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第 29 章 · 溶液中粒子浓度的关系

项目 内容
课标主题 选择性必修 1 · 主题 3 水溶液中的离子反应与平衡(综合应用;课标没有单独条目,属于主题 3 各节的归纳与综合)
人教版(2019) 选择性必修 1 第三章“水溶液中的离子反应与平衡”的归纳与整理;教材没有专节,分散在各节
考试地位 新高考选择题必考:粒子浓度大小比较、三大守恒式、分布系数图、滴定过程中的粒子关系;常与第 25–28 章综合
前置知识 第 25 章电离平衡、第 26 章水的电离与 pH、第 27 章盐类水解、第 28 章沉淀溶解平衡、第 1 章电荷守恒、第 23 章 QQ 与 KK

单一溶液里,粒子浓度的大小比较还可以靠“谁强显谁性”定性判断;一旦把酸和盐混合、把滴定进行到一半、或者把 pH 调到某个值,粒子之间的相对大小就不再直观。这一章把判断工具收拢成三样:三大守恒(电荷、物料、质子)给出等式,KaK_a、KhK_h、KwK_\mathrm{w} 给出定量关系,分布系数图和 lg⁡\lg 比值图把“谁多谁少”画成曲线。第 25–28 章的常数和判据,在这里汇合。

知识点 一句话 考试中
29.2 三大守恒 电荷守恒、物料守恒、质子守恒;质子守恒可由前两者相加减得到 写守恒式、判断选项正误
29.3 单一溶液中粒子浓度的大小比较 先看酸碱性,再用守恒和 KK 比较;NaX2COX3\ce{Na2CO3}、NaHCOX3\ce{NaHCO3}、CHX3COONa\ce{CH3COONa}、NHX4Cl\ce{NH4Cl} 是典型 选择题必考
29.4 混合溶液与滴定过程中的粒子浓度关系 缓冲溶液、滴定四个特殊点;用电荷、物料和 KK 联立 选择题常考;与滴定曲线综合
29.5 分布系数图像与 lg⁡\lg 比值图像 δ\delta–pH 图是 S 形曲线;lg⁡c(AX−)c(HA)\lg\dfrac{c(\ce{A-})}{c(\ce{HA})}–pH 图是斜率 1 的直线 读图判断 pKapK_a、粒子多少
29.6 用 KK 定量判断 给定 pH 或浓度,用 KaK_a、KhK_h、KwK_\mathrm{w} 算比值,判断谁大谁小 选择题和计算题

宏观:任何电解质溶液都同时满足三条“账”:电荷收支平衡(溶液不带电)、某种元素或原子团的总量不变(物料守恒)、得失质子的数目相等(质子守恒)。三条账互相联系,质子守恒可以由电荷守恒和物料守恒相减得到。

微观:以 NaX2COX3\ce{Na2CO3} 溶液为例。NaX2COX3\ce{Na2CO3} 完全电离出 NaX+\ce{Na+} 和 COX3X2−\ce{CO3^2-};COX3X2−\ce{CO3^2-} 水解生成 HCOX3X−\ce{HCO3-}、HX2COX3\ce{H2CO3},同时产生 OHX−\ce{OH-};水本身也电离出 HX+\ce{H+} 和 OHX−\ce{OH-}。所有带电粒子必须满足电荷守恒;所有含碳粒子必须满足物料守恒;所有由水或酸根得失质子产生的粒子必须满足质子守恒。

符号:三种守恒的写法。

电荷守恒:溶液中阳离子所带正电荷总浓度等于阴离子所带负电荷总浓度。每种离子的浓度要乘以它的电荷数。

以 NaX2COX3\ce{Na2CO3} 溶液为例:

c(NaX+)+c(HX+)=c(OHX−)+c(HCOX3X−)+2c(COX3X2−)c(\ce{Na+}) + c(\ce{H+}) = c(\ce{OH-}) + c(\ce{HCO3-}) + 2c(\ce{CO3^2-})

物料守恒:某元素或原子团在溶液中的总浓度等于它在各物种中的浓度之和(乘以相应的原子数)。

NaX2COX3\ce{Na2CO3} 溶液中,Na 与 C 的物质的量之比为 2:12:1:

c(NaX+)=2[c(COX3X2−)+c(HCOX3X−)+c(HX2COX3)]c(\ce{Na+}) = 2\left[c(\ce{CO3^2-}) + c(\ce{HCO3-}) + c(\ce{H2CO3})\right]

质子守恒:得质子的物种得到的质子总数等于失质子的物种失去的质子总数。写的时候先选“参考物种”(通常是原始的酸根或水),再看它得到或失去几个质子。

NaX2COX3\ce{Na2CO3} 溶液中,以 COX3X2−\ce{CO3^2-} 和 HX2O\ce{H2O} 为参考:

c(OHX−)=c(HX+)+c(HCOX3X−)+2c(HX2COX3)c(\ce{OH-}) = c(\ce{H+}) + c(\ce{HCO3-}) + 2c(\ce{H2CO3})

质子守恒的第二种写法:用电荷守恒减去物料守恒(消去 NaX+\ce{Na+}),也能得到同一个式子。两种方法结果相同,考场上选不容易错的一种。

几个典型溶液的守恒式:

溶液 电荷守恒 物料守恒 质子守恒
NaX2COX3\ce{Na2CO3} c(NaX+)+c(HX+)=c(OHX−)+c(HCOX3X−)+2c(COX3X2−)c(\ce{Na+}) + c(\ce{H+}) = c(\ce{OH-}) + c(\ce{HCO3-}) + 2c(\ce{CO3^2-}) c(NaX+)=2[c(COX3X2−)+c(HCOX3X−)+c(HX2COX3)]c(\ce{Na+}) = 2[c(\ce{CO3^2-}) + c(\ce{HCO3-}) + c(\ce{H2CO3})] c(OHX−)=c(HX+)+c(HCOX3X−)+2c(HX2COX3)c(\ce{OH-}) = c(\ce{H+}) + c(\ce{HCO3-}) + 2c(\ce{H2CO3})
NaHCOX3\ce{NaHCO3} c(NaX+)+c(HX+)=c(OHX−)+c(HCOX3X−)+2c(COX3X2−)c(\ce{Na+}) + c(\ce{H+}) = c(\ce{OH-}) + c(\ce{HCO3-}) + 2c(\ce{CO3^2-}) c(NaX+)=c(HX2COX3)+c(HCOX3X−)+c(COX3X2−)c(\ce{Na+}) = c(\ce{H2CO3}) + c(\ce{HCO3-}) + c(\ce{CO3^2-}) c(HX+)+c(HX2COX3)=c(OHX−)+c(COX3X2−)c(\ce{H+}) + c(\ce{H2CO3}) = c(\ce{OH-}) + c(\ce{CO3^2-})
CHX3COONa\ce{CH3COONa} c(NaX+)+c(HX+)=c(OHX−)+c(CHX3COOX−)c(\ce{Na+}) + c(\ce{H+}) = c(\ce{OH-}) + c(\ce{CH3COO-}) c(NaX+)=c(CHX3COOX−)+c(CHX3COOH)c(\ce{Na+}) = c(\ce{CH3COO-}) + c(\ce{CH3COOH}) c(OHX−)=c(HX+)+c(CHX3COOH)c(\ce{OH-}) = c(\ce{H+}) + c(\ce{CH3COOH})
NHX4Cl\ce{NH4Cl} c(NHX4X+)+c(HX+)=c(ClX−)+c(OHX−)c(\ce{NH4+}) + c(\ce{H+}) = c(\ce{Cl-}) + c(\ce{OH-}) c(ClX−)=c(NHX4X+)+c(NHX3 ⋅ HX2O)c(\ce{Cl-}) = c(\ce{NH4+}) + c(\ce{NH3.H2O}) c(HX+)=c(OHX−)+c(NHX3 ⋅ HX2O)c(\ce{H+}) = c(\ce{OH-}) + c(\ce{NH3.H2O})

三大守恒的关系:电荷守恒管“带电粒子”,物料守恒管“含某元素的全部粒子”,质子守恒管“得失质子”;质子守恒可由前两者相减得到

  • 题目给一个盐溶液,要求写出电荷守恒、物料守恒、质子守恒 → 先写电离和水解方程式,列出所有含该元素的粒子 → 按三种守恒的定义写。
  • 选择题给出几个等式,问哪个正确 → 先判断是哪种守恒 → 电荷守恒看电荷数是否乘对,物料守恒看元素比例,质子守恒看参考物种和质子数。
  • 题目问“用电荷守恒和物料守恒推出质子守恒” → 把电荷守恒中的 NaX+\ce{Na+} 用物料守恒替换,消去不水解的离子 → 整理即得。
  • 混合溶液(如 CHX3COOH\ce{CH3COOH} 与 CHX3COONa\ce{CH3COONa})写守恒 → 电荷守恒照写;物料守恒要把两种来源的酸和盐加在一起;质子守恒可以不用,改用 KaK_a 和电荷、物料联立。
  • 电荷守恒中每种离子的浓度要乘以电荷数:2c(COX3X2−)2c(\ce{CO3^2-})、2c(SOX4X2−)2c(\ce{SO4^2-}),不要漏乘。
  • 物料守恒看的是“某元素或原子团的总量”,不是“某一种离子的量”。NaX2COX3\ce{Na2CO3} 中 Na 与 C 的比例是 2:12:1,所以 NaX+\ce{Na+} 的浓度是含碳粒子总浓度的 2 倍。
  • 质子守恒的参考物种要选对:NaX2COX3\ce{Na2CO3} 以 COX3X2−\ce{CO3^2-} 和 HX2O\ce{H2O} 为参考;NaHCOX3\ce{NaHCO3} 以 HCOX3X−\ce{HCO3-} 和 HX2O\ce{H2O} 为参考;参考物种不同,式子的形式不同,但等价。
  • 质子守恒中,得到或失去几个质子,系数就是几:COX3X2−\ce{CO3^2-} 变成 HX2COX3\ce{H2CO3} 得到 2 个质子,所以 HX2COX3\ce{H2CO3} 前的系数是 2。
  • 不要把电荷守恒和质子守恒混在一起:电荷守恒里有 NaX+\ce{Na+}、ClX−\ce{Cl-} 等不参与质子转移的离子;质子守恒里通常没有它们。
  • 混合溶液的物料守恒要按“加入的物质的量”写,不能只看某一种溶质。
  • 守恒式对任何浓度、任何温度都成立(同一溶液),不受平衡移动影响;但具体浓度大小会随条件变。

电荷守恒为什么成立:溶液整体呈电中性,不能带净电荷。阳离子带的正电荷总量必须等于阴离子带的负电荷总量。每个 COX3X2−\ce{CO3^2-} 带 2 个负电荷,所以它的贡献是 2c(COX3X2−)2c(\ce{CO3^2-})(关键一步:守恒的是电荷,不是离子个数;二价离子的浓度要乘 2)。

物料守恒为什么成立:化学反应只是原子重新组合,某种元素的原子总数不变。NaX2COX3\ce{Na2CO3} 溶解后,Na 原子和 C 原子的比例仍是 2:12:1;C 原子分布在 COX3X2−\ce{CO3^2-}、HCOX3X−\ce{HCO3-}、HX2COX3\ce{H2CO3} 三种粒子里,所以 NaX+\ce{Na+} 的浓度等于含碳粒子总浓度的 2 倍。

质子守恒为什么成立:水或酸根得到、失去质子的总数相等。以 NaX2COX3\ce{Na2CO3} 为例,COX3X2−\ce{CO3^2-} 得到 1 个质子变成 HCOX3X−\ce{HCO3-},得到 2 个质子变成 HX2COX3\ce{H2CO3};水失去 1 个质子变成 OHX−\ce{OH-},得到 1 个质子变成 HX3OX+\ce{H3O+}(即 HX+\ce{H+})。把“得到的质子”和“失去的质子”分别列在两边,就得到质子守恒(关键一步:质子守恒可以由电荷守恒和物料守恒相减得到,因为两者都包含 NaX+\ce{Na+},相减正好消去不参与质子转移的离子)。

例 1 (场景:写 NaX2COX3\ce{Na2CO3} 的三大守恒)写出 0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} NaX2COX3\ce{Na2CO3} 溶液的电荷守恒、物料守恒和质子守恒。

解:

电荷守恒:c(NaX+)+c(HX+)=c(OHX−)+c(HCOX3X−)+2c(COX3X2−)c(\ce{Na+}) + c(\ce{H+}) = c(\ce{OH-}) + c(\ce{HCO3-}) + 2c(\ce{CO3^2-})。

物料守恒:c(NaX+)=2[c(COX3X2−)+c(HCOX3X−)+c(HX2COX3)]c(\ce{Na+}) = 2[c(\ce{CO3^2-}) + c(\ce{HCO3-}) + c(\ce{H2CO3})]。

质子守恒:c(OHX−)=c(HX+)+c(HCOX3X−)+2c(HX2COX3)c(\ce{OH-}) = c(\ce{H+}) + c(\ce{HCO3-}) + 2c(\ce{H2CO3})。

