水電離的“過程量”與“結果量”深度辨析

湖北 陳功健

水是最常見的溶劑，而對電解質溶液中水電離出的氫離子濃度的理解和認知，卻是高中化學教與學的難點。尤其是部分模擬試題中對于水電離出的氫離子濃度的“指代不明”往往引起爭議。本文試從水電離的“過程量”和“結果量”兩個角度，分析在不同情況下，水電離出的氫離子濃度的“具體內涵”，以減少今后對此類問題的爭議。

一、問題的提出

【案例一】在一次課堂教學過程中，筆者提問學生：25℃時，pH=5的NH4Cl溶液中，由水電離出的氫離子濃度為多少，大部分學生快速回答c水電離(H+)=1×10-5mol·L-1。此時有一個學生提出異議，表示根據(jù)水的離子積公式Kw=c(H+)·c(OH-)，可計算出25℃時，pH=5的NH4Cl溶液中氫氧根離子的濃度為c(OH-)=1×10-9mol·L-1，且NH4Cl不會電離出氫氧根離子。而一個水分子電離過程中產生一個氫離子的同時必定產生一個氫氧根離子，即c水電離(H+)=c水電離(OH-)，因此，由水電離產生的氫離子應為c水電離(H+)=1×10-9mol·L-1。筆者未立即評價該生的思考邏輯，而是交給全班學生來共同評價。有學生認為該生的邏輯沒問題，表示支持；有學生認為該生的邏輯不正確，因為25℃時pH=5的NH4Cl溶液中水的電離平衡應該被促進的，故由水電離出的氫離子濃度c(H+)水電離>1×10-9mol·L-1，但找不到對方思考邏輯的錯誤。

【案例二】在某高中化學教師交流群中，總有教師提問，在25℃時，CH3COONH4溶液呈中性，水的電離過程是被促進，還是無影響。有的教師認為是促進，有的教師認為無影響，爭議不休。

二、問題的分析

上述三個案例關于水的電離平衡是爭議問題的經典代表，體現(xiàn)出高中化學教與學的過程中，教師與學生對水電離平衡中，電離出的氫離子濃度的問題的認知還不夠清晰。究其原因，筆者認為是未能厘清水電離的“過程量”和“結果量”的緣故。“過程量”指水電離過程中產生的氫離子濃度；“結果量”指溶液中最終剩余的由水電離產生的氫離子濃度。

1.觀點一：在酸或堿溶液中，水電離的“過程量”與“結果量”相同

以25℃時，pH=2的鹽酸溶液為例。根據(jù)離子積公式Kw=c(H+)·c(OH-)，即可算出pH=2的鹽酸溶液中水電離出的氫氧根離子濃度為c水電離(OH-)=1×10-12mol·L-1。從水電離的“過程量”角度考慮，c水電離(H+)=c水電離(OH-)=1×10-12mol·L-1<1×10-7mol·L-1，水的電離過程被抑制；從水電離的“結果量”角度考慮，水電離出的氫離子濃度計算方法在2019版高中化學人教版選擇性必修1《化學反應原理》對應的《教師教學用書》第82頁中明確指出：“明確在一般情況下，酸或堿中水電離出的c(H+)或c(OH-)與酸電離出的c(H+)或堿電離出的c(OH-)相比比較小，可以忽略。”由此可見，在酸溶液中，離子積公式Kw=c酸(H+)·c水(OH-) 中并未體現(xiàn)出溶液中由水電離出的氫離子的濃度。此時，往往認為c水電離(H+)=c水電離(OH-)=1×10-12mol·L-1。

2.觀點二：在含弱酸陰離子或弱堿陽離子的鹽溶液中，水電離的“過程量”與“結果量”不相同

綜合上述分析，由水電離出的氫氧根離子濃度“過程量”和“結果量”應滿足如下大小關系：c過程量(OH-)≥c結果量(OH-)；同理，c過程量(H+)≥c結果量(H+)。

由此可見，水電離出的氫離子濃度的“過程量”和“結果量”并不完全一致。而很多模擬卷試題中并未區(qū)分二者，這是產生很多爭議性的問題的根本原因。例如案例一中，“25℃時，pH=5的NH4Cl溶液中，由水電離出的氫離子濃度為多少”，這樣的文字表述令人很困惑，無法區(qū)分題干問的是水電離出氫離子濃度的“過程量”還是“結果量”。這樣“不夠嚴謹”的試題在高中化學各種資料書和模擬考試中常常出現(xiàn)。

