沉淀溶解平衡曲線的解讀

高 源 高雅文

(1.山東省臨沂第一中學 2.山東省臨沂高新區高級中學)

化學反應原理是每年高考的重點和難點,雖然近年高考對此部分知識的考查力度相對穩定,但考查方式發生了一定的變化,因此學生要進行有針對性的復習,同時要提高對學科核心素養的重視.

1 沉淀溶解平衡曲線的常見考查方式

沉淀溶解平衡曲線能很好地考查學生應用知識的靈活性和綜合性,因此備受命題者的青睞.相對于其他知識在試題情境上的創新,沉淀溶解平衡曲線類試題更偏向在坐標曲線上創新.沉淀溶解平衡圖像題中涉及的化學物質一般是學生較為熟悉的(如常見的不溶性堿、鹵化銀等),但橫縱坐標所代表的物理量往往是“陌生”的,學生在理解不透徹的情況下很容易出錯.綜觀近年高考化學試題發現,常見的沉淀溶解平衡曲線有pH-lgc、lgc-lgc、溫度—溶解度三種,圖像中的lgc也常以－lgc方式呈現,因此認真審題、準確解讀圖像中的橫縱坐標所代表的物理量是解答此類試題的關鍵.

2 沉淀溶解平衡曲線的求解策略

沉淀溶解平衡曲線涉及的計算量較大,學生需要先判斷圖像中各點的含義,明確沉淀溶解平衡常見的計算方式,然后對各問題進行逐步破解.

2.1 掌握扎實的基礎知識

中學化學教學逐漸加重了對學科核心素養的培養,試題的命制也逐漸以創新為主,但本質上還是考查學生的化學基礎知識和基本技能,因此深度分析試題是十分必要的.

例1(2023年全國甲卷)Fe(OH)3、Al(OH)3和Cu(OH)2在水中達沉淀溶解平衡時的pM-pH 關系如圖1 所示{pM＝－lg[c(M)/(mol?L－1)];c(M)≤10－5mol?L－1可認為M 離子沉淀完全}.下列敘述正確的是( ).

A.由a點可求得Ksp[Fe(OH)3]＝10－8.5

B.pH＝4時Al(OH)3的溶解度為

C.濃度均為0.01 mol?L－1的Al3＋和Fe3＋可通過分步沉淀進行分離

D.Al3＋、Cu2＋混合溶液中c(Cu2＋)＝0.2 mol?L－1時二者不會同時沉淀

由圖像可知,a點pH＝2,即c(H＋)＝10－2mol?L－1,則c(OH－)＝10－12mol?L－1,c(Fe3＋)＝10－2.5mol?L－1,所以

選項A錯誤.又Ksp[Al(OH)3]＝10－33,當pH＝4時,

則

即Al(OH)3的溶解度為10－3mol?L－1,選項B錯誤.由圖像可知,Fe3＋優先沉淀,當Fe3＋沉淀完全時,,此時Qsp[Al(OH)3]＝0.01 mol?L－1×10－33.5(mol?L－1)3＝10－35.5＜Ksp[Al(OH)3]＝10－33,Al3＋還未沉淀,所以濃度均為0.01mol?L－1的Al3＋和Fe3＋可通過分步沉淀進行分離,選項C 正確.根據圖像中Cu2＋的曲線可知,pH＝7時,有

由上述分析可知,Ksp[Al(OH)3]＝10－33,Al3＋沉淀完全時的mol?L－1,c(H＋)≈10－4.7mol?L－1,pH＝4.7,此時Cu2＋剛開始沉淀,c(Cu2＋)＝0.1 mol?L－1,若c(Cu2＋)＝0.2 mol?L－1＞0.1 mol?L－1,因此Al3＋、Cu2＋會同時沉淀,選項D 錯誤.答案為C.

溶度積的計算公式不是固定的,要依據難溶物的化學式發生相應的變化,但本質上都是溶液中離子的濃度冪之積.一定溫度下溶度積常數是固定的,可依據溶液中的離子濃度判斷沉淀的生成或溶解,也可以依據沉淀溶解平衡曲線計算溶液中離子的濃度.

2.2 明確交點的含義

一般情況下,沉淀溶解平衡曲線中出現交點時,圖像會給出難溶物中陰離子和陽離子的濃度變化情況.當橫縱坐標分別表示陰、陽離子的濃度變化時,交點表示幾種難溶物中所含的陰離子或陽離子濃度相同,但由于各難溶物的溶度積計算公式可能不同,難溶物的溶度積常數不一定相等.

例2(2023年遼寧卷)某廢水處理過程中始終保持H2S飽和,即c(H2S)＝0.1mol?L－1,通過調節pH 使Ni2＋和Cd2＋形成硫化物而分離,體系中pH 與－lgc關系如圖2所示,c為HS－、S2－、Ni2＋和Cd2＋的濃度,單位為mol?L－1.已 知Ksp(NiS)＞Ksp(CdS),下列說法正確的是( ).

圖2

A.Ksp(CdS)＝10－18.4

B.③為pH 與－lgc(HS－)的關系曲線

C.Ka1(H2S)＝10－8.1

D.Ka2(H2S)＝10－14.7

本題綜合性較強,涉及沉淀溶解平衡及弱電解質的電離平衡,準確分析圖像中各曲線對應的微粒是解答此題的關鍵.酸性較強的溶液中含硫微粒為H2S、HS－、S2－,H2S是二元弱酸,則起始階段c(HS－)＞c(S2－),－lgc(HS－)＜－lgc(S2－),隨著溶液pH 的增大,溶液的酸性減弱,c(HS－)和c(S2－)都逐漸增大,－lgc(HS－)和－lgc(S2－)都逐漸減小,c(Ni2＋)或c(Cd2＋)逐漸減小,－lgc(Ni2＋)或－lgc(Cd2＋)逐漸增大,且Ksp(NiS)＞Ksp(CdS),當c(S2－)一定時,c(Ni2＋)＞c(Cd2＋),－lgc(Ni2＋)＜－lgc(Cd2＋),故圖中①②分別為pH與－lgc(Cd2＋)、－lgc(Ni2＋)的關系曲線.當pH＝4.9時,c(S2－)＝c(Cd2＋)＝10－13.0mol?L－1,Ksp(CdS)＝c(S2－)?c(Cd2＋)＝10－26.0,選項A 錯誤.圖中③為pH與－lgc(S2－)的關系曲線,④為pH 與－lgc(HS－)的關系曲線,選項B錯誤.pH＝4.2時,有

選項C錯誤.

在判斷溶液中微粒的變化曲線時,首先要依據所給信息確定起始階段各微粒的濃度,然后依據縱坐標的變化確定各微粒濃度可能發生的變化,最后依據給出的Ksp大小確定各微粒的變化趨勢.此外,此類試題還會涉及沉淀的轉化,即沉淀溶液平衡的移動,當兩種難溶電解質的Ksp相差較大時,Ksp大的難溶電解質會向Ksp小的轉化;陰離子或陽離子相同的難溶電解質,Ksp小的先沉淀.

沉淀溶解平衡曲線圖是常見的考查形式,學生要加深對其的理解和掌握.在解題時不僅要有扎實的基礎知識,還要具備較強的讀圖分析能力,清楚圖像中每條曲線代表的微粒種類,了解各微粒的變化趨勢,最后靈活應用所學解決問題.

(完)