酸、碱稀释题的那些迷惑

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  做有关溶液pH、电离平衡、盐类水解的题目时,从相关概念、原理出发,可化难为易,化解迷惑,提高解决问题的能力。下文中我们来看看如何化解酸、碱稀释题的那些迷惑。
  一、突破“pH概念”的迷惑
  pH概念看似简单,但是高考不会仅仅考查简单的概念,而是通过变化多端的情景来间接考查,转了几个弯,同学们可能就被迷惑了。pH概念和特征可总结成下表:
  定义 pH= -lg[c(H+)]
  用途 常用于表示稀溶液的酸碱性的强弱
  适用范围 c(H+)或c(OH-)≤1 mol·L-1的稀溶液(pH范围一般在0~14)。超过这个范围时,用c(H+)或c(OH-)表示酸碱性更方便
  特征 ①pH越小,酸性越强;pH越大,碱性越强。
  ②pH增加n个单位,c(H+)降至原来的,c(OH-)增大至原来的10n倍
  【例1】下列说法正确的是( )
  A.pH=12、pH=14的两种NaOH溶液比较,c(OH-)前者是后者的100倍
  B.将pH=2、pH=4的两种稀HCl溶液等体积混合后,所得混合溶液的pH=3
  C.当溶液中c(H+)=c(OH-)>10-7 mol·L-1时,其pH<7,溶液呈现中性
  D.甲、乙两溶液的pH分别为6和8,则甲的H+数目是乙的100倍
  【迷点揭秘】考生由于对pH定义式、pH与c(H+)的关系理解不深而导致错误,例如本题的A、B、D选项。用“pH= -lg[c(H+)]”定义式对A、B进行分析,就可确定其错误。理清pH、c(H+)、n(H+)之间的联系,就可确定D错误。答案是C。
  【例2】对重水(D2O)也可像定义pH一样定义pD,即pD=-lg[c(D+)],现已知重水的离子积为1.6×10-15,以下关于pD的叙述正确的是( )
  A.中性溶液pD等于7
  B.在D2O中溶解0.01 mol DCl配成1 L溶液,则pD等于2.0
  C.在D2O中溶解0.01 mol NaOD配成1 L溶液,则pD等于12.0
  D.当由重水电离出来的c(D+)等于10-13mol·L-1 时,溶液的pD等于1或13
  【迷点揭秘】答案是B。根据重水的离子积可判断pD等于7的溶液属于酸性溶液;0.01 mol NaOD配成1 L溶液后其pD应大于12.0。
  二、突破“pH计算”的迷惑
  同学们在进行pH计算时,下列情况容易导致错误,审题时要特别留心:
  1.pH相等,则H+或OH-的浓度相等。如,pH=3的盐酸溶液与pH=3的H2SO4溶液的c(H+)是相等的;pH=12的NaOH溶液与pH=12的Ba(OH)2溶液的c(OH-)都是10-2mol·L-1。
  2.计算强酸溶液稀释后的pH或强酸跟强酸混合后的pH,若溶液中酸电离出的c(H+)大,可将n(H+)看作常数,直接用如下公式计算混合后的H+
  离子浓度:c(H+)=(c1、c2、V1、V2分别表
  示混合前两溶液的浓度和体积)。若酸的浓度很小时,水电离平衡移动会明显影响n(H+),计算时不能忽略水电离产生的H+对溶液混合后的c(H+)的影响,如pH=6的盐酸溶液稀释100倍后,所得溶液的pH≠8,而是接近7且略小于7(pH<7的酸性溶液稀释后不可能变成pH>7的碱性溶液)。
  3.计算强碱溶液稀释后的pH或强碱跟强碱混合后的pH时,一般可将n(OH-)看作常数。若碱的浓度很小时,还要考虑水电离产生的OH-对n(OH-)的影响,如pH=8的氢氧化钠溶液稀释100倍后,所得溶液的pH≠6,而是接近7且略大于7(pH>7的碱性溶液稀释后不可能变成pH<7的酸性溶液)。
  4.计算强酸跟强碱溶液混合后的pH,要先考虑是酸碱恰好中和,还是H+或OH-过量,再转求pH。
  【例3】对于常温下pH为1的硝酸溶液,下列叙述正确的是( )
  A.该溶液l mL稀释至100 mL后,pH等于3
  B.向该溶液中加入等体积、pH为13的氢氧化钡溶液恰好完全中和
  C.该溶液中硝酸电离出的c(H+)与水电离出的c(H+)之比值为10-2
  D.该溶液中水电离出的c(H+)是pH为3的硝酸中水电离出的c(H+)的100倍
  【迷点揭秘】硝酸为强电解质,完全电离,稀释100倍,pH增大2。硝酸电离出的c(H+)为0.1 mol/L,水电离出的c(H+)为10-13 mol/L,二者之比应为1012。pH为3的硝酸中水电离出的c(H+)为10-11mol/L,故D项的比值应为1∶100。答案是AB。
  【例4】250 mL pH=12的某一元强碱(MOH)溶液与250 mL 0.025 mol·L-1 的硫酸溶液相混合, 假设混合后液体体积为500 mL。试求:混合液的pH;若给混合液中分别滴入几滴甲基橙、无色酚酞、紫色石蕊试液,则溶液的颜色分别是什么?
