例析鹽溶液中的“三大守恒”

楊創文

廣東省佛山市順德李兆基中學 廣東 佛山 528300

新課程標準提出:通過對電離平衡、水解平衡等存在的證明及平衡移動分析，形成并發展學生的微粒觀、平衡觀和守恒觀；發展學生“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”等化學學科核心素養，培養系統思維能力。

關于水溶液中的離子平衡涉及到的不等式(即離子溶液大小比較)和三大守恒式(即物料守恒、電荷守恒和質子守恒)是近年高考的必考點。解答此類題，既要定性分析微粒性質，也要定量分析有關離子，涉及的知識主要是電離理論、水解理論與及“三大守恒”關系式。

“三大守恒”式中，電荷守恒出現頻率最大，物料守恒近年熱度有所下降，對于質子守恒高考出現的次數較少，但每次出現均會難倒大部分同學。關于質子守恒，在高考備考過程中筆者帶領學生有針對性地進行復習，并取得不錯的效果。

一、以常規題型為例，形成快速答題模版

從溶液組成，可分為單一溶質和混合溶質兩類；從選項類型，可分為等式和不等式兩類。

例題1.在Na2CO3溶液中，下列關系式不正確的是( )

A.c(Na+)=2c()+2c()+2c(H2CO3)

B.c(Na+)+c(H+)=2c()+c()+c(OH-)

C.c(OH-)=c(H+)+c()+2c(H2CO3)

D.c(Na+)+c()+2c(H2CO3)=2c()+c(OH-)

解題思路:此題為典型“三大守恒”關系題，可通過列表方式書寫“三大守恒”

快速且正確書寫出上述“三大守恒”關系式是解題的關鍵。A為物料守恒，B為電荷守恒，C為質子守恒，故本題的答案為D。

例題2.在Na2S溶液中下列關系不正確的( )

A.c(Na+)=2c(HS一)+2c(S2一)+c(H2S)

B.c(Na+)+c(H+)=c(OH一)+c(HS一)+2c(S2一)

C.c(Na+)＞c(S2一)＞c(0 H一)＞c(HS一)

D.c(OH一)=c(HS一)+c(H+)+2c(H2S)

解題思路:此題既可等式也可不等式形式出現，但只要有等式都考慮寫“三大守恒”式。

Na 2S電荷守恒 c(Na+)+c(H+)=2c(S2-)+c(HS-)+c(OH-)物料守恒 c(Na+)=2c(S2-)+2c(HS-)+2c(H 2S)質子守恒 c(OH-)=c(H+)+c(HS-)+2c(H 2S)

模仿例1很快能找出選項A不正確，C選項不等式關系需要綜合考慮Na2S的電離和H2O的電離以及S2-的水解。

例題3.在Na HCO3溶液中，下列關系式不正確的是( )

A.c(Na+)=c()+c()+c(H2CO3)

B.c(Na+)+c(H+)=2c()+c()+c(OH-)

C.c(OH-)=c(H+)+c(H2CO3)-c()

D.c(Na+)＞c(HCO3一)＞c(0 H一)＞c()＞c(H+)

Na HCO3電荷守恒c(Na+)+c(H+)=2c(CO3 2-)+c(HCO3-)+c(OH-)物料守恒 c(Na+)=c(CO3 2-)+c(HCO3-)+c(H 2 CO 3)質子守恒 c(OH-)=c(H+)+c(H 2 CO3)-c(CO3 2-)

例題4.濃度均為0.1 mol/L的Na2CO3和Na HCO3等體積混合，下列關系式正確的是( )

A.c(Na+)+c(H+)=c()+c()+c(OH-)

C.c(Na+)＜c()+c()+c(H2CO3)

解題思路:本題為混合溶質型題，有一定難度。準確列“三大守恒”關系式，對于理清微粒之間的關系將有很大幫助。

n(Na 2 CO3):n(Na HCO3) =1:1電荷守恒c(Na+)+c(H+)=2c(CO3 2-)+c(HCO3-)+c(OH-)物料守恒 2c(Na+)=3[c(CO 3 2-)+c(HCO3-)+c(H 2 CO3)]質子守恒 2c(OH-)+c(CO3 2-)=2c(H+)+3c(H 2 CO3)+c(HCO3-)

通過上述四個例題訓練不難發現，解答水溶液中的離子平衡相關題目，對于“三大守恒”關系式的熟練運用相當重要，在教學過程很有必要給學生分析清楚這些式子存在的原因，以幫助學生加深理解，尤其是質子守恒式的書寫。

二、框圖建模法幫助學生準確掌握“三大守恒”關系式，特別是“質子守恒”關系式

1、關于電荷守恒。電解質溶液呈電中性，任何電解質溶液其陽離子所帶的電荷總和必然等于陰離子所帶的電荷總和，即存在a C(Aa+)=b C(Bb-)。所以書寫電荷守恒式時，只要把溶液中存在的陽離子和陰離子全找出來，分別列在等號兩邊，注意離子所帶的電荷數與該離子系數保持一致即可。

2、關于物料守恒。物料守恒是指溶液中某一組分的原始濃度應等于它在溶液中各種存在形式的濃度之和。即變化前后某種元素原子個數守恒。如固體NA2CO3中N(NA+)=2 N()，因為在水溶液中會存在水解，故把其水解后的產物全找齊，則得到物料守恒式:c(Na+)=2c()+2c()+2c(H2CO3)3、關于質子守恒。質子守恒是指酸失去的質子數目與堿得到的質子數目相等。高中只從電離的角度簡單學習了酸堿理論，學生對質子守恒的應用存在較大的局限性。為了幫助學生更好的掌握質子守恒，筆者進行如下嘗試:

