调节溶液pH在高中化学试题中的体现

上海 樊亚军

工业流程题经常考查溶液中离子的存在形式，涉及溶液pH的调节，即改变溶液中氢离子或氢氧根离子浓度，目的是调节弱电解质的电离程度、控制盐类水解程度、改变氧化性或还原性强弱，也可能是为了调整浓度积析出沉淀，根据题意或生产实际需要具体分析，以下是几种常见类型：

一、调节水解程度

【例1】聚合氯化铝晶体([Al2(OH)nCl(6-n)·xH2O]m)是一种高效无机水处理剂。它的制备原理是调节AlCl3溶液的pH，通过促进其水解而结晶析出。

回答下列问题：

制备聚合氯化铝晶体，需严格控制溶液的pH在4.0～4.5才能使产率达到最大。结合AlCl3水解的离子方程式，用化学平衡移动原理解释控制pH在4.0～4.5之间的原因：

________________。

【解析】依据题意，Al3+在适当pH条件下可以水解生成聚合氯化铝晶体，如果溶液酸性太强，氢离子浓度太大，不利于Al3+水解平衡的正向移动，导致得到的晶体偏少，产率偏低；如果溶液碱性太强，氢氧根离子浓度过大，容易导致Al3+直接生成氢氧化铝沉淀，使晶体的产率下降。

【备考提示】盐类水解会引起溶液酸碱性的变化，溶液酸碱性的强弱也会影响盐类水解程度的大小，在通过水解得到产品的生产过程中，需要控制适当的酸碱性，从而控制盐类水解程度，得到所需要的产品。解决这类问题，需要找准水解反应，依据水解平衡移动来解答。

【例2】辉铜矿石主要含有硫化亚铜(Cu2S)及少量脉石(SiO2)。一种以辉铜矿石为原料制备硝酸铜的工艺流程如下：

X步操作为________________________；要用硝酸调节溶液的pH，其理由是________________。

【答案】蒸发浓缩、冷却结晶 抑制Cu2+的水解。

【解析】从硝酸铜溶液中获得硝酸铜晶体需要通过蒸发浓缩、冷却结晶两步，用硝酸调节溶液pH的理由是加热会促进Cu2+会水解，加入硝酸可以抑制Cu2+的水解。

二、调节电离程度

( )

C.为获得尽可能纯的NaHSO3，可将溶液的pH控制在4～5左右

【答案】C

【备考提示】酸和碱的电离影响溶液的酸碱性，溶液的酸碱性也会影响弱酸或弱碱的电离程度，对于多元弱酸，往往涉及多个平衡的移动，情况更为复杂，此时需要根据题目信息，认真分析所涉及平衡的移动方向，综合判断。

【例4】常温下，体积为1 mL、浓度均为0.1 mol/L的XOH和X2CO3溶液，分别加水稀释至体积V，pH随lgV的变化情况如图所示，下列叙述中正确的是

( )

A.XOH是弱碱

B.pH=10的两种溶液中的c(X+)：XOH大于X2CO3

C.已知H2CO3的电离平衡常数Ka1远远大于Ka2，则Ka2约为1.0×10-10.2

【答案】C

三、调节离子浓度

【例5】酸性条件下，锡在水溶液中有Sn2+、Sn4+两种主要存在形式。SnSO4是一种重要的硫酸盐，广泛应用于镀锡工业，其制备路线如下：

回答下列问题：

反应Ⅱ硫酸的作用之一是控制溶液的pH。若溶液中c(Sn2+)=1.0 mol·L-1，则室温下应控制溶液pH________。(已知：Ksp[Sn(OH)2]=1.0×10-26)

【答案】<1

【解析】反应Ⅱ加入硫酸的目的是调节溶液中OH-浓度，使生成Sn(OH)2沉淀。根据Ksp[Sn(OH)2]=c(OH-)2×c(Sn2+)=1.0×10-26，将c(Sn2+)=1.0 mol/L代入可得c(OH-)=10-13mol/L，则c(H+)=0.1 mol/L，计算可得pH=1，所以pH小于1时，Sn2+开始沉淀。