检验:把物料守恒代入电荷守恒,消去 c(NaX+)c(\ce{Na+}),整理得质子守恒;三式一致。

例 2 (场景:写 NaHCOX3\ce{NaHCO3} 的三大守恒)写出 0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} NaHCOX3\ce{NaHCO3} 溶液的三大守恒。

解:

电荷守恒:c(NaX+)+c(HX+)=c(OHX−)+c(HCOX3X−)+2c(COX3X2−)c(\ce{Na+}) + c(\ce{H+}) = c(\ce{OH-}) + c(\ce{HCO3-}) + 2c(\ce{CO3^2-})。

物料守恒:c(NaX+)=c(HX2COX3)+c(HCOX3X−)+c(COX3X2−)c(\ce{Na+}) = c(\ce{H2CO3}) + c(\ce{HCO3-}) + c(\ce{CO3^2-})。

质子守恒:c(HX+)+c(HX2COX3)=c(OHX−)+c(COX3X2−)c(\ce{H+}) + c(\ce{H2CO3}) = c(\ce{OH-}) + c(\ce{CO3^2-})。

检验:以 HCOX3X−\ce{HCO3-} 和 HX2O\ce{H2O} 为参考,HCOX3X−\ce{HCO3-} 得 1 个质子变 HX2COX3\ce{H2CO3},失 1 个质子变 COX3X2−\ce{CO3^2-};水得/失质子对应 HX+\ce{H+}、OHX−\ce{OH-},整理即得。

例 3 (场景:写 CHX3COONa\ce{CH3COONa} 的三大守恒)写出 0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} CHX3COONa\ce{CH3COONa} 溶液的三大守恒。

解:

电荷守恒:c(NaX+)+c(HX+)=c(OHX−)+c(CHX3COOX−)c(\ce{Na+}) + c(\ce{H+}) = c(\ce{OH-}) + c(\ce{CH3COO-})。

物料守恒:c(NaX+)=c(CHX3COOX−)+c(CHX3COOH)c(\ce{Na+}) = c(\ce{CH3COO-}) + c(\ce{CH3COOH})。

质子守恒:c(OHX−)=c(HX+)+c(CHX3COOH)c(\ce{OH-}) = c(\ce{H+}) + c(\ce{CH3COOH})。

检验:把物料守恒代入电荷守恒,消去 c(NaX+)c(\ce{Na+}),得 c(CHX3COOX−)+c(CHX3COOH)+c(HX+)=c(OHX−)+c(CHX3COOX−)c(\ce{CH3COO-}) + c(\ce{CH3COOH}) + c(\ce{H+}) = c(\ce{OH-}) + c(\ce{CH3COO-}),整理即质子守恒。

例 4 (场景:写 NHX4Cl\ce{NH4Cl} 的三大守恒)写出 0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} NHX4Cl\ce{NH4Cl} 溶液的三大守恒。

解:

电荷守恒:c(NHX4X+)+c(HX+)=c(ClX−)+c(OHX−)c(\ce{NH4+}) + c(\ce{H+}) = c(\ce{Cl-}) + c(\ce{OH-})。

物料守恒:c(ClX−)=c(NHX4X+)+c(NHX3 ⋅ HX2O)c(\ce{Cl-}) = c(\ce{NH4+}) + c(\ce{NH3.H2O})。

质子守恒:c(HX+)=c(OHX−)+c(NHX3 ⋅ HX2O)c(\ce{H+}) = c(\ce{OH-}) + c(\ce{NH3.H2O})。

检验:NHX4X+\ce{NH4+} 失去 1 个质子变 NHX3 ⋅ HX2O\ce{NH3.H2O},水得到/失去质子对应 HX+\ce{H+}、OHX−\ce{OH-};电荷守恒代入物料守恒,消去 ClX−\ce{Cl-},整理一致。

例 5 (场景:混合溶液的守恒)将 0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} CHX3COOH\ce{CH3COOH} 溶液与 0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} CHX3COONa\ce{CH3COONa} 溶液等体积混合。写出电荷守恒和物料守恒。

解:

电荷守恒:c(NaX+)+c(HX+)=c(OHX−)+c(CHX3COOX−)c(\ce{Na+}) + c(\ce{H+}) = c(\ce{OH-}) + c(\ce{CH3COO-})。

物料守恒:混合后 CHX3COOH\ce{CH3COOH} 和 CHX3COONa\ce{CH3COONa} 的起始浓度各为 0.05 mol/L0.05\ \mathrm{mol/L}(等体积混合,浓度减半),所以

c(CHX3COOH)+c(CHX3COOX−)=0.10 mol/L,c(NaX+)=0.05 mol/Lc(\ce{CH3COOH}) + c(\ce{CH3COO-}) = 0.10\ \mathrm{mol/L}, \qquad c(\ce{Na+}) = 0.05\ \mathrm{mol/L}

检验:物料守恒中“含醋酸根的粒子”总量等于两种来源之和;NaX+\ce{Na+} 只来自醋酸钠,浓度为 0.05 mol/L0.05\ \mathrm{mol/L}。

  • 电荷守恒:c(阳离子)×c(\text{阳离子}) \times 电荷数之和 =c(阴离子)×= c(\text{阴离子}) \times 电荷数之和。
  • 物料守恒:某元素的总浓度 = 各物种浓度 × 该物种中该元素的原子数之和。
  • 质子守恒:得质子物种的浓度 × 得质子数 = 失质子物种的浓度 × 失质子数;参考物种通常选原酸根和水。
  • 质子守恒 = 电荷守恒 − 物料守恒(消去不参与质子转移的旁观离子)。
  • 混合溶液:物料守恒按“加入量”写;电荷守恒照常写;质子守恒可改用 KK 和电荷、物料联立。
  • 错在哪:电荷守恒中写 c(COX3X2−)c(\ce{CO3^2-}) 而不乘 2。 为什么错:规范性错误。守恒的是电荷,COX3X2−\ce{CO3^2-} 带 2 个负电荷。 正确做法:写 2c(COX3X2−)2c(\ce{CO3^2-})。
  • 错在哪:NaX2COX3\ce{Na2CO3} 的物料守恒写成 c(NaX+)=c(COX3X2−)+c(HCOX3X−)+c(HX2COX3)c(\ce{Na+}) = c(\ce{CO3^2-}) + c(\ce{HCO3-}) + c(\ce{H2CO3})。 为什么错:理解性错误。Na 与 C 的物质的量之比是 2:12:1,NaX+\ce{Na+} 应是含碳粒子总浓度的 2 倍。 正确做法:c(NaX+)=2[⋯ ]c(\ce{Na+}) = 2[\cdots]。
  • 错在哪:NaHCOX3\ce{NaHCO3} 的质子守恒写成 c(OHX−)=c(HX+)+c(HX2COX3)c(\ce{OH-}) = c(\ce{H+}) + c(\ce{H2CO3})。 为什么错:理解性错误。HCOX3X−\ce{HCO3-} 既能得质子变 HX2COX3\ce{H2CO3},也能失质子变 COX3X2−\ce{CO3^2-},两边都要算。 正确做法:c(HX+)+c(HX2COX3)=c(OHX−)+c(COX3X2−)c(\ce{H+}) + c(\ce{H2CO3}) = c(\ce{OH-}) + c(\ce{CO3^2-})。

三大守恒像三本账:电荷守恒是“收支平衡”,物料守恒是“某种钞票的总张数不变”,质子守恒是“借出去几个质子,就有人还回来几个”。三本账可以互相核对;如果一本账算错,另两本对不上。

  • 前置:第 1 章电荷守恒、第 25–28 章电离、水解、沉淀平衡。
  • 前置:第 23 章 QQ 与 KK,守恒式常和平衡常数联立。
  • 后续:29.3 单一溶液浓度比较,用守恒式判断大小。
  • 后续:29.4 混合溶液和滴定过程,守恒式 + KK。
  • 后续:29.5 分布系数图,把守恒式画成曲线。
  • 常一起考:第 26 章 pH 计算、第 27 章水解、第 28 章沉淀。

29.3 单一溶液中粒子浓度的大小比较

Section titled “29.3 单一溶液中粒子浓度的大小比较”

宏观:0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} 的 CHX3COONa\ce{CH3COONa} 溶液、NaX2COX3\ce{Na2CO3} 溶液、NaHCOX3\ce{NaHCO3} 溶液、NHX4Cl\ce{NH4Cl} 溶液,粒子浓度的大小顺序各不相同。这些顺序不是背出来的,而是由“谁水解、谁电离、水解和电离谁强”加上三大守恒推出来的。

微观:单一溶液里,粒子分成三类:不水解的旁观离子(NaX+\ce{Na+}、ClX−\ce{Cl-} 等)、弱酸根或弱碱根及其水解产物、HX+\ce{H+} 和 OHX−\ce{OH-}。比较顺序时,先看浓度最大的旁观离子和原酸根(或原阳离子),再用质子守恒比较 HX+\ce{H+}、OHX−\ce{OH-} 与水解产物,最后用 KwK_\mathrm{w} 比较 HX+\ce{H+} 和 OHX−\ce{OH-}。

符号:常见单一溶液的顺序(0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L},25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C}):

溶液 粒子浓度由大到小 关键依据
CHX3COONa\ce{CH3COONa} c(NaX+)>c(CHX3COOX−)>c(OHX−)>c(CHX3COOH)>c(HX+)c(\ce{Na+}) > c(\ce{CH3COO-}) > c(\ce{OH-}) > c(\ce{CH3COOH}) > c(\ce{H+}) 水解产生等量的 OHX−\ce{OH-} 和 CHX3COOH\ce{CH3COOH},OHX−\ce{OH-} 还含水的贡献,略大
NaX2COX3\ce{Na2CO3} c(NaX+)>c(COX3X2−)>c(OHX−)>c(HCOX3X−)>c(HX+)c(\ce{Na+}) > c(\ce{CO3^2-}) > c(\ce{OH-}) > c(\ce{HCO3-}) > c(\ce{H+}) 第一步水解为主;质子守恒 c(OHX−)=c(HX+)+c(HCOX3X−)+2c(HX2COX3)c(\ce{OH-}) = c(\ce{H+}) + c(\ce{HCO3-}) + 2c(\ce{H2CO3})
NaHCOX3\ce{NaHCO3} c(NaX+)>c(HCOX3X−)>c(COX3X2−)≈c(HX2COX3)>c(OHX−)>c(HX+)c(\ce{Na+}) > c(\ce{HCO3-}) > c(\ce{CO3^2-}) \approx c(\ce{H2CO3}) > c(\ce{OH-}) > c(\ce{H+}) 水解和电离都发生;COX3X2−\ce{CO3^2-} 与 HX2COX3\ce{H2CO3} 都约 10−3 mol/L10^{-3}\ \mathrm{mol/L},远大于 OHX−\ce{OH-}
NHX4Cl\ce{NH4Cl} c(ClX−)>c(NHX4X+)>c(HX+)>c(NHX3 ⋅ HX2O)>c(OHX−)c(\ce{Cl-}) > c(\ce{NH4+}) > c(\ce{H+}) > c(\ce{NH3.H2O}) > c(\ce{OH-}) 质子守恒 c(HX+)=c(OHX−)+c(NHX3 ⋅ HX2O)c(\ce{H+}) = c(\ce{OH-}) + c(\ce{NH3.H2O})
NaHSOX3\ce{NaHSO3} c(NaX+)>c(HSOX3X−)>c(SOX3X2−)≈c(HX2SOX3)>c(HX+)>c(OHX−)c(\ce{Na+}) > c(\ce{HSO3-}) > c(\ce{SO3^2-}) \approx c(\ce{H2SO3}) > c(\ce{H+}) > c(\ce{OH-}) 电离大于水解;SOX3X2−\ce{SO3^2-} 与 HX2SOX3\ce{H2SO3} 都约 10−4 mol/L10^{-4}\ \mathrm{mol/L}
  • 题目给一种盐溶液,要求按粒子浓度由大到小排序 → 先找最大的旁观离子和原酸根(或原阳离子),再用质子守恒排 OHX−\ce{OH-}、HX+\ce{H+} 与水解产物 → 对照上表。
  • 选择题给出一个不等式,问是否正确 → 逐项看:是否漏了水解产物、是否把 HX+\ce{H+} 和 OHX−\ce{OH-} 的大小弄反、是否把 COX3X2−\ce{CO3^2-} 和 OHX−\ce{OH-} 的顺序弄反。
  • 题目问“NaHCOX3\ce{NaHCO3} 溶液中 c(COX3X2−)c(\ce{CO3^2-}) 与 c(OHX−)c(\ce{OH-}) 谁大” → 不能凭“碱性弱”就认为 OHX−\ce{OH-} 大;COX3X2−\ce{CO3^2-} 来自 HCOX3X−\ce{HCO3-} 电离,约 10−3 mol/L10^{-3}\ \mathrm{mol/L},而 OHX−\ce{OH-} 只有约 10−6 mol/L10^{-6}\ \mathrm{mol/L} → COX3X2−\ce{CO3^2-} 大。
  • 题目给酸式盐,问酸碱性及粒子顺序 → 先比较 KhK_h 和 KaK_a,判断水解还是电离占优势 → 再排顺序。
  • NaHCOX3\ce{NaHCO3} 溶液里,c(COX3X2−)c(\ce{CO3^2-}) 和 c(HX2COX3)c(\ce{H2CO3}) 都比 c(OHX−)c(\ce{OH-}) 大。这是最常见的易错点:HCOX3X−\ce{HCO3-} 电离产生 COX3X2−\ce{CO3^2-},水解产生 HX2COX3\ce{H2CO3},两者都约 10−3 mol/L10^{-3}\ \mathrm{mol/L};溶液只是弱碱性,OHX−\ce{OH-} 只有约 10−6 mol/L10^{-6}\ \mathrm{mol/L}。
  • NaHSOX3\ce{NaHSO3} 溶液显酸性,但 c(HX+)c(\ce{H+}) 不一定比 c(SOX3X2−)c(\ce{SO3^2-}) 大;本例中 c(SOX3X2−)≈c(HX2SOX3)≈2.6×10−4 mol/Lc(\ce{SO3^2-}) \approx c(\ce{H2SO3}) \approx 2.6 \times 10^{-4}\ \mathrm{mol/L},而 c(HX+)≈3.9×10−5 mol/Lc(\ce{H+}) \approx 3.9 \times 10^{-5}\ \mathrm{mol/L},所以 HX+\ce{H+} 排在它们后面。
  • 不要把“溶液显碱性”等同于“c(OHX−)c(\ce{OH-}) 一定大于所有酸根”。碱性强弱看 OHX−\ce{OH-} 与 HX+\ce{H+} 的相对大小;酸根浓度可能远大于 OHX−\ce{OH-}。
  • 旁观离子通常是最大的:NaHCOX3\ce{NaHCO3} 中 NaX+\ce{Na+} 最大,NHX4Cl\ce{NH4Cl} 中 ClX−\ce{Cl-} 最大,NaHSOX3\ce{NaHSO3} 中 NaX+\ce{Na+} 最大;极稀溶液或混合体系中不一定,要按实际浓度算。
  • 上述顺序适用于“浓度不太稀”的溶液(约 0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L});极稀时水的电离不能忽略,顺序可能变化。
  • 温度改变时,KwK_\mathrm{w}、KaK_a、KhK_h 都变,顺序可能变;高中题目默认 25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C}。