(1)聯立“電荷守恒”和“物料守恒”，消去強電解質離子，得到質子守恒式子。

此方法淺顯易懂，容易接受，對于正確解題有很大的幫助，熟練掌握此方法后可以解答大多數的質子守恒，尤其是混合鹽溶液的質子守恒，其優勢明顯。該方法要先準確地將“電荷守恒”和“物料守恒”寫出來，然后兩式聯立消去強電解質離子，每步均不能出錯，如果其中一步出錯，結果可是相當凄慘。其次，該方法純粹為解題而生，并不能對“質子守恒”有深刻的認識。鑒于此，筆者會引導學生從微觀粒子變化的角度去探索“質子守恒”。

(2)水的電離平衡角度理解“質子守恒”的本質

鹽溶液中除了溶質存在電離平衡及水解平衡，還存在水的電離平衡。當溶質僅為正鹽時，溶液提供質子(即H+)的只有水，在H2O?H++OH-中，水電離出的氫離子等于水電離出的氫氧根離子，即:C(H+)水電離=C(OH-)水電離。例如NA2CO3中存在如下水解平衡，C+H2O?+OH-和+H2O?H2CO3+OH-，結合水解方程得出:1個結合1個H+生成1個，這部分的C(H+)可以用C()形式復原，由兩個水解方程聯立可得:1個結合2個H+生成1個H2CO3，而這部分的C(H+)則用2×C(H2CO3)形式復原，這里有個2倍的關系，恰恰是學生最容易出錯的地方。整理后c(OH-)=c(H+)+c()+2c(H2CO3)。此方法可以不用寫“電荷守恒”和“物料守恒”式，但也存在比較致命的弱點，對于酸式鹽溶液，以及存在酸式鹽的混合鹽溶液則存在較大的難度。其原因是酸式鹽也會提供質子，如此會存在多個關系式，給最后聯立求總式帶來一定難度。通過Na HCO3的練習，學生普遍覺得，如果要快速書寫質子守恒，還不如用第一種方法來得實在。因為此時，除了水會電離產生質子，同時HCO3-也會電離產生質子，在解題時就得多方面考慮。如何幫助學解決這一困難，筆者作了常規處理，Na HCO3溶液中存在的電離平衡及水解平衡分別有:H2O?H++OH-，?H++，+H2O?H2CO3+OH-。若只考慮電離則有C(H+)=C(OH-)+C()，由于還存在HCO3-的水解，水電離出的部分H+以H2CO3形式呈現，則水解多出來的C(OH-)=C(H2CO3)。聯立兩種情況，就可以得出質子守恒式:C(H+)+C(H2CO3)=C(OH-)+C()。此方法處理多元弱酸的酸式鹽將倍感吃力，如NAH2PO4。

(3)酸堿質子理論深層次揭示“質子守恒”

質子理論認為:酸給出質子后變成堿，堿接受質子后變成酸，酸=堿+質子，此式中右邊的堿是左邊的酸的共軛堿，左邊的酸是右邊的堿的共軛酸，既能給出質子又能接受質子的物質為兩性物質。以酸堿質子理論為指導，結合框圖法能更加直觀地反映質子守恒的關系。

以NA2CO3為例(圖-1)。

質子理論指出H2O既可以是酸也可以是堿。通過上述框圖，清晰得出左為邊失去質子后的形態，右邊為得到質子后的形態。存在如下關系:c(OH-)=c(H+)+c()+2c(H2CO3)，H2CO3系數為2，是因為1個得到2個質子，最終以2個H2CO3形式出現。框圖法書寫質子守恒，無需寫“電荷守恒”和“物料守恒”，故更高效，更準確。但要求學生能判斷哪些微粒能產生質子，哪些微粒能結合質子，以及它們對應的共軛酸堿。

對于直接書寫酸式鹽的“質子守恒”式，框圖分析法更具優勢，例Na HCO3(圖-2)

NA HCO3的質子守恒式為:c(OH-)+c()=c(H+)+c(H2CO3)

再如Na H2PO4，其分析如下(圖-3)

Na H2PO4的質子守恒式為:c(OH-)+c()+2c()=c(H+)+c(H3PO4)，前面的系數為2，原因是1個H2PO4-可以失去2個質子，最終以2個形態出現。

混合溶液其質子守恒相對難些，例Na2CO3與Na HCO3等濃度等體積混合，分析如下(圖-4)。

該混合液質子守恒式為:2c(OH-)+c()=2c(H+)+c ()+3c(H2CO3)，H2O的系數為2，原因是Na2CO3與Na HCO3等濃度等體積混合，可以視為兩份溶液，水的量加倍，從而導致H2O得失質子數也加倍。H2CO3系數為3是由于1個得2個質子，1個得1個質子，兩者合并共得3個質子，最終以3個H2CO3形態呈現。

Na2CO3與Na HCO3若以任意比例混合，如Na2CO3:Na HCO3=x:y，求其質子守恒式。

其質子守恒式為:(x+y)c(OH-)+yc()=(x+y)c(H+)+xc()+(2x+y)c(H2CO3)

綜上所述，教師在教學過程中幫助學生深挖知識背后的原理有助于學生深層次地理解考題所蘊藏的知識，在幫助學生理解的基礎上快速且正確地作答，需要教師對解題過程進行建模，并能準確地把思維建模方法教會學生。學生要學習的不僅僅是知識，更多的是維思方式，所以，在教學過程教師很有必要對自己的思維進行建模，并幫助學生建模以達到更優的教學效果。