水溶液中“三守恒”的应用

摘 要：水溶液中“三守恒”问题是水溶液中微粒浓度关系的核心问题，而微粒间的关系又非常微妙，使学生对其理解的不够透彻，导致应用时出现问题.

关键词：三守恒;适用范围;高考链接;高中化学

中图分类号：G632      文献标识码：A      文章编号：1008-0333（2020）10-0086-03

收稿日期：2020-01-05

作者简介：李春文（1975.12-），女，硕士，从事高中化学教学研究.

水溶液中微粒的三种守恒关系指的是原子（物料）守恒、电荷守恒和质子守恒.三种守恒关系的应用，一直是高考的热点和难点.学生对三种守恒关系理解的不透，不了解它的适用范围，不理解它的真正含义，导致应用时出现很多问题.

一、“三守恒”的含义和适用范围

1.原子（物料）守恒

电解质溶液中，无论微粒的表现形式如何，各元素的原子个数比保持不变.由于弱离子水解过程的存在，导致弱离子的存在形式发生变化，但是总的元素的个数却是不变的.那么原子守恒的适用范围一定是知道元素间的计量关系，才能找到原子守恒的表达式，所以它所对应的溶液可以是单一溶液，也可以是混合溶液，只需找到元素间的计量关系.例如向1 L 0.3mol/L的NaOH溶液中通入标准状况下的4.48 L CO2气体，完全反应后，溶液中原子守恒的表达式为2c（Na+）=3[c（CO2-3）+c（HCO-3）+c（H2CO3）].NaOH和CO2以3∶ 2反應，生成0.1mol Na2CO3和0.1mol NaHCO3，那么溶液中钠元素和碳元素的计量关系即为3∶ 2，碳元素在溶液中的存在形式除了CO2-3和HCO-3，还有水解产生的H2CO3.因此只需找到碳元素在溶液中的所有存在形式，就找到了物料守恒的表达式.

2.电荷守恒

电解质溶液中，无论存在几种溶质，只需找到溶液中所有阳离子和所有阴离子，溶液中阳离子所带电荷一定等于阴离子所带电荷，溶液才能呈电中性.对于电荷守恒，首先应该理解的是，无论溶液中溶质有几种，只要离子种类保存不变，电荷守恒的表达式就不会改变，如Na2CO3溶液、NaHCO3溶液、Na2CO3和NaHCO3的混合溶液中电荷守恒的表达式均相同.其次应该理解的是，用离子浓度来表示其所带电荷，而同一溶液中离子浓度又可以表示离子的物质的量（因为共用一个体积），所以1mol CO2-3带有2mol负电荷，电荷守恒表达式中需将c（CO2-3）前填2，因此离子带有几个电荷就需在浓度前乘以几.那么上述三种溶液中电荷守恒的表达式为c（Na+）+c（H+）=2c（CO2-3）+c（HCO-3）+c（OH-）.从中也不难看出，电荷守恒适用于所有溶液.

3.质子守恒

盐类水解过程中，水电离产生的H+（质子）或OH-会结合弱离子生成弱电解质，使水的电离平衡正向移动.那么只需找到弱酸根结合的质子数，再由水电离产生的c（H+）和c（OH-）相等的关系，找到H+和OH-守恒的表达式;或者找到弱碱阳离子结合的OH-，再由水电离产生的c（H+）和c（OH-）相等的关系，找到H+和OH-守恒的表达式.例如NH4Cl溶液中质子守恒的表达式为：c（H+）=c（OH-）+c（NH3·H2O）.水电离产生的OH-除了溶液中存在之外，还结合NH+4生成了NH3·H2O，用c（NH3·H2O）表示消耗的c（OH-），水电离产生的c（H+）和c（OH-）相等，进而找到质子守恒的表达式.再如Na2CO3溶液中，质子守恒的表达式为c（OH-）=2c（H2CO3）+c（HCO-3）+c（H+）.水电离产生的H+结合CO2-3生成HCO-3，H+会继续结合HCO-3生成H2CO3，使H+得以消耗.溶液中有多少HCO-3生成， 就要消耗多少H+ ，溶液中有多少H2CO3 ，消耗的 H+ 就将是H2CO3 的2倍，因为1mol H2CO3 需要结合2mol H+ 才能生成1mol H2CO3.简言之，只需找到H2O 电离产生的H+ 的所有去向，便找到了质子守恒的表达式.由此也不难看出，质子守恒的适用对象是能水解的盐溶液.

二、高考链接

1.（2014·新课标全国卷Ⅱ）一定温度下，下列溶液的离子浓度关系式正确的是（  ）.