CHX3COONa\ce{CH3COONa} 的顺序怎么推:CHX3COOX−\ce{CH3COO-} 水解生成等量的 CHX3COOH\ce{CH3COOH} 和 OHX−\ce{OH-};但水本身也电离出 OHX−\ce{OH-},所以 c(OHX−)=c(CHX3COOH)+c(HX+)c(\ce{OH-}) = c(\ce{CH3COOH}) + c(\ce{H+}),c(OHX−)c(\ce{OH-}) 略大于 c(CHX3COOH)c(\ce{CH3COOH});c(CHX3COOH)≫c(HX+)c(\ce{CH3COOH}) \gg c(\ce{H+}),所以顺序是 NaX+>CHX3COOX−>OHX−>CHX3COOH>HX+\ce{Na+} > \ce{CH3COO-} > \ce{OH-} > \ce{CH3COOH} > \ce{H+}(关键一步:先用水解方程式确定“等量关系”,再用质子守恒修正“谁略大”)。

NaX2COX3\ce{Na2CO3} 的顺序怎么推:第一步水解 COX3X2−+HX2O⇌HCOX3X−+OHX−\ce{CO3^2- + H2O <=> HCO3- + OH-} 为主,产生等量的 HCOX3X−\ce{HCO3-} 和 OHX−\ce{OH-};第二步水解和水的电离也贡献 OHX−\ce{OH-},所以 c(OHX−)>c(HCOX3X−)c(\ce{OH-}) > c(\ce{HCO3-})。NaX+\ce{Na+} 是旁观离子,浓度为 0.2 mol/L0.2\ \mathrm{mol/L},最大;COX3X2−\ce{CO3^2-} 只水解了一小部分,仍大于 OHX−\ce{OH-};HX+\ce{H+} 最小。顺序为 NaX+>COX3X2−>OHX−>HCOX3X−>HX+\ce{Na+} > \ce{CO3^2-} > \ce{OH-} > \ce{HCO3-} > \ce{H+}。

NaHCOX3\ce{NaHCO3} 的顺序怎么推:HCOX3X−\ce{HCO3-} 既能电离(Ka2=4.7×10−11K_{a2} = 4.7 \times 10^{-11})又能水解(Kh=2.2×10−8K_h = 2.2 \times 10^{-8}),水解略占优势,溶液显弱碱性。但 HCOX3X−\ce{HCO3-} 的浓度约 0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L},电离和水解都只有约 10−310^{-3} 被转化,所以 c(COX3X2−)≈c(HX2COX3)≈10−3 mol/Lc(\ce{CO3^2-}) \approx c(\ce{H2CO3}) \approx 10^{-3}\ \mathrm{mol/L};OHX−\ce{OH-} 由水解产生,约 10−6 mol/L10^{-6}\ \mathrm{mol/L};HX+\ce{H+} 由水的电离和 HCOX3X−\ce{HCO3-} 电离产生,约 5×10−9 mol/L5 \times 10^{-9}\ \mathrm{mol/L}。所以顺序为 NaX+>HCOX3X−>COX3X2−≈HX2COX3>OHX−>HX+\ce{Na+} > \ce{HCO3-} > \ce{CO3^2-} \approx \ce{H2CO3} > \ce{OH-} > \ce{H+}(关键一步:不要因为“碱性弱”就认为 OHX−\ce{OH-} 大于 COX3X2−\ce{CO3^2-};COX3X2−\ce{CO3^2-} 是 HCOX3X−\ce{HCO3-} 电离的产物,浓度由 Ka2K_{a2} 和 HX+\ce{H+} 共同决定)。

NHX4Cl\ce{NH4Cl} 的顺序怎么推:NHX4X+\ce{NH4+} 水解生成等量的 NHX3 ⋅ HX2O\ce{NH3.H2O} 和 HX+\ce{H+};水也电离出 HX+\ce{H+},所以 c(HX+)=c(NHX3 ⋅ HX2O)+c(OHX−)c(\ce{H+}) = c(\ce{NH3.H2O}) + c(\ce{OH-}),c(HX+)c(\ce{H+}) 略大于 c(NHX3 ⋅ HX2O)c(\ce{NH3.H2O});ClX−\ce{Cl-} 是旁观离子,最大;NHX4X+\ce{NH4+} 水解了一小部分,略小于 ClX−\ce{Cl-};OHX−\ce{OH-} 最小。顺序为 ClX−>NHX4X+>HX+>NHX3 ⋅ HX2O>OHX−\ce{Cl-} > \ce{NH4+} > \ce{H+} > \ce{NH3.H2O} > \ce{OH-}。

例 1 (场景:CHX3COONa\ce{CH3COONa} 的粒子顺序)25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C} 时,0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} CHX3COONa\ce{CH3COONa} 溶液中,按浓度由大到小排列下列粒子:NaX+\ce{Na+}、CHX3COOX−\ce{CH3COO-}、OHX−\ce{OH-}、CHX3COOH\ce{CH3COOH}、HX+\ce{H+}。

解:

判断依据:CHX3COOX−\ce{CH3COO-} 水解,溶液显碱性;质子守恒 c(OHX−)=c(HX+)+c(CHX3COOH)c(\ce{OH-}) = c(\ce{H+}) + c(\ce{CH3COOH})。

顺序:c(NaX+)>c(CHX3COOX−)>c(OHX−)>c(CHX3COOH)>c(HX+)c(\ce{Na+}) > c(\ce{CH3COO-}) > c(\ce{OH-}) > c(\ce{CH3COOH}) > c(\ce{H+})。

检验:NaX+\ce{Na+} 不水解,最大;CHX3COOX−\ce{CH3COO-} 只水解一小部分,次之;OHX−\ce{OH-} 略大于 CHX3COOH\ce{CH3COOH}(因为水也贡献 OHX−\ce{OH-});HX+\ce{H+} 最小。

例 2 (场景:NaX2COX3\ce{Na2CO3} 的粒子顺序)25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C} 时,0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} NaX2COX3\ce{Na2CO3} 溶液中,按浓度由大到小排列:NaX+\ce{Na+}、COX3X2−\ce{CO3^2-}、OHX−\ce{OH-}、HCOX3X−\ce{HCO3-}、HX+\ce{H+}。

解:

判断依据:COX3X2−\ce{CO3^2-} 分步水解,第一步为主;质子守恒 c(OHX−)=c(HX+)+c(HCOX3X−)+2c(HX2COX3)c(\ce{OH-}) = c(\ce{H+}) + c(\ce{HCO3-}) + 2c(\ce{H2CO3})。

顺序:c(NaX+)>c(COX3X2−)>c(OHX−)>c(HCOX3X−)>c(HX+)c(\ce{Na+}) > c(\ce{CO3^2-}) > c(\ce{OH-}) > c(\ce{HCO3-}) > c(\ce{H+})。

检验:NaX+\ce{Na+} 最大;COX3X2−\ce{CO3^2-} 只水解一小部分;OHX−\ce{OH-} 略大于 HCOX3X−\ce{HCO3-}(第二步水解和水电离补充);HX+\ce{H+} 最小。

例 3 (场景:NaHCOX3\ce{NaHCO3} 的“反直觉”顺序)25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C} 时,0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} NaHCOX3\ce{NaHCO3} 溶液中,c(COX3X2−)c(\ce{CO3^2-}) 和 c(OHX−)c(\ce{OH-}) 哪个大?按浓度由大到小排列:NaX+\ce{Na+}、HCOX3X−\ce{HCO3-}、COX3X2−\ce{CO3^2-}、HX2COX3\ce{H2CO3}、OHX−\ce{OH-}、HX+\ce{H+}。

解:

判断依据:HCOX3X−\ce{HCO3-} 既能电离(Ka2=4.7×10−11K_{a2} = 4.7 \times 10^{-11})又能水解(Kh=2.2×10−8K_h = 2.2 \times 10^{-8});溶液显弱碱性,但 COX3X2−\ce{CO3^2-} 是电离产物,浓度约 10−3 mol/L10^{-3}\ \mathrm{mol/L},而 OHX−\ce{OH-} 约 10−6 mol/L10^{-6}\ \mathrm{mol/L}。

顺序:c(NaX+)>c(HCOX3X−)>c(COX3X2−)≈c(HX2COX3)>c(OHX−)>c(HX+)c(\ce{Na+}) > c(\ce{HCO3-}) > c(\ce{CO3^2-}) \approx c(\ce{H2CO3}) > c(\ce{OH-}) > c(\ce{H+})。

检验:c(COX3X2−)≈c(HX2COX3)c(\ce{CO3^2-}) \approx c(\ce{H2CO3}),因为 HCOX3X−\ce{HCO3-} 电离和水解的程度相近;两者都远大于 OHX−\ce{OH-};HX+\ce{H+} 最小。这个顺序与“NaHCOX3\ce{NaHCO3} 显碱性”并不矛盾:碱性只看 OHX−\ce{OH-} 与 HX+\ce{H+} 的相对大小,不看 OHX−\ce{OH-} 是否大于所有酸根。

容易卡在:认为碱性溶液里 c(OHX−)c(\ce{OH-}) 一定大于 c(COX3X2−)c(\ce{CO3^2-})。COX3X2−\ce{CO3^2-} 的浓度由 HCOX3X−\ce{HCO3-} 电离平衡决定,可以比 OHX−\ce{OH-} 大几个数量级。

例 4 (场景:NHX4Cl\ce{NH4Cl} 的粒子顺序)25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C} 时,0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} NHX4Cl\ce{NH4Cl} 溶液中,按浓度由大到小排列:ClX−\ce{Cl-}、NHX4X+\ce{NH4+}、HX+\ce{H+}、NHX3 ⋅ HX2O\ce{NH3.H2O}、OHX−\ce{OH-}。

解:

判断依据:NHX4X+\ce{NH4+} 水解显酸性;质子守恒 c(HX+)=c(OHX−)+c(NHX3 ⋅ HX2O)c(\ce{H+}) = c(\ce{OH-}) + c(\ce{NH3.H2O})。

顺序:c(ClX−)>c(NHX4X+)>c(HX+)>c(NHX3 ⋅ HX2O)>c(OHX−)c(\ce{Cl-}) > c(\ce{NH4+}) > c(\ce{H+}) > c(\ce{NH3.H2O}) > c(\ce{OH-})。

检验:ClX−\ce{Cl-} 不水解,最大;NHX4X+\ce{NH4+} 水解一小部分,略小;HX+\ce{H+} 略大于 NHX3 ⋅ HX2O\ce{NH3.H2O}(水也贡献 HX+\ce{H+});OHX−\ce{OH-} 最小。