【案例1】某地大型聯(lián)考化學試卷中有這樣一道題：25℃時，某濃度的鹽酸、氯化銨溶液中由水電離出的c(H+)分別為1.0×10-amol·L-1、1.0×10-bmol·L-1，這兩種溶液的pH之和為________(用a和b相應關系式表示)。

【剖析】本題給的參考答案為“14-a+b”。很顯然，本題中水電離出的c(H+)“過程量”和“結果量”是相同的。命題人巧妙地回避了水電離出的c(OH-)“過程量”和“結果量”是不一致的情況，避免了爭議。

【案例2】某地大型聯(lián)考化學試卷中有這樣一道題引起了爭議：25℃時，某物質的溶液中，由水電離出的c(H+)=1×10-amol·L-1，下列說法不正確的是

( )

A.a<7時，水的電離受到抑制

B.a>7時，水的電離受到抑制

C.a<7時，溶液的pH不一定為a

D.a>7時，溶液的pH可能為a或14-a

【剖析】本題給的參考答案為“A”。這道題引起了極大的爭議。根據(jù)上述“觀點一”在酸或堿溶液中，水電離的“過程量”與“結果量”相同。而酸或堿抑制水的電離過程，即水電離出的氫離子濃度c(H+)過程量=c(H+)結果量<1×10-7mol·L-1。本題中若該溶液若是酸或堿溶液，則a>7。但a>7時，該溶液是否一定是酸或堿溶液，這引起老師們的討論。為討論方便，不妨令a=9。若該溶液為pH=9的CH3COONa溶液，因為CH3COO-結合H+促進水的電離平衡，導致CH3COONa溶液中剩余的由水電離產生的氫離子濃度為c(H+)結果量=1×10-9mol·L-1。若題干中“由水電離出的c(H+)=1×10-amol·L-1”指的是結果量，a>7時，該溶液可能是酸或堿溶液，還可能是CH3COONa這樣的鹽溶液。故a>7時，該溶液中的水的電離可能被抑制或被促進。如此思考，則B選項也是不正確的。

產生上述爭議的根本原因是題干中“由水電離出的c(H+)=1×10-amol·L-1”并未指明是水電離過程產生的總的氫離子濃度c過程量(H+)，還是指由水電離的剩余的氫離子濃度c結果量(H+)。筆者建議出題者應明確指明“水電離出的氫離子濃度”具體指“過程量”還是“結果量”，以減少不必要的爭議。例如2007年浙江省高中化學競賽試題(A組)第16題對這個問題進行了科學嚴謹?shù)乇硎觯苊饪忌a生理解混亂。

【例1】25℃時，某溶液中由水電離出來的并游離存在溶液中的c(H+)=1×10-amol·L-1，以下說法正確的是

( )

A.a>7時，此時溶液中水的電離一定是受到了抑制

B.a<7時，此時溶液中水的電離一定是受到了促進

C.a>7時，此溶液的pH為a或14-a

D.a<7時，此溶液的pH為a或14-a

【參考答案】BC

本題在描述水電離出的氫離子濃度時，特別補充了“游離存在溶液中”幾個字，明確指出本題中指的是水電離出的氫離子濃度的“結果量”c結果量(H+)。這樣處理非常直截了當?shù)母嬖V考生，此處水電離出的氫離子濃度按“結果量”考慮，不必糾結。

【例2】(2008·上海卷·11)常溫下，某溶液中由水電離的c(H+)=1×10-13mol·L-1，該溶液可能是

( )

①二氧化硫 ②氯化銨水溶液 ③硝酸鈉水溶液 ④氫氧化鈉水溶液

A.①④ B.①② C.②③ D.③④

【參考答案】A

本題“①二氧化硫”引起了爭議，有人認為二氧化硫通入水與水的電離出的OH-反應，促進了水的電離平衡右移。從水的電離“過程量”考慮，水電離出的氫離子濃度應該為c過程量(H+)大于1×10-7mol·L-1，從而得出本題答案僅有“④氫氧化鈉水溶液”符合。若從水的電離“結果量”考慮，本題“①二氧化硫④氫氧化鈉水溶液”才符合題意。即2008年上海卷第11題默認考查由水電離出的氫離子濃度為本文中的“結果量”。

3.觀點三：討論水的電離過程被促進或被抑制時，應考慮水電離的“過程量”