A.pH=5的H2S溶液中，c（H+）=c（HS-）=1×10-5mol·L-1

B.pH=a的氨水溶液，稀释10倍后，其pH=b，则a=b+1

C.pH=2的H2C2O4溶液与pH=12的NaOH溶液任意比例混合：c（Na+）+c（H+）=c（OH-）+c（HC2O-4）

D.pH相同的①CH3COONa，②NaHCO3，③NaClO三种溶液的c（Na+）：①>②>③

解析 A项，pH=5的H2S溶液中，H+的浓度为1×10-5mol·L-1，但是HS-的浓度会小于H+的浓度，H+来自于H2S的第一步电离、HS-的电离和水的电离，故H+的浓度大于HS-的浓度，错误;B项，弱碱不完全电离，弱碱稀释10倍时，pH减小不到一个单位，a碳酸的酸性>次氯酸的酸性，根据越弱越水解的原则，pH相同的三种钠盐，浓度的大小关系为醋酸钠>碳酸氢钠>次氯酸钠，则钠离子的浓度为①>②>③，故正确.

答案：D

2.（2015年江苏卷）室温下，向下列溶液中通入相应的气体至溶液pH=7（通入气体对溶液体积的影响可忽略），溶液中部分微粒的物质的量浓度关系正确的是（  ）.

A.向0.10 mol·L-1 NH4HCO3溶液中通CO2：c（NH+4）=c（HCO-3）+c（CO2-3）

B.向0.10 mol·L-1 NaHSO3溶液中通NH3：c（Na+）>c（NH+4）>c（SO2-3）

C.向0.10 mol·L-1 Na2SO3溶液中通SO2：c（Na+）=2＼[c（SO2-3）+c（HSO-3）+c（H2SO3）＼]

D.向0.10 mol·L-1CH3COONa溶液中通HCl：c（Na+）>c（CH3COOH）=c（Cl-）

解析 A项，根据电荷守恒可知：c（NH+4）+c（H+）=c（OH-）+c（HCO-3）+2c（CO2-3），溶液呈中性，则c（H+）=c（OH-），故c（NH+4）=c（HCO-3）+2c（CO2-3），错误;B项，根据电荷守恒可知：c（NH+4）+c（Na+）+c（H+）=c（OH-）+c（HSO-3）+2c（SO2-3），根据物料守恒可知：c（Na+）=c（H2SO3）+c（HSO-3）+c（SO2-3），溶液呈中性，则c（H+）=c（OH-），三式联立可得：c（H2SO3）+c（NH+4）=c（SO2-3），则：c（NH+4）c（SO2-3）>c（NH+4），错误;C项，对于Na2SO3溶液，根据物料守恒，可知：c（Na+）=2＼[c（SO2-3）+c（HSO-3）+c（H2SO3）＼]，通入SO2与Na2SO3反应使溶液呈中性，使溶液中的硫元素增多，则有c（Na+）<2＼[c（H2SO3）+c（HSO-3）+c（SO2-3）＼]，错误;D项，对于CH3COONa溶液，根据物料守恒有：c（Na+）=c（CH3COOH）+c（CH3COO-），c（Na+）>c（CH3COOH），根據混合溶液的电荷守恒有：c（Na+）+c（H+）=c（OH-）+c（Cl-）+c（CH3COO-），溶液呈中性，则c（H+）=c（OH-），由此可知：c（Na+）=c（Cl-）+c（CH3COO-），进而可知c（CH3COOH）=c（Cl-），故c（Na+）>c（CH3COOH）=c（Cl-），正确.

答案：D

3.（双选）（2016年江苏卷）H2C2O4为二元弱酸.20℃时，配制一组c（H2C2O4）+c（HC2O-4）+c（C2O2-4）=0.100 mol·L-1的H2C2O4和NaOH混合溶液，溶液中部分微粒的物质的量浓度随pH的变化曲线如图所示.下列指定溶液中微粒的物质的量浓度关系一定正确的是（   ）.

A.pH=2.5的溶液中：

c（H2C2O4）+c（C2O2-4）>c（HC2O-4）

B.c（Na+）=0.100 mol·L-1的溶液中：

c（H+）+c（H2C2O4）=c（OH-）+c（C2O2-4）

C.c（HC2O-4）=c（C2O2-4）的溶液中：

c（Na+）>0.100 mol·L-1+c（HC2O-4）

D.pH=7的溶液中：c（Na+）>2c（C2O2-4）

解析 A.根据图像知pH=2.5的溶液中：c（H2C2O4）+c（C2O2-4）