  【迷点揭秘】pH=12的一元强碱溶液中,c(OH-)
  =0.01 mol·L-1,跟c(H+)=0.05 mol·L-1的稀硫酸混合后,溶液中c(H+)=0.02 mol·L-1,所以混合溶液的pH=1.7。
  【答案】pH=1.7 变红色、变无色、变红色
  三、突破“弱酸、弱碱电离平衡移动”的迷惑
  高考对弱酸、弱碱溶液稀释后pH的计算不作要求,但常常会考查弱酸、弱碱电离平衡移动和pH估计等问题。
  1.弱酸溶液稀释过程中,由于弱酸的电离平衡向电离方向移动,溶液中n(H+)的总数必定要增大。遇到弱酸稀释的问题时,可先看作“等浓度的强酸溶液稀释”问题,计算稀释后pH可能达到的最大值后,再考虑电离平衡移动,作合理估算(如例5)。   2.弱碱溶液稀释过程中,由于弱碱的电离平衡向电离方向移动,溶液中n(OH-)必定要增大。如遇到氨水稀释的问题时,可先看作“等浓度的氢氧化钠溶液稀释”问题,计算稀释后pH可能达到的最小值后,再考虑氨水的电离平衡移动,作合理估算。
  3.在多元弱酸分步电离中,各步电离常数大小关系为K1>K2>K3>……>Kn,K1和K2之间一般都要相差4~5个数量级,所以多元弱酸(或碱)的酸(或碱)性主要由第一步电离决定。一般,要比较多元弱酸的酸性强弱,只要比较第一级电离常数即可,如H2CO3的Ka1=4.3×10-7,HClO的Ka=3.0×10-8,可知碳酸比次氯酸酸性强。
  【例5】pH=3的醋酸溶液加水冲稀到原溶液体积的3倍,则稀释后的pH为( )
  A.3.2 B.3.5 C.3.7 D.4
  【迷点揭秘】pH=3的强酸溶液稀释到原体积的3倍时pH =3.5。弱酸稀释时电离平衡要向电离方向移动,故醋酸这样的弱酸稀释后pH必定比同pH的强酸溶液稀释后的小。答案是A。
  【例6】在稀氨水溶液中存在如下平衡体系:NH3·H2ONH4++OH-,当增大溶液的pH时,c(NH4+)会( )
  A.可能增大也可能减小 B.增大
  C.减小 D.无变化
  【迷点揭秘】溶液的pH增大,c(OH-)也要增大。对于平衡体系NH3·H2ONH4++OH-来说,有两种可能的情况:一是加入浓氨水,达到新平衡后NH4+、OH-的浓度都会增大;二是加入氢氧化钠等强碱溶液后,达到新平衡时NH4+离子浓度会减小。答案是A。
  【例7】已知25℃时有关弱酸的电离平衡常数:
  弱酸化学式 CH3COOH HCN H2CO3
  电离平衡常数(25℃) 1.8×l0-5 4.9×l0-10 K1= 4.3×l0-7,
  K2=5.6×l0-11
  则下列有关说法不正确的是( )
  A.等物质的量浓度的各溶液的c(OH-)关系为:NaCN   B.CH3COONa溶液中存在如下关系:c(Na+)> c(CH3COO-)>c(OH-)>c(H+)
  C.体积都为500 mL、浓度都为0.5 mol·L-1的碳酸钠溶液跟醋酸溶液等体积混合,会放出0.25 mol二氧化碳气体
  D.相同温度条件下,等浓度三种酸溶液相比电离度大小关系为:HCN  【迷点揭秘】醋酸、氢氰酸是一元弱酸,碳酸是二元弱酸,所以在比较碳酸跟其他弱酸溶液的酸性强弱、电离度大小、pH大小时,主要考虑碳酸的第一级电离常数(如选项D)。在比较Na2CO3跟其他盐溶液的水解程度、碱性强弱时主要考虑碳酸的第二级电离常数(如选项A)。答案是C。