例 5 (场景:酸式盐 NaHSOX3\ce{NaHSO3})25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C} 时,0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} NaHSOX3\ce{NaHSO3} 溶液显酸性。按浓度由大到小排列:NaX+\ce{Na+}、HSOX3X−\ce{HSO3-}、SOX3X2−\ce{SO3^2-}、HX2SOX3\ce{H2SO3}、HX+\ce{H+}、OHX−\ce{OH-}。

解:

判断依据:HSOX3X−\ce{HSO3-} 的电离(Ka2=1.0×10−7K_{a2} = 1.0 \times 10^{-7})大于水解(Kh=6.7×10−13K_h = 6.7 \times 10^{-13}),溶液显酸性;SOX3X2−\ce{SO3^2-} 和 HX2SOX3\ce{H2SO3} 分别来自电离和水解,浓度相近。

顺序:c(NaX+)>c(HSOX3X−)>c(SOX3X2−)≈c(HX2SOX3)>c(HX+)>c(OHX−)c(\ce{Na+}) > c(\ce{HSO3-}) > c(\ce{SO3^2-}) \approx c(\ce{H2SO3}) > c(\ce{H+}) > c(\ce{OH-})。

检验:c(SOX3X2−)≈c(HX2SOX3)≈2.6×10−4 mol/Lc(\ce{SO3^2-}) \approx c(\ce{H2SO3}) \approx 2.6 \times 10^{-4}\ \mathrm{mol/L},c(HX+)≈3.9×10−5 mol/Lc(\ce{H+}) \approx 3.9 \times 10^{-5}\ \mathrm{mol/L},c(OHX−)≈2.6×10−10 mol/Lc(\ce{OH-}) \approx 2.6 \times 10^{-10}\ \mathrm{mol/L};HX+\ce{H+} 不是第二大,但也不是最小。

  • 单一盐溶液的顺序:先排旁观离子和原酸根(或原阳离子),再用质子守恒排 OHX−\ce{OH-}、HX+\ce{H+} 与水解产物。
  • CHX3COONa\ce{CH3COONa}:NaX+>CHX3COOX−>OHX−>CHX3COOH>HX+\ce{Na+} > \ce{CH3COO-} > \ce{OH-} > \ce{CH3COOH} > \ce{H+}。
  • NaX2COX3\ce{Na2CO3}:NaX+>COX3X2−>OHX−>HCOX3X−>HX+\ce{Na+} > \ce{CO3^2-} > \ce{OH-} > \ce{HCO3-} > \ce{H+}。
  • NaHCOX3\ce{NaHCO3}:NaX+>HCOX3X−>COX3X2−≈HX2COX3>OHX−>HX+\ce{Na+} > \ce{HCO3-} > \ce{CO3^2-} \approx \ce{H2CO3} > \ce{OH-} > \ce{H+}。
  • NHX4Cl\ce{NH4Cl}:ClX−>NHX4X+>HX+>NHX3 ⋅ HX2O>OHX−\ce{Cl-} > \ce{NH4+} > \ce{H+} > \ce{NH3.H2O} > \ce{OH-}。
  • NaHSOX3\ce{NaHSO3}:NaX+>HSOX3X−>SOX3X2−≈HX2SOX3>HX+>OHX−\ce{Na+} > \ce{HSO3-} > \ce{SO3^2-} \approx \ce{H2SO3} > \ce{H+} > \ce{OH-}。
  • 碱性溶液不等于 c(OHX−)c(\ce{OH-}) 大于所有酸根;酸性溶液也不等于 c(HX+)c(\ce{H+}) 大于所有物种。
  • 错在哪:认为 NaHCOX3\ce{NaHCO3} 溶液中 c(OHX−)>c(COX3X2−)c(\ce{OH-}) > c(\ce{CO3^2-})。 为什么错:理解性错误。COX3X2−\ce{CO3^2-} 是 HCOX3X−\ce{HCO3-} 电离的产物,约 10−3 mol/L10^{-3}\ \mathrm{mol/L};OHX−\ce{OH-} 约 10−6 mol/L10^{-6}\ \mathrm{mol/L}。 正确做法:用 Ka2K_{a2} 和 c(HX+)c(\ce{H+}) 估算 c(COX3X2−)c(\ce{CO3^2-}),再与 c(OHX−)c(\ce{OH-}) 比较。
  • 错在哪:把 NaX2COX3\ce{Na2CO3} 的物料守恒写成 c(NaX+)=c(COX3X2−)+c(HCOX3X−)+c(HX2COX3)c(\ce{Na+}) = c(\ce{CO3^2-}) + c(\ce{HCO3-}) + c(\ce{H2CO3})。 为什么错:理解性错误。Na 与 C 的比例是 2:12:1。 正确做法:c(NaX+)=2[⋯ ]c(\ce{Na+}) = 2[\cdots]。
  • 错在哪:认为酸式盐溶液显酸性,就一定有 c(HX+)>c(SOX3X2−)c(\ce{H+}) > c(\ce{SO3^2-})。 为什么错:理解性错误。SOX3X2−\ce{SO3^2-} 是 HSOX3X−\ce{HSO3-} 电离的产物,浓度可能比 HX+\ce{H+} 大。 正确做法:用 Ka2K_{a2} 和 c(HX+)c(\ce{H+}) 算 c(SOX3X2−)c(\ce{SO3^2-}) 再比较。

单一溶液像一个“粒子家庭”:旁观离子是户口本上的人,数量最大;原酸根(或原阳离子)大部分还在,排第二;水解或电离产生的“兄弟姐妹”数量由 KK 决定,往往成对出现(OHX−\ce{OH-} 与 CHX3COOH\ce{CH3COOH}、HX+\ce{H+} 与 NHX3 ⋅ HX2O\ce{NH3.H2O});HX+\ce{H+} 和 OHX−\ce{OH-} 中,较小的那个往往垫底,但不绝对(NaHCOX3\ce{NaHCO3} 中 COX3X2−\ce{CO3^2-} 和 HX2COX3\ce{H2CO3} 都比 OHX−\ce{OH-} 大)。

  • 前置:29.2 三大守恒。
  • 前置:第 25–28 章 KaK_a、KhK_h、KwK_\mathrm{w}、KspK_\mathrm{sp}。
  • 后续:29.4 混合溶液与滴定过程,顺序随溶液组成变化。
  • 后续:29.5 分布系数图,把“谁多谁少”画成曲线。
  • 后续:29.6 用 KK 定量判断。
  • 常一起考:第 26 章 pH 计算、第 27 章水解、第 28 章沉淀。

29.4 混合溶液与滴定过程中的粒子浓度关系

Section titled “29.4 混合溶液与滴定过程中的粒子浓度关系”

宏观:把弱酸和它的盐按等物质的量混合,溶液的 pH 接近 pKapK_a,这种溶液叫缓冲溶液;把 NaOH\ce{NaOH} 滴入醋酸,粒子浓度顺序随滴定进程不断变化:起点是醋酸溶液,半等当点是缓冲溶液,等当点是醋酸钠溶液,过量后是 NaOH\ce{NaOH} 与醋酸钠的混合物。每个特殊点都有固定的顺序。

微观:混合溶液中,粒子来自多种溶质,物料守恒要按“加入量”写;电荷守恒照常写;酸碱平衡用 KaK_a 或 KbK_b 描述。滴定过程中,标准液不断加入,体积不断增大,所有浓度都被稀释,但粒子之间的相对大小由“谁过量、谁水解”决定。

符号:几个典型混合体系的顺序:

体系 粒子浓度由大到小 关键依据
等浓度 CHX3COOH\ce{CH3COOH} + CHX3COONa\ce{CH3COONa} c(CHX3COOX−)>c(NaX+)>c(CHX3COOH)>c(HX+)>c(OHX−)c(\ce{CH3COO-}) > c(\ce{Na+}) > c(\ce{CH3COOH}) > c(\ce{H+}) > c(\ce{OH-}) 缓冲溶液,pH≈pKa\mathrm{pH} \approx \mathrm{p}K_a;电荷守恒给出 CHX3COOX−\ce{CH3COO-} 略大于 NaX+\ce{Na+}
等浓度 NHX3 ⋅ HX2O\ce{NH3.H2O} + NHX4Cl\ce{NH4Cl} c(NHX4X+)>c(ClX−)>c(NHX3 ⋅ HX2O)>c(OHX−)>c(HX+)c(\ce{NH4+}) > c(\ce{Cl-}) > c(\ce{NH3.H2O}) > c(\ce{OH-}) > c(\ce{H+}) 缓冲溶液,pOH≈pKb\mathrm{pOH} \approx \mathrm{p}K_b;电荷守恒给出 NHX4X+\ce{NH4+} 略大于 ClX−\ce{Cl-}
NaOH\ce{NaOH} 滴定 CHX3COOH\ce{CH3COOH},起点 c(CHX3COOH)>c(HX+)=c(CHX3COOX−)>c(OHX−)c(\ce{CH3COOH}) > c(\ce{H+}) = c(\ce{CH3COO-}) > c(\ce{OH-}) 醋酸部分电离
半等当点 c(CHX3COOX−)>c(NaX+)>c(CHX3COOH)>c(HX+)>c(OHX−)c(\ce{CH3COO-}) > c(\ce{Na+}) > c(\ce{CH3COOH}) > c(\ce{H+}) > c(\ce{OH-}) c(CHX3COOH)≈c(CHX3COOX−)c(\ce{CH3COOH}) \approx c(\ce{CH3COO-}),pH≈pKa\mathrm{pH} \approx \mathrm{p}K_a
等当点 c(NaX+)>c(CHX3COOX−)>c(OHX−)>c(CHX3COOH)>c(HX+)c(\ce{Na+}) > c(\ce{CH3COO-}) > c(\ce{OH-}) > c(\ce{CH3COOH}) > c(\ce{H+}) 醋酸钠水解,显碱性
过量点(少量过量) c(NaX+)>c(CHX3COOX−)>c(OHX−)>c(HX+)c(\ce{Na+}) > c(\ce{CH3COO-}) > c(\ce{OH-}) > c(\ce{H+}) 过量的 NaOH\ce{NaOH} 与醋酸钠;过量很多时 OHX−\ce{OH-} 可超过 CHX3COOX−\ce{CH3COO-}
  • 题目给等浓度的弱酸和它的盐,问粒子顺序 → 判断为缓冲溶液,pH≈pKa\mathrm{pH} \approx \mathrm{p}K_a,用电荷守恒排 AX−\ce{A-} 与 NaX+\ce{Na+} 的细微大小 → 对照上表。
  • 题目给滴定过程中的某个点(起点、半等当点、等当点、过量点),问粒子顺序 → 先判断该点的溶质组成,再按“谁过量、谁水解”排 → 不要直接套单一溶液的顺序。
  • 题目问“半等当点时 c(CHX3COOH)c(\ce{CH3COOH}) 与 c(CHX3COOX−)c(\ce{CH3COO-}) 谁大” → 半等当点时两者近似相等;严格地用电荷守恒,CHX3COOX−\ce{CH3COO-} 略大。
  • 题目问“等当点时为什么 c(OHX−)>c(CHX3COOH)c(\ce{OH-}) > c(\ce{CH3COOH})” → 等当点是醋酸钠溶液,水解产生等量的 OHX−\ce{OH-} 和 CHX3COOH\ce{CH3COOH},但水也贡献 OHX−\ce{OH-},所以 OHX−\ce{OH-} 略大。
  • 题目给缓冲溶液的 pH 和 KaK_a,问粒子比值 → 用 pH=pKa+lg⁡c(AX−)c(HA)\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a + \lg\dfrac{c(\ce{A-})}{c(\ce{HA})} → 直接算比值。
  • 混合溶液的浓度是“混合后”的浓度;等体积混合时,每种溶质的浓度都要减半,不能直接用混合前的浓度。
  • 半等当点时,c(CHX3COOH)≈c(CHX3COOX−)c(\ce{CH3COOH}) \approx c(\ce{CH3COO-}),但不是严格相等;严格排序时 CHX3COOX−\ce{CH3COO-} 略大于 NaX+\ce{Na+},CHX3COOH\ce{CH3COOH} 略小于 NaX+\ce{Na+}。
  • 等当点时,溶液是盐溶液,不是“酸和碱恰好中和成中性”;弱酸强碱盐显碱性,弱碱强酸盐显酸性。
  • 过量点的顺序取决于过量程度:少量过量时,盐的酸根仍可能大于 OHX−\ce{OH-};过量很多时,OHX−\ce{OH-} 才超过酸根。不能一概写成 OHX−>AX−\ce{OH-} > \ce{A-}。
  • 缓冲溶液的 pH≈pKa\mathrm{pH} \approx \mathrm{p}K_a 只在“弱酸与其盐浓度相近、且不太稀”时成立;浓度相差很大时,要用 pH=pKa+lg⁡c(AX−)c(HA)\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a + \lg\dfrac{c(\ce{A-})}{c(\ce{HA})} 算。
  • 滴定过程中体积变化,所有浓度都变小,但题目通常只问相对大小,不必算具体值;要算具体值时,先算物质的量,再除以总体积。

