與電荷守恒的一次親密接觸

劉羽中

離子濃度比較一直是高考化學考查的重點和難點，解決的工具是三個守恒：電荷守恒、物料守恒和質子守恒.相對來說電荷守恒是學生普遍認為最簡單易懂的，所以常常被忽視，但在實際解題中不少學生只會呆板的列出電荷守恒表達式，卻對其應用頗為生疏.本文將結合實例與電荷守恒來一次親密接觸.

1.“電荷守恒”和“離子濃度比較”

離子濃度比較常需要考慮電離因素或水解因素及主次，而電荷守恒也是解題的有效工具之一.

例125℃時，部分弱酸的電離平衡常數為：

Ka（HCOOH）=1.77×10-4，Ka（HCN）=4.9×10-10，Ka1（H2CO3）=4.3×10-7、Ka2（H2CO3）=5.6×10-11，下列說法錯誤的是（）.

A.過量CO2通入NaCN溶液中的離子方程式：2CN-+H2O+CO2→2HCN+CO2-3

B.少量HCOOH與Na2CO3溶液反應離子方程式：HCOOH+CO2-3→HCOO-+HCO-3

C.中和等體積、等pH的HCOOH和HCN消耗NaOH的量前者小于后者

D.等體積、等濃度的HCOONa和NaCN溶液中所含離子總數前者大于后者

解析由電離常數可得，酸性：HCOOH>H2CO3>HCN>HCO-3，A項產物應為HCO-3，故錯誤.考慮用量，B項正確.C項，等pH的HCOOH和HCN，c（HCN）大，則中和時消耗的NaOH的量多，故正確.D項，因為兩溶液水解程度不同，直接比較有難度，可根據兩溶液電荷守恒n（HCOO-）+n（OH-）=n（Na+）+n（H+），n（CN-）+n（OH-）=n（Na+）+n（H+），即溶液中離子總數是n（Na+）+n（H+）的2倍，CN-更易水解∴NaCN溶液中的n（H+）更小，HCOONa溶液中所含離子總數更大，故正確.

答案：A

2.“電荷守恒”+“pH=7”

在離子濃度比較中，常出現“pH=7”（常溫），這也就意味著需要考慮電荷守恒.

例2常溫下，將CH3COONa溶液和稀鹽酸混合至溶液pH=7時，列出除水分子外其余微粒的物質的量濃度大小關系.

解析此時溶液中溶質為NaCl、CH3COONa和CH3COOH，溶液中除水分子外的微粒有：Na+、Cl-、CH3COO-、CH3COOH、H+、OH-.根據pH=7，c（CH3COOH）c（Na+）+c（H+）= c（CH3COO-）+c（OH-）+c（Cl-），將物料守恒c（CH3COO-）+c（CH3COOH）= c（Na+），及c（H+）=c（OH-）代入，即可得c（CH3COOH）=c（Cl-），整理后即可得到正確答案.

答案：c（Na+）>c（CH3COO-）>c（CH3COOH）=c（Cl-）>c（H+）=c（OH-）

例3常溫下，向100 mL 0.2 mol·L-1 NaOH溶液中滴加a mol·L-1的醋酸溶液，當滴加到溶液呈中性時，此時溶液總體積為200 mL（忽略兩溶液混合溶液體積的變化），若用b代表醋酸的電離常數，則原醋酸的濃度a= mol·L-1.（用含b表達式表示）

解析由題意可知，V（CH3COOH）=100mL，根據電荷守恒c（Na+）+c（H+）=c（CH3COO-）+c（OH-），且c（H+）=c（OH-），∴c（CH3COO-）=c（Na+）=0.2 mol·L-1/2=0.1 mol·L-1；再根據電離方程式

CH3COOHCH3COO-+H+；Ka=

c（CH3COO-）c（H+）c（CH3COOH）=0.1 mol·L-1×10-7mol·L-1c（CH3COOH）=b，整理可得混合后醋酸的平衡濃度c（CH3COOH）=10-8bmol·L-1，∴混合后醋酸的濃度為（10-8b+0.1）mol·L-1，考慮到體積的變化，求原醋酸的濃度只需加倍即可.

答案：2×10-8b+0.2.

3.“電荷守恒”+“濃度不等式”

離子濃度的大小比較，學生較為熟悉的套路是用電離或水解的知識來解答，但一些較為復雜的題目中，常常寓守恒于不等式中，學生常常不知如何入手.技巧是：將根據題意得到的不等式代入守恒式尤其是電荷守恒，進而轉化為新的不等式.這種題型綜合性較強，難度也較大.

例4常溫下，向20.00 mL 0.1000 mol·L-1 （NH4）2 SO4溶液中逐滴加入

0.2000 mol·L-1NaOH時，溶液的pH與所加NaOH溶液體積的關系如圖1所示（不考慮NH3·H2O分解）.下列說法正確的是（）.

圖1

A.點a所示溶液中：c（NH+4）>c（SO2-4）>c（OH-） > c（H+）

B.點b所示溶液中：c（NH+4）=c（Na+） >c（H+）=c（OH-）

C.點c所示溶液中：c（SO2-4）+c（H+）=c（NH3·H2O ）+c（OH-）

D.點d所示溶液中：c（SO2-4）>c（NH3·H2O）>c（OH-）>c（NH+4）

解析A項，NH+4水解溶液呈酸性，c（H+）應大于c（OH-），故錯誤；

B項，根據電荷守恒：

c（NH+4）+c（Na+）+c（H+）=c（OH-）+2c（SO2-4），因為b點c（Na+）

D項，此時溶質是Na2SO4和NH3·H2O，其物質的量濃度的原始比為1∶2，雖然NH3·H2O會因為微弱電離，略有減少，但c（NH3·H2O）應大于c（SO2-4），故錯誤.

答案：C

4.“電荷守恒”+“物料守恒”

電荷守恒和物料守恒都是離子濃度比較中的重要工具，這也注定了在一些綜合性較強的題目中兩者常常組合使用，對于它們的強強組合，必須學會分析和應用.

例5下列溶液中微粒的物質的量濃度關系正確的是（）.

A.CH3COOH 溶液加水稀釋后，溶液中c（H+）/c（CH3COO-） 的值減小

B.25℃時，將濃度均為0.1 mol·L-1的CH3COOH、CH3COONa兩溶液等體積混合，pH=4.75，則

c（CH3COO-）+c（OH-）C.25℃時，pH=2的HCOOH與pH=12的NaOH等體積混合：c（HCOO-）+c（H+）