实验方案设计的思维锤炼,让凌凡领略了化学作为一门实验科学的严谨与创造。然而,当他回到理论学习的深水区,面对另一个公认的难点——溶液中离子浓度大小比较时,一种熟悉的、如同陷入泥沼的感觉再次袭来。
这部分的题目,通常不会考察单一、纯粹的知识点,而是将弱电解质的电离、盐类的水解、酸碱中和反应、以及多个平衡的相互影响糅合在一起,形成一个复杂的动态系统。题目往往描述一种或多种物质溶于水,或者溶液混合,要求判断溶液中众多离子浓度的大小顺序,或者比较某个特定离子在不同情况下的浓度大小。
凌凡第一次独立面对这类题目时,感觉就像被抛入了一个充满离子、分子,且它们之间不断发生着“合纵连横”的微观战场。他知道每个士兵(离子/分子)的存在,却理不清它们之间的强弱关系和势力分布。
一次小测,一道关于醋酸与氢氧化钠混合后溶液离子浓度的题目,让他栽了跟头。他考虑了醋酸的电离,考虑了NaOH的完全电离,甚至考虑了混合后可能的缓冲体系,却在判断c(Na?)与c(CH?COO?)的大小时,忽略了电荷守恒这一基本法则,得出了错误的结论。
看着那个红叉,凌凡没有气馁,反而激起了更强的征服欲。他清楚,这又是一个必须系统攻克的战略高地。
化学老师似乎也洞悉了学生们的困境,专门用了一整节课的时间,来梳理这个难点。
“同学们,溶液中的离子浓度比较,看似复杂,但只要掌握了核心的三大守恒定律和分析问题的基本思路,就能化繁为简。”老师的声音带着一种稳定军心的力量。
第一利器:三大守恒定律——体系的根本法则
老师在黑板上写下了三个词:物料守恒、电荷守恒、质子守恒。
“这是解决这类问题的理论基石,必须深刻理解,灵活运用。”
· 电荷守恒: “溶液必须是电中性的!”老师强调,“所以,所有阳离子带的正电荷总数,必须等于所有阴离子带的负电荷总数。” 他以Na?CO?溶液为例,写出等式:c(Na?) + c(H?) = c(HCO??) + 2c(CO?2?) + c(OH?)。
“注意离子所带电荷数!”老师指着CO?2?前面的系数2,“一个CO?2?带两个负电荷,它的浓度在计算总负电荷时就要乘以2。”
凌凡恍然大悟,之前他就是忽略了这一点。电荷守恒提供了一个关于离子浓度的整体约束关系,是进行大小比较时最常用也最可靠的依据之一。
· 物料守恒(元素守恒): “某一种元素的原始总量,等于它在溶液中各种存在形式的浓度之和。”老师继续以Na?CO?为例,“钠元素原始都来自Na?CO?,所以 c(Na?) = 2 [ c(H?CO?) + c(HCO??) + c(CO?2?) ]。” 等式右边是碳元素的全部存在形式。
凌凡意识到,物料守恒将看似独立的粒子(如H?CO?, HCO??, CO?2?)通过共同的元素起源联系起来。
· 质子守恒: “得质子产物与失质子产物的物质的量浓度相等。”老师解释道,这其实是电荷守恒与物料守恒联立的结果,但对于单一溶质的溶液,直接写出质子守恒式更为快捷。例如,对于Na?CO?溶液,选择H?O和CO?2?为参考水准(它们得失质子的能力),得质子产物为HCO??(得1个H?)和H?CO?(得2个H?),失质子产物为OH?(失1个H?)。因此质子守恒式为:c(H?) + c(HCO??) + 2c(H?CO?) = c(OH?)。
凌凡感觉这个稍显抽象,但他明白,这是从质子转移角度对体系进行的另一种描述,在某些情况下非常有用。
第二利器:基本分析思路——由主到次,步步为营
“有了理论武器,还需要清晰的作战思路。”老师开始讲解分析步骤。
1. 第一步:判断溶液环境(酸碱性)。 “这是首要任务!”老师强调,“溶液显酸性、碱性还是中性,直接决定了c(H?)和c(OH?)的相对大小,也暗示了哪些过程(电离或水解)占主导。”
凌凡跟着思考:醋酸溶液,显酸性,c(H?) > c(OH?),醋酸电离为主;Na?CO?溶液,显碱性,c(OH?) > c(H?),CO?2?水解为主。
2. 第二步:确定主要来源,识别主要粒子。 “找出浓度最大的离子是哪几种,它们通常来自强电解质的完全电离。”老师以CH?COONa溶液为例,“Na?和CH?COO?是主要离子,来自CH?COONa的完全电离。而H?和OH?浓度很小,是次要粒子。”
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