缓冲溶液为什么 pH≈pKa\mathrm{pH} \approx \mathrm{p}K_a:等浓度的 CHX3COOH\ce{CH3COOH} 和 CHX3COONa\ce{CH3COONa} 混合后,c(CHX3COOH)≈c(CHX3COOX−)c(\ce{CH3COOH}) \approx c(\ce{CH3COO-})。由 Ka=c(HX+)c(CHX3COOX−)c(CHX3COOH)K_a = \dfrac{c(\ce{H+})c(\ce{CH3COO-})}{c(\ce{CH3COOH})},得 c(HX+)≈Kac(\ce{H+}) \approx K_a,所以 pH≈pKa\mathrm{pH} \approx \mathrm{p}K_a(关键一步:缓冲溶液的 pH 由“酸和盐的浓度比”决定,不由各自的绝对浓度决定;等浓度时,pH 就等于 pKapK_a)。

半等当点为什么是缓冲溶液:加入一半标准液时,一半醋酸被中和成醋酸钠,剩下的醋酸和生成的醋酸钠物质的量相等,浓度也近似相等,所以溶液是缓冲溶液,pH≈pKa\mathrm{pH} \approx \mathrm{p}K_a。严格地,电荷守恒给出 c(CHX3COOX−)=c(NaX+)+c(HX+)−c(OHX−)c(\ce{CH3COO-}) = c(\ce{Na+}) + c(\ce{H+}) - c(\ce{OH-}),因为 c(HX+)>c(OHX−)c(\ce{H+}) > c(\ce{OH-}),所以 c(CHX3COOX−)>c(NaX+)c(\ce{CH3COO-}) > c(\ce{Na+});物料守恒给出 c(CHX3COOH)+c(CHX3COOX−)=2c(NaX+)c(\ce{CH3COOH}) + c(\ce{CH3COO-}) = 2c(\ce{Na+}),所以 c(CHX3COOH)<c(NaX+)c(\ce{CH3COOH}) < c(\ce{Na+})。顺序为 CHX3COOX−>NaX+>CHX3COOH\ce{CH3COO-} > \ce{Na+} > \ce{CH3COOH}。

等当点为什么显碱性:等当点时,醋酸全部变成醋酸钠,CHX3COOX−\ce{CH3COO-} 水解产生 OHX−\ce{OH-},所以 c(OHX−)>c(HX+)c(\ce{OH-}) > c(\ce{H+});水解产生的 CHX3COOH\ce{CH3COOH} 与 OHX−\ce{OH-} 近似相等,水也贡献 OHX−\ce{OH-},所以 c(OHX−)>c(CHX3COOH)c(\ce{OH-}) > c(\ce{CH3COOH})。顺序为 NaX+>CHX3COOX−>OHX−>CHX3COOH>HX+\ce{Na+} > \ce{CH3COO-} > \ce{OH-} > \ce{CH3COOH} > \ce{H+}。

例 1 (场景:等浓度弱酸及其盐)将 0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} CHX3COOH\ce{CH3COOH} 溶液与 0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} CHX3COONa\ce{CH3COONa} 溶液等体积混合。按浓度由大到小排列:CHX3COOX−\ce{CH3COO-}、NaX+\ce{Na+}、CHX3COOH\ce{CH3COOH}、HX+\ce{H+}、OHX−\ce{OH-}。

解:

判断依据:混合后为缓冲溶液,c(CHX3COOH)≈c(CHX3COOX−)c(\ce{CH3COOH}) \approx c(\ce{CH3COO-}),pH≈pKa=4.74\mathrm{pH} \approx \mathrm{p}K_a = 4.74。电荷守恒 c(NaX+)+c(HX+)=c(OHX−)+c(CHX3COOX−)c(\ce{Na+}) + c(\ce{H+}) = c(\ce{OH-}) + c(\ce{CH3COO-}),因 c(HX+)>c(OHX−)c(\ce{H+}) > c(\ce{OH-}),所以 c(CHX3COOX−)>c(NaX+)c(\ce{CH3COO-}) > c(\ce{Na+});物料守恒 c(CHX3COOH)+c(CHX3COOX−)=2c(NaX+)c(\ce{CH3COOH}) + c(\ce{CH3COO-}) = 2c(\ce{Na+}),所以 c(CHX3COOH)<c(NaX+)c(\ce{CH3COOH}) < c(\ce{Na+})。

顺序:c(CHX3COOX−)>c(NaX+)>c(CHX3COOH)>c(HX+)>c(OHX−)c(\ce{CH3COO-}) > c(\ce{Na+}) > c(\ce{CH3COOH}) > c(\ce{H+}) > c(\ce{OH-})。

检验:CHX3COOX−\ce{CH3COO-} 略大于 NaX+\ce{Na+},CHX3COOH\ce{CH3COOH} 略小于 NaX+\ce{Na+};HX+\ce{H+} 约 1.8×10−5 mol/L1.8 \times 10^{-5}\ \mathrm{mol/L},OHX−\ce{OH-} 约 5.6×10−10 mol/L5.6 \times 10^{-10}\ \mathrm{mol/L},顺序合理。

例 2 (场景:弱碱及其盐)将 0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} NHX3 ⋅ HX2O\ce{NH3.H2O} 溶液与 0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} NHX4Cl\ce{NH4Cl} 溶液等体积混合。按浓度由大到小排列:NHX4X+\ce{NH4+}、ClX−\ce{Cl-}、NHX3 ⋅ HX2O\ce{NH3.H2O}、OHX−\ce{OH-}、HX+\ce{H+}。

解:

判断依据:缓冲溶液,pOH≈pKb=4.74\mathrm{pOH} \approx \mathrm{p}K_b = 4.74;电荷守恒 c(NHX4X+)+c(HX+)=c(ClX−)+c(OHX−)c(\ce{NH4+}) + c(\ce{H+}) = c(\ce{Cl-}) + c(\ce{OH-}),因 c(OHX−)>c(HX+)c(\ce{OH-}) > c(\ce{H+}),所以 c(NHX4X+)>c(ClX−)c(\ce{NH4+}) > c(\ce{Cl-});物料守恒 c(NHX3 ⋅ HX2O)+c(NHX4X+)=2c(ClX−)c(\ce{NH3.H2O}) + c(\ce{NH4+}) = 2c(\ce{Cl-}),所以 c(NHX3 ⋅ HX2O)<c(ClX−)c(\ce{NH3.H2O}) < c(\ce{Cl-})。

顺序:c(NHX4X+)>c(ClX−)>c(NHX3 ⋅ HX2O)>c(OHX−)>c(HX+)c(\ce{NH4+}) > c(\ce{Cl-}) > c(\ce{NH3.H2O}) > c(\ce{OH-}) > c(\ce{H+})。

检验:OHX−\ce{OH-} 约 1.8×10−5 mol/L1.8 \times 10^{-5}\ \mathrm{mol/L},HX+\ce{H+} 约 5.6×10−10 mol/L5.6 \times 10^{-10}\ \mathrm{mol/L};与缓冲溶液 pOH=4.74\mathrm{pOH} = 4.74 一致。

例 3 (场景:半等当点)25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C} 时,用 0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} NaOH\ce{NaOH} 滴定 20.00 mL20.00\ \mathrm{mL} 0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} CHX3COOH\ce{CH3COOH},当加入 10.00 mL10.00\ \mathrm{mL} NaOH\ce{NaOH} 时,按浓度由大到小排列:CHX3COOX−\ce{CH3COO-}、NaX+\ce{Na+}、CHX3COOH\ce{CH3COOH}、HX+\ce{H+}、OHX−\ce{OH-}。

解:

判断依据:半等当点,一半醋酸被中和,c(CHX3COOH)≈c(CHX3COOX−)c(\ce{CH3COOH}) \approx c(\ce{CH3COO-});pH≈pKa=4.74\mathrm{pH} \approx \mathrm{p}K_a = 4.74。电荷守恒和物料守恒给出 CHX3COOX−>NaX+>CHX3COOH\ce{CH3COO-} > \ce{Na+} > \ce{CH3COOH}。

顺序:c(CHX3COOX−)>c(NaX+)>c(CHX3COOH)>c(HX+)>c(OHX−)c(\ce{CH3COO-}) > c(\ce{Na+}) > c(\ce{CH3COOH}) > c(\ce{H+}) > c(\ce{OH-})。

检验:HX+\ce{H+} 约 1.8×10−5 mol/L1.8 \times 10^{-5}\ \mathrm{mol/L},OHX−\ce{OH-} 约 5.6×10−10 mol/L5.6 \times 10^{-10}\ \mathrm{mol/L};与缓冲溶液一致。

例 4 (场景:等当点)用 0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} NaOH\ce{NaOH} 滴定 20.00 mL20.00\ \mathrm{mL} 0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} CHX3COOH\ce{CH3COOH},当加入 20.00 mL20.00\ \mathrm{mL} NaOH\ce{NaOH} 时,按浓度由大到小排列:NaX+\ce{Na+}、CHX3COOX−\ce{CH3COO-}、OHX−\ce{OH-}、CHX3COOH\ce{CH3COOH}、HX+\ce{H+}。

解:

判断依据:等当点生成醋酸钠,CHX3COOX−\ce{CH3COO-} 水解显碱性;质子守恒 c(OHX−)=c(HX+)+c(CHX3COOH)c(\ce{OH-}) = c(\ce{H+}) + c(\ce{CH3COOH})。

顺序:c(NaX+)>c(CHX3COOX−)>c(OHX−)>c(CHX3COOH)>c(HX+)c(\ce{Na+}) > c(\ce{CH3COO-}) > c(\ce{OH-}) > c(\ce{CH3COOH}) > c(\ce{H+})。

检验:NaX+\ce{Na+} 最大;CHX3COOX−\ce{CH3COO-} 水解一小部分,次之;OHX−\ce{OH-} 略大于 CHX3COOH\ce{CH3COOH};HX+\ce{H+} 最小。与 29.3 例 1 的 CHX3COONa\ce{CH3COONa} 顺序一致。

例 5 (场景:过量点)用 0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} NaOH\ce{NaOH} 滴定 20.00 mL20.00\ \mathrm{mL} 0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} CHX3COOH\ce{CH3COOH},当加入 22.00 mL22.00\ \mathrm{mL} NaOH\ce{NaOH} 时,按浓度由大到小排列:NaX+\ce{Na+}、CHX3COOX−\ce{CH3COO-}、OHX−\ce{OH-}、HX+\ce{H+}。

解:

判断依据:NaOH\ce{NaOH} 过量 2.00 mL2.00\ \mathrm{mL},先算过量 OHX−\ce{OH-} 和生成的 CHX3COOX−\ce{CH3COO-} 的物质的量,再比较。

列式:n(NaOH)=0.100×22.00=2.20 mmoln(\ce{NaOH}) = 0.100 \times 22.00 = 2.20\ \mathrm{mmol},n(CHX3COOH)=0.100×20.00=2.00 mmoln(\ce{CH3COOH}) = 0.100 \times 20.00 = 2.00\ \mathrm{mmol};过量 OHX−\ce{OH-} 为 0.20 mmol0.20\ \mathrm{mmol};n(CHX3COOX−)=2.00 mmoln(\ce{CH3COO-}) = 2.00\ \mathrm{mmol};总体积 42.00 mL42.00\ \mathrm{mL}。

计算:c(NaX+)≈0.0524 mol/Lc(\ce{Na+}) \approx 0.0524\ \mathrm{mol/L},c(CHX3COOX−)≈0.0476 mol/Lc(\ce{CH3COO-}) \approx 0.0476\ \mathrm{mol/L},c(OHX−)≈0.00476 mol/Lc(\ce{OH-}) \approx 0.00476\ \mathrm{mol/L},c(HX+)≈2.1×10−12 mol/Lc(\ce{H+}) \approx 2.1 \times 10^{-12}\ \mathrm{mol/L}。

顺序:c(NaX+)>c(CHX3COOX−)>c(OHX−)>c(HX+)c(\ce{Na+}) > c(\ce{CH3COO-}) > c(\ce{OH-}) > c(\ce{H+})。

检验:只过量 2.00 mL2.00\ \mathrm{mL},过量的 OHX−\ce{OH-} 远少于生成的 CHX3COOX−\ce{CH3COO-},所以 CHX3COOX−\ce{CH3COO-} 仍大于 OHX−\ce{OH-};如果过量很多(例如加入 50.00 mL50.00\ \mathrm{mL} NaOH\ce{NaOH}),OHX−\ce{OH-} 才可能超过 CHX3COOX−\ce{CH3COO-}。不能一概写成 OHX−>CHX3COOX−\ce{OH-} > \ce{CH3COO-}。

