎实的基础知识、具有灵活的应变能力与创新能力.

2)解题策略.

a)观察图像,对号入座:观察图像首先要明确坐标的含义,有的图像中含有双坐标,如例1,注意不要混淆.其次要将图像中各段曲线与相应的微粒一一对应,这是解题的出发点,一般是根据曲线的起点、终点及变化趋势来判断其含义.比如,多元弱酸加碱时,酸中的氢逐步被中和,因此开始阶段酸分子的浓度递减,而相应地生成的酸式酸根离子浓度在递增,以后依此类推.

b)选准数据,谨慎计算:计算时要对题中所给的数据信息进行仔细甄别和分析,一般对于曲线的起点、终点和交点要进行重点关注.参考起点数据一般可用于判断电解质的强弱及计算电解质的初始浓度,如例1.要善于利用交点数据,解题时常利用两条曲线的交点坐标值求解电离常数或水解常数,如例2、例3和例4.

c)灵活应变,创新应用:有的考题中设置的问题若从表面看,似乎没有具体含义,甚至还容易使考生误判.但将问题分解开来经过仔细对比研究,常常会发现这类综合性较强的问题,需要运用多个知识点才能顺利求解.如上述各道例题中有关微粒浓度关系的判断,在运用电荷守恒表达式时,还需要用到等量代换法,结合曲线交点坐标将等式中的某些离子浓度进行替换,才能作出正确的判断.还有的问题需要将几个等式进行必要的数学运算才能求解.

链接练习

(2017年全国Ⅱ卷)改变0.1 mol·L-1二元弱酸H2A 溶液的pH,溶液中的H2A、HA-、A2-的物质的量分数δ(X)随pH 的变化如图 5 所示 [已知δ(X) ＝.下列叙述错误的是( ).