在25℃時，CH3COONH4溶液呈中性，其對水的電離有什么影響？

從水電離的“結果量”角度考慮，25℃時，呈中性的CH3COONH4溶液c(H+)=1×10-7mol·L-1，看起來對水的電離平衡沒產生任何影響，實際不然，討論水的電離過程是被促進或被抑制時，應考慮水電離的“過程量”而非“結果量”。即往蒸餾水中加入CH3COONH4固體形成CH3COONH4溶液的過程，水電離出的氫離子濃度c水電離(H+)>1×10-7mol·L-1，即水的電離平衡被促進。相應地，在25℃時，從水的電離的“過程量”考慮，加入金屬鈉促進了水的電離，而不能從水的電離的“結果量”考慮生成了NaOH從而認為抑制了水的電離。

實際上，討論水的電離是被促進或被抑制，都是指水的電離的“過程”被促進或被抑制，而非水的電離的“結果”。與此同時，應注意離子積公式Kw=c(H+)·c(OH-)中涉及水電離出的氫離子濃度c(H+)或氫氧根離子濃度c(OH-) 都是“結果量”而非“過程量”。對于某些情況下，水的電離的“結果量”等于“過程量”時，才可用離子積公式求算“過程量”。

4.觀點四：命題應只考查水的電離的“過程量”與“結果量”一致的類型

(1)酸或堿溶液中水的電離的“過程量”與“結果量”一致，可用離子積公式Kw=c(H+)×c(OH-)算出水電離出的氫離子或氫氧根離子濃度，進而判斷水的電離過程被抑制。

(2)“強酸弱堿鹽”型溶液

(3)“強堿弱酸鹽”型溶液

例如，25℃時，pH=9的CH3COONa溶液，水電離出的氫氧根離子濃度c過程量(OH-)=c結果量(OH-)=1×10-5mol·L-1。而水電離出的氫離子濃度c過程量(H+)=1×10-5mol·L-1，因CH3COO-結合H+，導致剩余的氫離子，即水電離出的氫離子濃度c結果量(H+)=1×10-9mol·L-1。可見，25℃時，pH=9的CH3COONa溶液中水電離出的氫離子濃度的“過程量”和“結果量”不一致。考查CH3COONa溶液中水電離出的氫離子濃度，若無其他文字表明題干指的是“過程量”還是“結果量”，這會給考生造成認知“困惑”，題目本身也會引起不必要的爭議。因此，考查CH3COONa這樣的“強堿弱酸鹽”型溶液，若無特別說明，應只考查水電離出的氫氧根離子濃度。

(4)“CH3COONH4”型溶液

由于“弱酸弱堿鹽”型溶液情況較為復雜，故本文只單獨列出呈中性的CH3COONH4溶液。

5.觀點五：溶液中水電離出的氫離子濃度不應成為學習的重點和難點

筆者查閱2010—2021年全國卷化學試題，發(fā)現(xiàn)高考幾乎不考查水電離出的氫離子濃度這類問題。《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》對于“水的電離”的考查要求在“主題3：水溶液中的離子反應與平衡”，其中也僅有“認識弱電解質在水溶液中存在電離平衡，了解電離平衡常數(shù)的含義。認識水的電離，了解水的離子積常數(shù)”的學習要求。2019版高中化學人教版選擇性必修1《化學反應原理》的第三章《水溶液中的離子反應與平衡》的第二節(jié)《水的電離和溶液的pH》中未提及水電離出的氫離子或氫氧根離子濃度。2019版魯科版選擇性必修1《化學反應原理》的第三章《物質在水溶液中的行為》的第一節(jié)《水與水溶液》中提及了利用離子積常數(shù)計算溶液中c(H+)或c(OH-)，并未提及由水電離出的氫離子或氫氧根離子濃度。高中國際班AP(Advanced Placement)化學教材《CHEMISTRY THE CENTRAL SCIENCE(第12版)》也僅僅提及了通過離子積常數(shù)計算溶液中c(H+)或c(OH-)，并未強調溶液中的氫離子或氫氧根離子來自水的電離。從各種版本的教材編寫邏輯上看，不過分強調水電離出的氫離子濃度這類問題，也不會影響學生對水溶液中離子平衡的基本規(guī)律的認知。溶液中水電離出的氫離子濃度或氫氧根離子濃度的計算并非本節(jié)內容的學習重點，更不應該成為學生學習水溶液中離子平衡的難點。

三、總結