  • 等浓度弱酸 + 它的盐:AX−>NaX+>HA>HX+>OHX−\ce{A-} > \ce{Na+} > \ce{HA} > \ce{H+} > \ce{OH-}(酸性缓冲);等浓度弱碱 + 它的盐:BHX+>ClX−>B>OHX−>HX+\ce{BH+} > \ce{Cl-} > \ce{B} > \ce{OH-} > \ce{H+}(碱性缓冲)。
  • 半等当点:AX−>NaX+>HA>HX+>OHX−\ce{A-} > \ce{Na+} > \ce{HA} > \ce{H+} > \ce{OH-};pH≈pKa\mathrm{pH} \approx \mathrm{p}K_a。
  • 等当点(强碱滴弱酸):NaX+>AX−>OHX−>HA>HX+\ce{Na+} > \ce{A-} > \ce{OH-} > \ce{HA} > \ce{H+}。
  • 过量点:先算过量 OHX−\ce{OH-} 与生成的 AX−\ce{A-} 的物质的量,再比较;少量过量时 AX−>OHX−\ce{A-} > \ce{OH-},大量过量时 OHX−\ce{OH-} 可超过 AX−\ce{A-}。
  • 缓冲溶液 pH=pKa+lg⁡c(AX−)c(HA)\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a + \lg\dfrac{c(\ce{A-})}{c(\ce{HA})};等浓度时 pH=pKa\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a。
  • 错在哪:认为半等当点时 c(CHX3COOH)=c(CHX3COOX−)=c(NaX+)c(\ce{CH3COOH}) = c(\ce{CH3COO-}) = c(\ce{Na+}),三者完全相等。 为什么错:理解性错误。c(CHX3COOH)≈c(CHX3COOX−)c(\ce{CH3COOH}) \approx c(\ce{CH3COO-}),但电荷守恒和物料守恒给出 CHX3COOX−\ce{CH3COO-} 略大于 NaX+\ce{Na+},CHX3COOH\ce{CH3COOH} 略小于 NaX+\ce{Na+}。 正确做法:先写“近似相等”,再用守恒修正细微顺序。
  • 错在哪:认为等当点时 c(OHX−)>c(CHX3COOX−)c(\ce{OH-}) > c(\ce{CH3COO-})。 为什么错:理解性错误。等当点是醋酸钠溶液,CHX3COOX−\ce{CH3COO-} 是主要阴离子,水解只产生少量 OHX−\ce{OH-}。 正确做法:按 NaX+>CHX3COOX−>OHX−>CHX3COOH>HX+\ce{Na+} > \ce{CH3COO-} > \ce{OH-} > \ce{CH3COOH} > \ce{H+} 排。
  • 错在哪:过量点一律把 OHX−\ce{OH-} 排在 CHX3COOX−\ce{CH3COO-} 前面。 为什么错:理解性错误。少量过量时,CHX3COOX−\ce{CH3COO-} 的物质的量远大于过量 OHX−\ce{OH-}。 正确做法:先算两者的物质的量,再比较。

混合溶液像“两家人合住”:弱酸和它的盐合住时,酸和酸根互相“压着”,pH 稳定在 pKapK_a 附近;滴定到一半,两家人正好一样多;等当点时,酸全变成了盐,盐再水解;过量后,新来的 NaOH\ce{NaOH} 成了“大户”,但要多到一定程度,才能超过原来的酸根。

  • 前置:29.2 三大守恒;29.3 单一溶液顺序。
  • 前置:第 25 章 KaK_a、第 26 章 pH、第 27 章水解、第 28 章沉淀。
  • 后续:29.5 分布系数图,缓冲点和半等当点在图上就是 δ=0.5\delta = 0.5 的点。
  • 后续:29.6 用 KK 定量判断。
  • 常一起考:第 26 章滴定曲线、第 27 章盐类水解。

29.5 分布系数图像与 lg⁡\lg 比值图像

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宏观:把弱酸 HA\ce{HA} 溶液中 HA\ce{HA} 和 AX−\ce{A-} 各占的分数(分布系数 δ\delta)对 pH 画图,得到两条 S 形曲线;两条曲线的交点对应 pH=pKa\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a,此时 δ(HA)=δ(AX−)=0.5\delta(\ce{HA}) = \delta(\ce{A-}) = 0.5。把 lg⁡c(AX−)c(HA)\lg\dfrac{c(\ce{A-})}{c(\ce{HA})} 对 pH 画图,得到一条斜率为 1 的直线,直线过 (pKa,0)(\mathrm{p}K_a, 0)。

微观:分布系数定义为某物种的浓度占该元素总浓度的分数:

δ(HA)=c(HA)c(HA)+c(AX−),δ(AX−)=c(AX−)c(HA)+c(AX−)\delta(\ce{HA}) = \frac{c(\ce{HA})}{c(\ce{HA}) + c(\ce{A-})}, \qquad \delta(\ce{A-}) = \frac{c(\ce{A-})}{c(\ce{HA}) + c(\ce{A-})}

由 Ka=c(HX+)c(AX−)c(HA)K_a = \dfrac{c(\ce{H+})c(\ce{A-})}{c(\ce{HA})},得

δ(HA)=c(HX+)c(HX+)+Ka=11+10pH−pKa,δ(AX−)=Kac(HX+)+Ka=10pH−pKa1+10pH−pKa\delta(\ce{HA}) = \frac{c(\ce{H+})}{c(\ce{H+}) + K_a} = \frac{1}{1 + 10^{\mathrm{pH} - \mathrm{p}K_a}}, \qquad \delta(\ce{A-}) = \frac{K_a}{c(\ce{H+}) + K_a} = \frac{10^{\mathrm{pH} - \mathrm{p}K_a}}{1 + 10^{\mathrm{pH} - \mathrm{p}K_a}}

两个分布系数之和为 1。当 pH=pKa\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a 时,δ(HA)=δ(AX−)=0.5\delta(\ce{HA}) = \delta(\ce{A-}) = 0.5;pH 每增大 1,c(AX−)c(HA)\dfrac{c(\ce{A-})}{c(\ce{HA})} 增大 10 倍。

符号:由 KaK_a 表达式取对数:

lg⁡c(AX−)c(HA)=pH−pKa\lg\frac{c(\ce{A-})}{c(\ce{HA})} = \mathrm{pH} - \mathrm{p}K_a

这是一条斜率为 1、过点 (pKa,0)(\mathrm{p}K_a, 0) 的直线;纵轴为 0 时,AX−\ce{A-} 与 HA\ce{HA} 相等;纵轴为 1 时,AX−\ce{A-} 是 HA\ce{HA} 的 10 倍;纵轴为 −1-1 时,HA\ce{HA} 是 AX−\ce{A-} 的 10 倍。

一元弱酸的分布系数图:δ(HA) 随 pH 升高而下降,δ(A-) 随 pH 升高而上升,两条曲线在 pH = pKa 处交于 0.5

lg(c(A-)/c(HA))–pH 图:斜率为 1 的直线,过点 (pKa, 0);pH 比 pKa 大 1,A- 就是 HA 的 10 倍

  • 题目给分布系数图,问 pKapK_a → 找两条曲线的交点,交点对应的 pH 就是 pKapK_a → 再取反对数得 KaK_a。
  • 题目给分布系数图,问某 pH 下哪种物种占优势 → 看该 pH 处哪条曲线在上方 → 上方曲线的物种占优势。
  • 题目给 lg⁡\lg 比值图,问某 pH 下 AX−\ce{A-} 与 HA\ce{HA} 的比值 → 直接读纵轴,或用 pH−pKa\mathrm{pH} - \mathrm{p}K_a 算。
  • 题目给滴定曲线的半等当点,问分布系数 → 半等当点 pH≈pKa\mathrm{pH} \approx \mathrm{p}K_a,δ=0.5\delta = 0.5 → 与分布系数图对应。
  • 题目给多元酸(如 HX2COX3\ce{H2CO3})的分布系数图,问某 pH 下主要物种 → 找该 pH 处最高的曲线 → 注意每个 pKapK_a 处相邻两种物种相等。
  • 分布系数图的横轴是 pH,不是浓度;纵轴是分数,范围 0–1,两条曲线之和恒为 1。
  • 两条曲线的交点对应 pH=pKa\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a,不是 KaK_a 本身;读出 pH 后要取 Ka=10−pKaK_a = 10^{-\mathrm{p}K_a}。
  • lg⁡\lg 比值图的斜率恒为 1(一元弱酸),截距是 −pKa-\mathrm{p}K_a;不要把它和分布系数图的 S 形曲线混淆。
  • 对多元酸,分布系数图有多个交点,每个交点对应一级 pKapK_a;相邻两种物种相等,不是所有物种同时相等。
  • 温度改变时 KaK_a 改变,交点和直线都会平移;浓度改变不影响分布系数(因为 δ\delta 只由 pH 和 pKapK_a 决定)。
  • 分布系数只适用于弱酸(或弱碱)与其共轭碱的平衡;如果有沉淀、络合等副反应,分布系数会改变。

分布系数为什么是 S 形:δ(AX−)=10pH−pKa1+10pH−pKa\delta(\ce{A-}) = \dfrac{10^{\mathrm{pH} - \mathrm{p}K_a}}{1 + 10^{\mathrm{pH} - \mathrm{p}K_a}}。pH 远小于 pKapK_a 时,分母很大,δ(AX−)\delta(\ce{A-}) 接近 0;pH 远大于 pKapK_a 时,δ(AX−)\delta(\ce{A-}) 接近 1;在 pKapK_a 附近,从 0 过渡到 1,形成 S 形(关键一步:S 形曲线的中点就是 pKapK_a,因为此时分子、分母相等,δ=0.5\delta = 0.5)。

lg⁡\lg 比值为什么是直线:由 KaK_a 表达式取对数,lg⁡c(AX−)c(HA)=pH−pKa\lg\dfrac{c(\ce{A-})}{c(\ce{HA})} = \mathrm{pH} - \mathrm{p}K_a,这是以 pH 为自变量的一次函数,斜率 1、截距 −pKa-\mathrm{p}K_a。pH 每增加 1,比值增大 10 倍,所以是直线(关键一步:对数把“倍数关系”变成“加减关系”,这是 pH 和 lg⁡\lg 图能直线化的原因)。

例 1 (场景:由分布系数图求 pKapK_a)25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C} 时,某一元弱酸 HA\ce{HA} 的分布系数图中,δ(HA)\delta(\ce{HA}) 和 δ(AX−)\delta(\ce{A-}) 两条曲线在 pH =4.74=4.74 处相交。求 pKapK_a 和 KaK_a。

解:

找关系:两条曲线交点处 δ(HA)=δ(AX−)=0.5\delta(\ce{HA}) = \delta(\ce{A-}) = 0.5,对应 pH=pKa\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a。

计算:pKa=4.74pK_a = 4.74,Ka=10−4.74≈1.8×10−5K_a = 10^{-4.74} \approx 1.8 \times 10^{-5}。

检验:与醋酸的 KaK_a 一致;交点处两种物种各占一半,符合定义。

例 2 (场景:由 lg⁡\lg 比值图求比值)25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C} 时,某弱酸 HA\ce{HA} 的 pKa=4.74pK_a = 4.74。求 pH =5.74=5.74 时 c(AX−)c(HA)\dfrac{c(\ce{A-})}{c(\ce{HA})} 的比值。

解:

找关系:lg⁡c(AX−)c(HA)=pH−pKa\lg\dfrac{c(\ce{A-})}{c(\ce{HA})} = \mathrm{pH} - \mathrm{p}K_a。

列式:lg⁡c(AX−)c(HA)=5.74−4.74=1\lg\dfrac{c(\ce{A-})}{c(\ce{HA})} = 5.74 - 4.74 = 1。

计算:c(AX−)c(HA)=10\dfrac{c(\ce{A-})}{c(\ce{HA})} = 10,AX−\ce{A-} 是 HA\ce{HA} 的 10 倍。

检验:pH 比 pKapK_a 大 1,比值应为 10 倍,与公式一致。

例 3 (场景:多元酸的分布系数)25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C} 时,HX2COX3\ce{H2CO3} 的 pKa1=6.35pK_{a1} = 6.35,pKa2=10.33pK_{a2} = 10.33。在 pH =8.3=8.3 时,HX2COX3\ce{H2CO3}、HCOX3X−\ce{HCO3-}、COX3X2−\ce{CO3^2-} 哪种物种占优势?在 pH =6.35=6.35 和 pH =10.33=10.33 时,哪两种物种相等?

