由果探因——與碳酸氫根相關的兩個反應分析

張昌恒

（江蘇省靖江高級中學 江蘇 靖江 214500）

在高考試卷和高三模擬試卷中，經常會碰到或涉及到與碳酸氫根相關反應的題目， 教師在講解此類問題時，多數情況下是定性地闡述或簡單解釋，學生對此類問題的理解往往只限于表面認識或者死記硬背，不能真正地把握和理解，因而在碰到其他與之相關的情景中涉及到此類問題時就不能觸類旁通、靈活駕馭。 本文試圖從定量分析的角度對與碳酸氫根相關的兩個反應進行分析， 以期使學生對此類問題有一個更深入具體的認識，真正把握其內涵，以便“居高臨下”的解決相關問題。

一、碳酸氫銨溶液與氫氧化鈉溶液的反應分析

在碳酸氫銨溶液中逐漸滴加氫氧化鈉溶液時，若從定性的角度進行分析，應該有三種情況：一是氫氧根離子與碳酸氫銨溶液的碳酸氫根離子先反應；二是氫氧根離子與碳酸氫銨溶液的銨根離子先反應；三是氫氧根離子與碳酸氫銨溶液中的兩種離子同時反應，究竟反應的機理是什么，難以從實驗現象上加以判斷。 因此，在考查學生的這一類問題時，通常設計成探究性的問題，如上海市2012 年的高考題就呈現了這樣一條探究題：

（2012 上海高考46）為探究NH4HCO3和NaOH 的反應， 設計實驗方案如下： 含0.1 mol NH4HCO3的溶液中加入0.1 mol NaOH，反應完全后，滴加氯化鈣稀溶液。

若有沉淀， 則NH4HCO3與NaOH 的反應可能為______（寫離子方程式）；

若無沉淀， 則NH4HCO3與NaOH 的反應可能為______（寫離子方程式）。

現從加入的氫氧化鈉溶液少量和過量兩個方面進行理論分析。

（1）當加入的氫氧化鈉溶液過量時，反應比較簡單，離子方程式表示為：

（2）當加入的氫氧化鈉溶液少量時，反應比較復雜，涉及到OH-與NH4+和HCO3-兩種離子中誰先反應的問題。

現假設常溫時碳酸氫銨溶液與氫氧化鈉溶液的濃度均為0.1mol/L，在碳酸氫銨溶液中有如下水解平衡：

上式的平衡常數可表示為：

由計算的K 值不難發現， 反應①進行的程度較小，碳酸氫銨溶液中的c（NH4+）≈c（HCO3-）≈0.1mol/L，當加入氫氧化鈉溶液時，則有：

由以上兩個反應的常數可明顯看出反應②更容易進行， 故當在碳酸氫銨溶液中滴入少量氫氧化鈉溶液時， 首先發生反應②， 即反應的離子方程式應為：NH4++

二、碳酸氫鈉溶液與偏鋁酸鈉溶液的反應分析

由實驗可看出，一定量濃度的碳酸氫鈉溶液與偏鋁酸鈉溶液混合會產生白色絮狀沉淀，因此，在離子共存題中，經常會出現HCO3-、AlO2-能否共存的問題，如：

（2010 上海卷9）下列離子組一定能大量共存的是

A.甲基橙呈黃色的溶液中：I-、Cl-、NO3-、Na+

B.石蕊呈藍色的溶液中：Na+、AlO2-、NO3-、HCO3-

C.含大量Al3＋的溶液中：K＋、Na＋、NO3-、ClO

D.含大量OH-的溶液中：CO32-、Cl-、F-、K＋

本題的答案是D， 但B 選項如何排除， 就涉及到AlO2-與HCO3-的反應。

究其原因，可作如下定量分析（假設常溫時兩溶液的物質的量濃度均為0.1mol/L）。

1.對于碳酸氫鈉溶液來說，溶液中有下列平衡及平衡常數：

由④式的K2（H2CO3）和⑤式的K（HCO3-）水解的數值可明顯看出，由于K（HCO3-）水解遠大于K2（H2CO3），所以，溶液中主要以⑤式反應為主，又由于K（HCO3-）水解和K2（H2CO3）均較小，所以溶液中有c（H2CO3）≈c（OH-）、c（HCO3-）≈0.1-c（H2CO3），代入上述K（HCO3-）水解關系式有：

解得c（OH-）≈4.9×10-5mol/L

根據Kw＝c（OH-）c（H＋）＝10-14，有c（H＋）≈2.0×10-10mol/L

2.對于偏鋁酸鈉溶液來說，溶液中有下列平衡及平衡常數：

（上式中的Ka［Al（OH）3］為Al（OH）3的酸式溶度積常數）

則當偏鋁酸鈉溶液為0.1 mol/L 時，溶液中c（OH-）≈6.3×10-3mol/L

根據上述1 中算出的0.1mol/L 碳酸氫鈉溶液中c（H＋）≈2.0×10-10mol/L 和2 中算出的0.1mol/L 偏鋁酸鈉溶液中c（OH-）≈6.3×10-3mol/L，可知，當碳酸氫鈉溶液與偏鋁酸鈉溶液混合時（假定混合溶液中兩物質的濃度均為0.1mol/L），溶液中有：c（H＋）c（OH-）＝2.0×10-10×6.3×10-3＝1.26×10-12＞10-14所以， 當兩溶液混合時發生H＋與OH-的中和， 即促進HCO3-電離產生H＋和促進AlO2-水解產生OH-，從而使溶液中產生大量Al（OH）3而沉淀，故一定濃度的HCO3-、AlO2-溶液混合不能共存，會發生碳酸氫根的電離與偏鋁酸根的水解反應。

［1］ 合家忠.研究性學習巧奪千峰秀色——用數學方法突破化學疑點［J］.化學教育，2005，（4）：27

［2］ 中南礦冶學院分析教研室等編著.化學分析手冊［M］.北京：科學出版社，1982：573