【备考提示】依据Ksp，可以调节溶液的氢氧根离子浓度，使金属离子在浓度一定的条件下，产生沉淀。解决具体问题时，要注意观察题目所提供的Ksp数值，认真分析实验过程和实验目的，通过试剂的变化，找到解答问题的切入点。

【例6】以镍废料(主要成分为镍铁合金，含少量铜)为原料，生产NiO的部分工艺流程如下：

已知：下表列出了几种金属离子生成氢氧化物沉淀的pH(开始沉淀的pH按金属离子浓度为1.0 mol/L计算)。

金属离子Fe3+Fe2+Ni2+开始沉淀的pH1.56.57.7沉淀完全的pH3.39.99.2

“除铁”时需控制溶液的pH范围为________。

【答案】3.3≤pH<7.7

【解析】加入氢氧化钠调节溶液pH除去铁离子，过滤得到氢氧化铁滤渣。依据表格提供的数据，若将铁离子全部除掉，pH≥3.3，保证镍离子留在溶液中，pH<7.7，所以需控制溶液的pH范围为3.3≤pH<7.7。

四、调节pH，控制沉淀种类

【例7】氧化铁黄(化学式为FeOOH)是一种黄色颜料，工业上用废铁为主要原料生产氧化铁黄的一种工艺流程如下：

氧化时应控制pH的合理范围是3.5～4.0，pH过小导致氧化铁黄产率较低的可能原因是________________。

【答案】pH过低会导致部分氧化铁黄溶于酸

【解析】通过流程图可知，过量的铁与硫酸反应得到硫酸亚铁溶液，向硫酸亚铁溶液中加入氢氧化钠溶液，并通入空气，在该条件下发生氧化还原反应生成氧化铁黄。控制pH在合理范围内，目的是保证氧化铁黄产率最高，如果加入过多氢氧化钠，pH过高，在氧气存在下，产生氢氧化铁沉淀，pH过低，氧化铁黄会溶解于酸导致产率降低，因此应该将pH控制在合理范围。

【备考提示】对于综合性较强的实验题，在同一个体系中，不同的酸碱性条件下可能涉及多个沉淀反应，分析题目时首先应该找到相互竞争的沉淀反应，通过调节溶液的pH来控制所得沉淀的种类。

【例8】在我国的资源储备中，铬是重要的战略金属资源。如图是以某铬渣(主要成分为Cr2O3，杂质主要是FeO、SiO2等)为原料生产Cr2O3的工艺流程(如图1)：

图1

已知：Ksp[Mg(OH)2]=1.2×10-11，Ksp[Cr(OH)3]=6.4×10-31。

图2

五、调节氧化性和还原性强弱

(2)进水pH对氨氮去除率和出水pH的影响如图所示。

①进水pH为1.25～2.75范围内，氨氮去除率随pH升高迅速下降的原因是________________。

②进水pH为2.75～6.00范围内，氨氮去除率随pH升高而上升的原因是________________。

③进水pH应控制在________左右为宜。

(2)①随着pH升高，NaClO含量增大，氧化性降低，导致氨氮去除率下降 ②随着pH升高，氨氮废水中NH3含量增大，氨氮更易被氧化 ③1.50

【练习】氢气作为清洁能源有着广泛的应用前景，含硫天然气制备氢气的流程如下：

请回答下列问题：

Ⅰ.转化脱硫：将天然气压入吸收塔，30℃时，在T.F菌作用下，酸性环境中脱硫过程示意图如图所示。

(1)过程ⅰ中H2S发生了________(选填“氧化”或“还原”)反应。

(2)过程ⅱ的离子方程式是________________。

(3)已知：①Fe3+在pH=1.9时开始沉淀，pH=3.2时沉淀完全；

②30℃时，在T.F菌作用下，不同pH的FeSO4溶液中Fe2+的氧化速率如下表。

pH0.91.21.51.82.12.42.73.0Fe2+氧化速率/g·L-1·h-14.55.36.26.87.06.66.25.6

请结合以上信息，判断工业脱硫应选择的最佳pH范围并说明原因________________。

【答案】(1)氧化

(3)1.5≤pH<1.9；当pH≥1.9时，Fe3+开始沉淀，导致Fe3+和Fe2+浓度均下降，反应速率降低；pH小于1.5时，T.F菌活性较低，反应速率降低