解:

判断依据:pH 在 pKa1pK_{a1} 和 pKa2pK_{a2} 之间时,HCOX3X−\ce{HCO3-} 占优势;pH =pKa1=pK_{a1} 时,HX2COX3\ce{H2CO3} 与 HCOX3X−\ce{HCO3-} 相等;pH =pKa2=pK_{a2} 时,HCOX3X−\ce{HCO3-} 与 COX3X2−\ce{CO3^2-} 相等。

结论:pH =8.3=8.3 时,HCOX3X−\ce{HCO3-} 占优势(δ\delta 最大);pH =6.35=6.35 时,HX2COX3=HCOX3X−\ce{H2CO3} = \ce{HCO3-};pH =10.33=10.33 时,HCOX3X−=COX3X2−\ce{HCO3-} = \ce{CO3^2-}。

检验:8.38.3 在 6.356.35 和 10.3310.33 之间,HCOX3X−\ce{HCO3-} 是中间物种,占优势;两个交点分别对应两级电离。

例 4 (场景:由 lg⁡\lg 比值图读 pKapK_a)25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C} 时,某弱酸的 lg⁡c(AX−)c(HA)\lg\dfrac{c(\ce{A-})}{c(\ce{HA})}–pH 图是一条直线,当 pH =3.20=3.20 时纵轴为 0。求 pKapK_a 和 KaK_a。

解:

找关系:纵轴为 0 时,lg⁡c(AX−)c(HA)=0\lg\dfrac{c(\ce{A-})}{c(\ce{HA})} = 0,即 c(AX−)=c(HA)c(\ce{A-}) = c(\ce{HA}),此时 pH=pKa\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a。

计算:pKa=3.20pK_a = 3.20,Ka=10−3.20≈6.3×10−4K_a = 10^{-3.20} \approx 6.3 \times 10^{-4}。

检验:与 HF\ce{HF} 的 KaK_a 一致;纵轴为 0 的点就是半等当点(或等浓度点)。

例 5 (场景:滴定半等当点的分布系数)用 0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} NaOH\ce{NaOH} 滴定某弱酸 HA\ce{HA},半等当点时 pH =4.74=4.74。求此时 δ(HA)\delta(\ce{HA}) 和 δ(AX−)\delta(\ce{A-}),并说明它与滴定曲线的对应关系。

解:

判断依据:半等当点时 c(HA)≈c(AX−)c(\ce{HA}) \approx c(\ce{A-}),pH=pKa\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a,分布系数曲线交于 0.5。

计算:pKa=4.74\mathrm{p}K_a = 4.74,δ(HA)=δ(AX−)=0.5\delta(\ce{HA}) = \delta(\ce{A-}) = 0.5。

检验:半等当点在滴定曲线上对应“加入一半标准液”的点;此时 pH 等于 pKa\mathrm{p}K_a,与分布系数图的交点一致。若 pH 比 pKa\mathrm{p}K_a 大 1,则 δ(AX−)=1011≈0.91\delta(\ce{A-}) = \dfrac{10}{11} \approx 0.91,δ(HA)≈0.09\delta(\ce{HA}) \approx 0.09。

  • 分布系数图的交点:pH=pKa\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a,δ=0.5\delta = 0.5;两条曲线之和为 1。
  • lg⁡\lg 比值图:lg⁡c(AX−)c(HA)=pH−pKa\lg\dfrac{c(\ce{A-})}{c(\ce{HA})} = \mathrm{pH} - \mathrm{p}K_a,斜率 1,过 (pKa,0)(pK_a,0)。
  • pH 比 pKapK_a 大 1,AX−\ce{A-} 是 HA\ce{HA} 的 10 倍;大 2,100 倍;小 1,HA\ce{HA} 是 AX−\ce{A-} 的 10 倍。
  • 多元酸:每个 pKapK_a 处相邻两种物种相等;pH 在两个 pKapK_a 之间时,中间物种占优势。
  • 分布系数只由 pH 和 pKapK_a 决定,与总浓度无关;温度改变 pKapK_a,曲线平移。
  • 错在哪:把分布系数图的交点横坐标当成 KaK_a。 为什么错:理解性错误。交点是 pKapK_a,要取 10−pKa10^{-pK_a} 才是 KaK_a。 正确做法:先读 pH,再取反对数。
  • 错在哪:认为 lg⁡\lg 比值图的斜率随酸不同而不同。 为什么错:理解性错误。一元弱酸的斜率恒为 1,不同的酸只改变截距(−pKa-pK_a)。 正确做法:斜率 1、截距 −pKa-pK_a;多元酸要分步看。
  • 错在哪:认为多元酸在某个 pH 下所有物种浓度都相等。 为什么错:理解性错误。只有在对应的 pKapK_a 处,相邻两种物种相等;不是所有物种同时相等。 正确做法:逐级比较,找每个交点对应的两种物种。

分布系数图像“跷跷板”:pH 低时 HA\ce{HA} 那头重,pH 高时 AX−\ce{A-} 那头重,pKapK_a 是支点,两边正好平衡。lg⁡\lg 比值图是“跷跷板的刻度”:每抬高 1 个 pH,AX−\ce{A-} 那头就重 10 倍;直线的斜率就是“每单位 pH 改变多少倍”的对数。

  • 前置:29.2 守恒;29.3–29.4 粒子顺序。
  • 前置:第 25 章 KaK_a、第 26 章 pH。
  • 后续:29.6 用 KK 定量判断。
  • 后续:第 26 章滴定曲线,半等当点对应分布系数 0.5。
  • 常一起考:第 27 章水解,KhK_h 与 KaK_a 的关系。

宏观:给定一个 pH,就能用 KaK_a 判断弱酸和它的酸根谁多谁少;给定浓度,就能用 QQ 与 KK 判断反应方向;给定盐溶液,就能用 KhK_h 判断水解程度。第 25–28 章的常数,在这里变成“比较大小的尺子”。

微观:所有判断都来自同一个平衡常数表达式。对弱酸 HA\ce{HA}:

Ka=c(HX+)c(AX−)c(HA)⟹c(AX−)c(HA)=Kac(HX+)K_a = \frac{c(\ce{H+})c(\ce{A-})}{c(\ce{HA})} \quad\Longrightarrow\quad \frac{c(\ce{A-})}{c(\ce{HA})} = \frac{K_a}{c(\ce{H+})}
  • c(HX+)=Kac(\ce{H+}) = K_a(即 pH=pKa\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a)时,c(AX−)=c(HA)c(\ce{A-}) = c(\ce{HA})。
  • c(HX+)<Kac(\ce{H+}) < K_a(pH >pKa> pK_a)时,c(AX−)>c(HA)c(\ce{A-}) > c(\ce{HA})。
  • c(HX+)>Kac(\ce{H+}) > K_a(pH <pKa< pK_a)时,c(AX−)<c(HA)c(\ce{A-}) < c(\ce{HA})。

对弱碱,用 KbK_b 和 c(OHX−)c(\ce{OH-}) 判断,完全对称。

符号:对弱酸根盐,Kh=Kw/KaK_h = K_\mathrm{w}/K_a;对弱碱盐,Kh=Kw/KbK_h = K_\mathrm{w}/K_b;对水的电离,Kw=c(HX+)c(OHX−)K_\mathrm{w} = c(\ce{H+})c(\ce{OH-})。比较粒子大小时,先写出对应的 KK 表达式,再把已知浓度代入,算出比值。

  • 题目给 pH 和 KaK_a,问 c(AX−)c(\ce{A-}) 与 c(HA)c(\ce{HA}) 谁大 → 比较 pH 与 pKapK_a,或直接算比值 Ka/c(HX+)K_a/c(\ce{H+})。
  • 题目给盐溶液的浓度和 KhK_h,问 c(OHX−)c(\ce{OH-}) 或 c(HX+)c(\ce{H+}) → 用 c(OHX−)≈Khc0c(\ce{OH-}) \approx \sqrt{K_h c_0} 或 c(HX+)≈Khc0c(\ce{H+}) \approx \sqrt{K_h c_0}。
  • 题目给两种酸的 KaK_a,问“强酸制弱酸”能否发生 → 算 K=Ka(反应物)/Ka(生成物)K = K_a(\text{反应物})/K_a(\text{生成物}),K>1K>1 能发生。
  • 题目给滴定过程中某点的 pH 和 KaK_a,问粒子顺序 → 先用 pH 与 pKapK_a 判断 AX−\ce{A-}/HA\ce{HA},再用守恒式判断其他粒子。
  • 题目问“加水稀释时 c(HX+)c(\ce{H+}) 和 α\alpha 怎样变” → 用 c(HX+)≈Kac0c(\ce{H+}) \approx \sqrt{K_a c_0} 和 α≈Ka/c0\alpha \approx \sqrt{K_a/c_0} 判断。
  • 比较 pH 与 pKapK_a 时,要确认温度一致;不同温度下 KaK_a 不同,pKapK_a 不同。
  • 多元酸要分步:比较 HX2COX3\ce{H2CO3} 与 HCOX3X−\ce{HCO3-} 用 Ka1K_{a1};比较 HCOX3X−\ce{HCO3-} 与 COX3X2−\ce{CO3^2-} 用 Ka2K_{a2}。
  • 弱碱用 KbK_b 和 pOHpOH,不要用 pH 直接套 KbK_b;换算时用 KwK_\mathrm{w}。
  • 比值公式只适用于只有一种弱酸(或弱碱)及其共轭碱的体系;如果有多种弱酸、沉淀、络合,要另行分析。
  • KhK_h 和 KaK_a 的关系是 Kh=Kw/KaK_h = K_\mathrm{w}/K_a,不要写成 Ka/KwK_a/K_\mathrm{w}。
  • 计算 c(OHX−)c(\ce{OH-}) 或 c(HX+)c(\ce{H+}) 的近似式要求水解程度小;水解程度大时,要解二次方程。

为什么 pH 和 pKapK_a 能直接比较:由 KaK_a 表达式,c(AX−)c(HA)=Kac(HX+)\dfrac{c(\ce{A-})}{c(\ce{HA})} = \dfrac{K_a}{c(\ce{H+})}。当 c(HX+)=Kac(\ce{H+}) = K_a 时比值为 1;当 c(HX+)c(\ce{H+}) 变小(pH 变大)时,比值变大;当 c(HX+)c(\ce{H+}) 变大(pH 变小)时,比值变小(关键一步:pH 与 pKapK_a 的比较,本质上是 c(HX+)c(\ce{H+}) 与 KaK_a 的比较;每差 1 个 pH 单位,比值差 10 倍)。

为什么用 KhK_h 判断盐溶液的酸碱性:KhK_h 越大,水解程度越大,产生的 OHX−\ce{OH-}(或 HX+\ce{H+})越多;对酸式盐,比较 KhK_h 和 KaK_a,谁大显谁性(第 27 章)。关键一步:所有“谁大谁小”的判断,最终都归结为两个常数的比较或一个比值。

例 1 (场景:由 pH 判断弱酸物种)25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C} 时,CHX3COOH\ce{CH3COOH} 的 Ka=1.8×10−5K_a = 1.8 \times 10^{-5}。pH =5.0=5.0 的醋酸溶液中,c(CHX3COOX−)c(\ce{CH3COO-}) 与 c(CHX3COOH)c(\ce{CH3COOH}) 哪个大?比值是多少?

解:

找关系:c(CHX3COOX−)c(CHX3COOH)=Kac(HX+)\dfrac{c(\ce{CH3COO-})}{c(\ce{CH3COOH})} = \dfrac{K_a}{c(\ce{H+})};pH =5.0=5.0,c(HX+)=1.0×10−5 mol/Lc(\ce{H+}) = 1.0 \times 10^{-5}\ \mathrm{mol/L}。

列式:比值 =1.8×10−51.0×10−5= \dfrac{1.8 \times 10^{-5}}{1.0 \times 10^{-5}}。

计算:比值 =1.8= 1.8,c(CHX3COOX−)>c(CHX3COOH)c(\ce{CH3COO-}) > c(\ce{CH3COOH})。

检验:pH =5.0>pKa=4.74=5.0 > pK_a = 4.74,AX−\ce{A-} 占优势,与计算一致。

例 2 (场景:由 pH 判断弱酸物种,反向)25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C} 时,CHX3COOH\ce{CH3COOH} 的 Ka=1.8×10−5K_a = 1.8 \times 10^{-5}。pH =4.0=4.0 的醋酸溶液中,c(CHX3COOX−)c(\ce{CH3COO-}) 与 c(CHX3COOH)c(\ce{CH3COOH}) 哪个大?比值是多少?

