基于模型建構(gòu)的水溶液中微粒分布系數(shù)的解題策略

沈瑞杉

(福建省泉州市豐澤區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校)

1.問(wèn)題的提出

水溶液體系中微粒的分布系數(shù)是在緩沖溶液認(rèn)知的基礎(chǔ)上衍生出來(lái)的知識(shí)點(diǎn),是近幾年全國(guó)高考試題考查的熱點(diǎn)內(nèi)容。考題以各微粒的分布系數(shù)圖像為載體,通過(guò)分析各分布系數(shù)曲線的變化、交點(diǎn)的含義,考查體系中微粒濃度的大小、溶液pH的計(jì)算等,考查學(xué)生的讀圖能力、信息提取加工和分析推理的能力。在高考復(fù)習(xí)備考中,幫助學(xué)生建立相應(yīng)的分析解題模型,對(duì)學(xué)生掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)及培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知的學(xué)科核心素養(yǎng)有重要作用。

2.建構(gòu)分布系數(shù)圖像分析模型

2.1 認(rèn)識(shí)分布系數(shù)

在水溶液體系中存在著多種微粒,平衡狀態(tài)下微粒的濃度稱為平衡濃度,各種微粒的平衡濃度之和稱為總濃度,某一微粒的平衡濃度占總濃度的分?jǐn)?shù)即該微粒的分布系數(shù),通常以δ表示。

當(dāng)溶液的pH發(fā)生變化時(shí),平衡發(fā)生移動(dòng),溶液中各微粒的分布情況也隨之變化,分布系數(shù)(δ)與溶液pH間的關(guān)系曲線稱為分布曲線。

2.2 一元弱酸體系

圖1 CH3COOH體系中各微粒的分布系數(shù)與pH的關(guān)系圖

圖中,δ1=δ(CH3COOH),δ2=δ(CH3COO-)

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析可以發(fā)現(xiàn):

(1)各微粒分布系數(shù)(δ)只與pH有關(guān),與微粒總濃度無(wú)關(guān);

(2)當(dāng)δ(CH3COOH)=δ(CH3COO-),即A點(diǎn)時(shí),c(H+)=Ka,pH=pKa,這與利用Ka表達(dá)式所推導(dǎo)的結(jié)果是一致的。

2.3 二元弱酸體系

圖2 H2C2O4體系中各微粒的分布系數(shù)與pH的關(guān)系圖

同上推理可得:

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析可以發(fā)現(xiàn),

2.4 三元弱酸體系

圖3 H3PO4體系中各微粒的分布系數(shù)與pH的關(guān)系圖

同上推理可得:

與二元弱酸體系的計(jì)算方法相同,經(jīng)過(guò)計(jì)算分析可以發(fā)現(xiàn),

(1)A點(diǎn),pH1=pKa1=2.12;B點(diǎn),pH2=pKa2=7.2;C點(diǎn),pH3=pKa3=12.36;

2.5 分析模型

(1)一元弱酸體系有一個(gè)交點(diǎn)、兩條曲線,交點(diǎn)的pH=pKa;

(2)二元弱酸體系有兩個(gè)交點(diǎn)、三條曲線,交點(diǎn)的pH從左往右依次為pKa1、pKa2;

(3)三元弱酸體系有三個(gè)交點(diǎn)、四條曲線,交點(diǎn)的pH從左往右依次為pKa1、pKa2、pKa3;

(5)判斷酸式鹽溶液中各微粒濃度的大小時(shí),若該溶液呈酸性,電離大于水解,則在曲線最高點(diǎn)處的右邊作輔助線;若溶液呈堿性,水解大于電離,則在曲線的最高點(diǎn)處的左邊作輔助線,根據(jù)輔助線與各微粒分布曲線的相交點(diǎn)判斷對(duì)應(yīng)微粒的濃度大小。

3.分布系數(shù)模型的應(yīng)用

( )

圖4

A.曲線a代表的是H2NCH2COO-

B.甘氨酸的Ka=10-2.35

【分析】本題包含了分布系數(shù)類題型的常見(jiàn)考點(diǎn),曲線的判斷、交點(diǎn)的判斷、粒子濃度大小的比較、K值相關(guān)計(jì)算等。

【例2】(2023年福建南平統(tǒng)考三模)常溫下,向0.1 mol·L-1的H3PO4溶液中滴入NaOH溶液,隨著pH變化溶液中濃度最大的含磷微粒如圖5所示。下列說(shuō)法正確的是

( )

圖5

D.若用0.5 mol·L-1的H3PO4溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn),pKa1將向左移動(dòng)

【分析】本題將常見(jiàn)的分布系數(shù)圖變形為數(shù)軸的形式,增加了信息遷移能力的考查,對(duì)學(xué)生的理解與辨析、分析與推測(cè)等綜合分析能力有較高的要求。

( )

圖6

B.a、b、c三點(diǎn)水的電離程度相等

【分析】本題以高鐵酸鈉與稀硫酸反應(yīng)為載體,考查三元弱酸體系的分布系數(shù),可以使用磷酸體系的分析模型。

綜上,利用建構(gòu)的分布系數(shù)圖像的分析模型,可以解決這類常作為壓軸題的水溶液中微粒分布系數(shù)考題。通過(guò)分析題給信息和圖像信息,采用分析模型,發(fā)揮學(xué)生圖像轉(zhuǎn)換的能力是解決這類問(wèn)題的關(guān)鍵,可以培養(yǎng)學(xué)生的高階思維,落實(shí)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。