  【例8】常温下,pH=3的醋酸溶液和pH=13的氢氧化钠溶液等体积混合后(不考虑混合后溶液体积的变化),恰好完全反应。下列说法不正确的是( )
  A.弱酸的浓度大于强碱的浓度
  B.反应后的溶液呈碱性
  C.原醋酸溶液中有1%的醋酸已电离
  D.反应后的溶液中CH3OO-与CH3COOH两种微粒的平衡浓度之和为0.05 mol·L-1
  【迷点揭秘】恰好完全反应说明两溶液中n(CH3COOH)、n(NaOH)相等,所以两溶液的物质的量浓度必定相等,根据“pH=13的氢氧化钠”可计算出两溶液的物质的量浓度都为0.1 mol·L-1。反应后的溶液由于醋酸钠水解而显碱性,选项B正确。醋酸的浓度为0.1 mol·L-1,pH=3,可计算出醋酸的电离度为1%。答案是A。
  四、突破“水电离”的迷惑
  溶液的酸碱性、弱电解质电离平衡、盐类水解、中和滴定等都直接涉及水的电离平衡移动,可以说抓住了水的电离平衡移动问题就抓住了解决这类问题的灵魂。
  1.已知溶液的pH,计算溶液中由水电离产生的c(H+)时[或计算溶液中由水电离产生的c(OH-)时],就考虑两种情况:第一是当水的电离受到抑制时;第二是当水的电离受到捉进时(如例9)。
  2.研究温度升高对电解质溶液pH的影响,要结合水的电离平衡移动因素作灵活处理。具体可参照如下几种典型情况(如例10):
  ①将常温下pH=1的硫酸溶液加热到100℃时,水的电离平衡正向移动,但水电离增加的H+对溶液中c(H+)的影响可忽略不计,所以溶液的pH仍为1;
  ②将常温下pH=14的氢氧化钠溶液加热到100℃时,水的电离平衡正向移动,水电离增加的OH-对溶液中c(OH-)的影响可忽略不计,但由于KW增大(从10-14?增大到约10-12)后溶液中c(H+)增大(从10-14??mol·L-1增大到约10-12mol·L-1),所以溶液的pH从14减小到12;
  ③将常温下pH=7的氯化钠溶液加热到100℃时,水的电离平衡正向移动,使溶液中c(H+)增大,pH减小到6左右;
  ④将常温下的碳酸钠溶液、硫酸铁溶液加热到100℃左右,由于水解平衡移动,溶液的pH都会有明显变化。一般可从 “电荷守恒”“阴、阳离子电荷总数守恒”两个点切入。
  3.分析溶液中离子种类、离子浓度大小关系时,必须考虑弱电解质的电离、水的电离平衡、盐类水解等因素。以Na2S溶液为例,可以挖掘出以下(如图1)恒等式和不等式:
  图1
  解答这类题要抓住三个基本等式,注意灵活运用“移项”“代入具体值”“基本等式之间相加或相减”等代数运算方法(参考例11)。
  【例9】室温下,在pH=12的某溶液中,由水电离出的c(OH-)可能为( )   A.10-7 mol·L-1 B.10-6 mol·L-1
  C.10-2 mol·L-1 D.10-12 mol·L-1
  【迷点揭秘】分两种情况讨论。
  第一,若溶质是碱(可能是强碱或者弱碱),由碱和水电离出的OH-的总浓度为10-2mol·L-1 ,而c(OH-)水=c(H+)=10-14/10-2=10-12mol·L-1 。
  第二,如果溶质是强碱弱酸盐(经NaA表示),则A-与水电离产生的H+结合成弱电解质HA而促进了水的电离,溶液中的OH-完全来源于水的电离,即c(H+)水=c(OH-)水=10-2mol·L-1。
  答案是CD。