解:

找关系:pH =4.0=4.0,c(HX+)=1.0×10−4 mol/Lc(\ce{H+}) = 1.0 \times 10^{-4}\ \mathrm{mol/L};比值 =1.8×10−51.0×10−4= \dfrac{1.8 \times 10^{-5}}{1.0 \times 10^{-4}}。

计算:比值 =0.18= 0.18,c(CHX3COOH)>c(CHX3COOX−)c(\ce{CH3COOH}) > c(\ce{CH3COO-})。

检验:pH =4.0<pKa=4.74=4.0 < pK_a = 4.74,HA\ce{HA} 占优势,与计算一致。

例 3 (场景:KhK_h 与 KaK_a 比较)25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C} 时,NaHCOX3\ce{NaHCO3} 溶液显碱性,NaHSOX3\ce{NaHSO3} 溶液显酸性。用 KhK_h 和 KaK_a 的数值判断。

解:

判断依据:酸式盐的酸碱性取决于 KhK_h 和 KaK_a 的相对大小。

HCOX3X−\ce{HCO3-}:Kh=KwKa1(HX2COX3)=1.0×10−144.5×10−7≈2.2×10−8K_h = \dfrac{K_\mathrm{w}}{K_{a1}(\ce{H2CO3})} = \dfrac{1.0 \times 10^{-14}}{4.5 \times 10^{-7}} \approx 2.2 \times 10^{-8};Ka2=4.7×10−11K_{a2} = 4.7 \times 10^{-11}。Kh>Ka2K_h > K_{a2},显碱性。

HSOX3X−\ce{HSO3-}:Kh=KwKa1(HX2SOX3)=1.0×10−141.5×10−2≈6.7×10−13K_h = \dfrac{K_\mathrm{w}}{K_{a1}(\ce{H2SO3})} = \dfrac{1.0 \times 10^{-14}}{1.5 \times 10^{-2}} \approx 6.7 \times 10^{-13};Ka2=1.0×10−7K_{a2} = 1.0 \times 10^{-7}。Ka2≫KhK_{a2} \gg K_h,显酸性。

检验:两个判断都与实验现象一致;关键是“对哪一步用 KaK_a”。

例 4 (场景:盐溶液 pH 的定量计算)25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C} 时,CHX3COONa\ce{CH3COONa} 的 Kh=5.6×10−10K_h = 5.6 \times 10^{-10},求 0.10 mol/L0.10\ \mathrm{mol/L} CHX3COONa\ce{CH3COONa} 溶液的 c(OHX−)c(\ce{OH-}) 和 pH。

解:

找关系:c(OHX−)≈Khc0c(\ce{OH-}) \approx \sqrt{K_h c_0};pOH=−lg⁡c(OHX−)\mathrm{pOH} = -\lg c(\ce{OH-}),pH =14−pOH=14-\mathrm{pOH}。

列式:c(OHX−)=5.6×10−10×0.10c(\ce{OH-}) = \sqrt{5.6 \times 10^{-10} \times 0.10}。

计算:c(OHX−)≈7.5×10−6 mol/Lc(\ce{OH-}) \approx 7.5 \times 10^{-6}\ \mathrm{mol/L};pOH≈5.12\mathrm{pOH} \approx 5.12,pH ≈8.88\approx 8.88。

检验:水解程度约 7.5×10−57.5 \times 10^{-5},远小于 5%5\%,近似式可用;pH >7>7,与醋酸钠显碱性一致。

例 5 (场景:用 KK 判断反应方向)25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C} 时,CHX3COOH\ce{CH3COOH} 的 Ka=1.8×10−5K_a = 1.8 \times 10^{-5},HClO\ce{HClO} 的 Ka=4.0×10−8K_a = 4.0 \times 10^{-8}。判断反应 CHX3COOH+ClOX−⇌CHX3COOX−+HClO\ce{CH3COOH + ClO- <=> CH3COO- + HClO} 的方向。

解:

找关系:K=Ka(CHX3COOH)Ka(HClO)K = \dfrac{K_a(\ce{CH3COOH})}{K_a(\ce{HClO})}。

列式:K=1.8×10−54.0×10−8K = \dfrac{1.8 \times 10^{-5}}{4.0 \times 10^{-8}}。

计算:K=4.5×102≫1K = 4.5 \times 10^2 \gg 1,反应向右进行。

检验:醋酸是比次氯酸更强的酸,能把 ClOX−\ce{ClO-} 变成 HClO\ce{HClO};与“强酸制弱酸”一致。

  • 弱酸 HA\ce{HA}:c(AX−)c(HA)=Kac(HX+)=10pH−pKa\dfrac{c(\ce{A-})}{c(\ce{HA})} = \dfrac{K_a}{c(\ce{H+})} = 10^{\mathrm{pH}-\mathrm{p}K_a}。
  • pH=pKa\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a:c(AX−)=c(HA)c(\ce{A-}) = c(\ce{HA});pH 大 1:AX−\ce{A-} 是 HA\ce{HA} 的 10 倍;pH 小 1:HA\ce{HA} 是 AX−\ce{A-} 的 10 倍。
  • 弱碱:c(BX+)c(BOH)=Kbc(OHX−)\dfrac{c(\ce{B+})}{c(\ce{BOH})} = \dfrac{K_b}{c(\ce{OH-})},用 pOH\mathrm{pOH} 与 pKb\mathrm{p}K_b 比较。
  • 酸式盐:Kh>KaK_h > K_a 显碱性,Kh<KaK_h < K_a 显酸性。
  • 酸与盐的置换:K=Ka(反应物酸)Ka(生成物酸)K = \dfrac{K_a(\text{反应物酸})}{K_a(\text{生成物酸})},K>1K>1 向右。
  • 盐溶液:c(OHX−)≈Khc0c(\ce{OH-}) \approx \sqrt{K_h c_0}(弱酸根盐),c(HX+)≈Khc0c(\ce{H+}) \approx \sqrt{K_h c_0}(弱碱盐)。
  • 错在哪:比较 pH 与 pKapK_a 时,把 pH 大当成“酸多”。 为什么错:理解性错误。pH 大表示 c(HX+)c(\ce{H+}) 小,酸根 AX−\ce{A-} 占优势。 正确做法:pH >pKa> pK_a 时 AX−\ce{A-} 多;pH <pKa< pK_a 时 HA\ce{HA} 多。
  • 错在哪:用 Ka1K_{a1} 判断 HCOX3X−\ce{HCO3-} 的酸性。 为什么错:记忆性错误。HCOX3X−\ce{HCO3-} 对应第二步电离,用 Ka2K_{a2}。 正确做法:先确定失去的是第几个质子。
  • 错在哪:计算盐溶液 pH 时,把 KhK_h 当成 KaK_a 直接取负对数。 为什么错:理解性错误。KhK_h 对应的是 OHX−\ce{OH-}(弱酸根盐)或 HX+\ce{H+}(弱碱盐),要先算 c(OHX−)c(\ce{OH-}) 或 c(HX+)c(\ce{H+}),再换 pH。 正确做法:先算 c(OHX−)c(\ce{OH-})(或 c(HX+)c(\ce{H+})),再取对数、换算 pH。

KK 是一把“比较尺”:pH 是“当前环境”,pKapK_a 是“这种酸的半解离点”。环境比半解离点更碱,酸根就多;更酸,分子就多。每偏离 1 个 pH 单位,多的一方就是少的一方的 10 倍。所有的“谁大谁小”,都可以用这把尺量。

  • 前置:29.2–29.5 守恒、顺序、图像。
  • 前置:第 25 章 KaK_a、第 26 章 pH、第 27 章 KhK_h、第 28 章 KspK_\mathrm{sp}。
  • 后续:第 30 章有机物的结构,酸碱理论在有机中的应用。
  • 常一起考:滴定曲线、分布系数图、盐类水解。

本章的解题路线:先判断单一溶液还是混合/滴定体系,写三大守恒;要定量就用 Ka、Kh、Kw 算比值;分布系数图和 lg 比值图给出直观判断

本章的五节是一条链:29.2 给出三条守恒等式,29.3 用守恒和 KK 排出单一溶液的粒子顺序,29.4 把同样的方法用到混合溶液和滴定的四个特殊点,29.5 把“谁多谁少”画成分布系数图和 lg⁡\lg 比值图,29.6 把所有判断收拢成“比较 KK 与 c(HX+)c(\ce{H+})(或 c(OHX−)c(\ce{OH-}))”。做题时先判断体系,再写守恒,最后用 KK 定量;不要一上来就背顺序。

  1. 写出 NaX2COX3\ce{Na2CO3} 溶液的电荷守恒、物料守恒和质子守恒。
  2. 按浓度由大到小排列 0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} CHX3COONa\ce{CH3COONa} 溶液中的粒子:NaX+\ce{Na+}、CHX3COOX−\ce{CH3COO-}、OHX−\ce{OH-}、CHX3COOH\ce{CH3COOH}、HX+\ce{H+}。
  3. 按浓度由大到小排列 0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} NaX2COX3\ce{Na2CO3} 溶液中的粒子:NaX+\ce{Na+}、COX3X2−\ce{CO3^2-}、OHX−\ce{OH-}、HCOX3X−\ce{HCO3-}、HX+\ce{H+}。
  4. 0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} NaHCOX3\ce{NaHCO3} 溶液中,c(COX3X2−)c(\ce{CO3^2-}) 与 c(OHX−)c(\ce{OH-}) 哪个大?按浓度由大到小排列 NaX+\ce{Na+}、HCOX3X−\ce{HCO3-}、COX3X2−\ce{CO3^2-}、HX2COX3\ce{H2CO3}、OHX−\ce{OH-}、HX+\ce{H+}。
  5. 按浓度由大到小排列 0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} NHX4Cl\ce{NH4Cl} 溶液中的粒子:ClX−\ce{Cl-}、NHX4X+\ce{NH4+}、HX+\ce{H+}、NHX3 ⋅ HX2O\ce{NH3.H2O}、OHX−\ce{OH-}。
  6. 按浓度由大到小排列 0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} NaHSOX3\ce{NaHSO3} 溶液中的粒子:NaX+\ce{Na+}、HSOX3X−\ce{HSO3-}、SOX3X2−\ce{SO3^2-}、HX2SOX3\ce{H2SO3}、HX+\ce{H+}、OHX−\ce{OH-}。
  7. 等浓度的 CHX3COOH\ce{CH3COOH} 与 CHX3COONa\ce{CH3COONa} 混合,按浓度由大到小排列 CHX3COOX−\ce{CH3COO-}、NaX+\ce{Na+}、CHX3COOH\ce{CH3COOH}、HX+\ce{H+}、OHX−\ce{OH-}。
  8. 用 NaOH\ce{NaOH} 滴定醋酸,半等当点时按浓度由大到小排列 CHX3COOX−\ce{CH3COO-}、NaX+\ce{Na+}、CHX3COOH\ce{CH3COOH}、HX+\ce{H+}、OHX−\ce{OH-}。
  9. 等当点时按浓度由大到小排列 NaX+\ce{Na+}、CHX3COOX−\ce{CH3COO-}、OHX−\ce{OH-}、CHX3COOH\ce{CH3COOH}、HX+\ce{H+}。
  10. 加入 22.00 mL22.00\ \mathrm{mL} 0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} NaOH\ce{NaOH} 到 20.00 mL20.00\ \mathrm{mL} 0.1 mol/L0.1\ \mathrm{mol/L} 醋酸中,按浓度由大到小排列 NaX+\ce{Na+}、CHX3COOX−\ce{CH3COO-}、OHX−\ce{OH-}、HX+\ce{H+}。
  11. 某弱酸的分布系数图交点 pH =4.74=4.74,求 pKapK_a 和 KaK_a。
  12. 某弱酸的 pKa=4.74pK_a = 4.74,求 pH =5.74=5.74 时 c(AX−)c(HA)\dfrac{c(\ce{A-})}{c(\ce{HA})} 的比值。

答案:1. 电荷:c(NaX+)+c(HX+)=c(OHX−)+c(HCOX3X−)+2c(COX3X2−)c(\ce{Na+}) + c(\ce{H+}) = c(\ce{OH-}) + c(\ce{HCO3-}) + 2c(\ce{CO3^2-});物料:c(NaX+)=2[c(COX3X2−)+c(HCOX3X−)+c(HX2COX3)]c(\ce{Na+}) = 2[c(\ce{CO3^2-}) + c(\ce{HCO3-}) + c(\ce{H2CO3})];质子:c(OHX−)=c(HX+)+c(HCOX3X−)+2c(HX2COX3)c(\ce{OH-}) = c(\ce{H+}) + c(\ce{HCO3-}) + 2c(\ce{H2CO3});2. NaX+>CHX3COOX−>OHX−>CHX3COOH>HX+\ce{Na+} > \ce{CH3COO-} > \ce{OH-} > \ce{CH3COOH} > \ce{H+};3. NaX+>COX3X2−>OHX−>HCOX3X−>HX+\ce{Na+} > \ce{CO3^2-} > \ce{OH-} > \ce{HCO3-} > \ce{H+};4. c(COX3X2−)>c(OHX−)c(\ce{CO3^2-}) > c(\ce{OH-}),顺序 NaX+>HCOX3X−>COX3X2−≈HX2COX3>OHX−>HX+\ce{Na+} > \ce{HCO3-} > \ce{CO3^2-} \approx \ce{H2CO3} > \ce{OH-} > \ce{H+};5. ClX−>NHX4X+>HX+>NHX3 ⋅ HX2O>OHX−\ce{Cl-} > \ce{NH4+} > \ce{H+} > \ce{NH3.H2O} > \ce{OH-};6. NaX+>HSOX3X−>SOX3X2−≈HX2SOX3>HX+>OHX−\ce{Na+} > \ce{HSO3-} > \ce{SO3^2-} \approx \ce{H2SO3} > \ce{H+} > \ce{OH-};7. CHX3COOX−>NaX+>CHX3COOH>HX+>OHX−\ce{CH3COO-} > \ce{Na+} > \ce{CH3COOH} > \ce{H+} > \ce{OH-};8. CHX3COOX−>NaX+>CHX3COOH>HX+>OHX−\ce{CH3COO-} > \ce{Na+} > \ce{CH3COOH} > \ce{H+} > \ce{OH-};9. NaX+>CHX3COOX−>OHX−>CHX3COOH>HX+\ce{Na+} > \ce{CH3COO-} > \ce{OH-} > \ce{CH3COOH} > \ce{H+};10. NaX+>CHX3COOX−>OHX−>HX+\ce{Na+} > \ce{CH3COO-} > \ce{OH-} > \ce{H+};11. pKa=4.74pK_a = 4.74,Ka≈1.8×10−5K_a \approx 1.8 \times 10^{-5};12. 10。