  【例10】将0.l mol·L-1的下列物质的水溶液从常温加热到80℃,溶液的pH基本不变的是( )
  A.NaCl B.NaOH C.H2SO4 D.NH4Cl
  【迷点揭秘】从常温升高到80℃,水的电离增大,水的电离平衡要向正向移动,温度升高过程中溶液中的H+、OH-总数都要增多。但对于0.l mol·L-1的硫酸来讲,由于溶液常温时c(H+)比较大,水的电离平衡正向移动增加的H+离子数不会对c(H+)产生明显影响。答案是C。
  【例11】25℃时,将稀氨水逐滴加入到稀硫酸中,当溶液的pH=7时,下列关系正确的是( )
  A.c(NH4+)=c(SO42-)
  B.c(NH4+)>c(SO42-)
  C.c(NH4+)  D.c(OH-)+c(SO42-)=c(H+)+c(NH4+)
  【迷点揭秘】25℃、pH=7时溶液显中性,c(OH-)
  =c(H+)。氨水和硫酸混合后的溶液中共有NH4+、SO42-、H+、OH-四种离子,根据阴、阳离子所带的电荷数相等的规律可得出c(NH4+)=2c(SO42-)。答案选B。
  五、突破“图象曲线”的迷惑
  1.从图象曲线中搜索有关弱酸(或弱碱)的酸性(或碱性)强弱、电离度大小、电离常数大小等关键信息时,要特别注意,强酸跟弱酸比,稀释相同倍数时,弱酸溶液的pH变化幅度小,强酸溶液的pH变化幅度大(如例12)。
  2.比较多元弱酸溶液中的离子浓度大小关系时,要学会将电离方程式信息跟图象信息结合起来,防止各种迷惑信息的干扰。如氢硫酸溶液中,c(H+)≈c(HS-),而c(S2-) 跟c(H+)或c(HS-)相比要相差多个数量级,千万不要依据电离方程式H2S2H++S2-错误地认为存在如下关系:2c(S2-)=c(H+),遇到例13这类的图象更应小心。
  【例12】pH=2的A、B两种酸溶液各1 mL,分别加水稀释到1 L(其pH与溶液体积V的关系如图2)。下列说法正确的是( )
  图2
  ①a=5时,A是强酸,B是弱酸
  ②若A、B都是弱酸,则5>a>2
  ③稀释后,A酸溶液的酸性比B酸溶液的酸性强
  ④A、B两种酸溶液的物质的量浓度一定相等
  A.①② B.②③ C.③④ D.①④
  【迷点揭秘】酸溶液从1 mL稀释到1 L,强酸pH增大3,弱酸pH增大小于3。从图中看出A、B两种酸的强弱不同,A酸的酸性比B酸的酸性强,但并不表示A酸溶液的酸性比B酸溶液的酸性强,因为稀释后B酸溶液的氢离子浓度比A酸溶液的氢离子浓度大;pH=2的A、B两种酸溶液的浓度也不同,应该是B酸溶液比A酸溶液浓度大。答案是A。
  【例13】某二元弱酸H2A溶液中存在下列电离平衡:H2AH++HA-、HA-H++A2-。如图3,将1.0 mol H2A分子加入1.0 L水中,溶液中HA-、H+、A2-的物质的量浓度随时间的变化与下列哪个图象基本吻合( )
  图3
  【迷点揭秘】有学生认为,由于存在两步电离,因此溶液中c(H+)比c(HA-)大,会误选A。实际上,对于大多数二元弱酸来说,第一步电离程度不大,第二步电离程度更小,第二步电离可忽略不计,即c(H+)≈c(HA-)。也有学生会误认为电离平衡时电离的速率、离子结合的速率相等,均等于离子浓度,从而误选C。答案选B。
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