碳酸氢钠溶液中离子浓度大小的比较

碳酸氢钠溶液中离子浓度大小的比较问题在老师之间存在着较大的分歧,最常见的观点有两种:

1.[Na+]>[HCO3-]>[OH-]>[H+]>[CO32-]

2.[Na+]>[HCO3-]>[OH-]>[CO32-]> [H+]

持观点为1的认为:在碳酸氢钠溶液中每电离1mol HCO3-,便产生1mol CO32-和1mol H+,在这个基础上再考虑水的电离,而每1mol水的电离便产生1mol H+和1mol OH-因此必有[H+]>[CO32-];持观点2的认为:由于NaHCO3的水解而使溶液呈碱性,而碱性越强则[H+]的值越小,而[CO32-]的值则会越大,因此必有[CO32-]>[H+];仔细分析这两种观点可以看出问题的核心是[H+]和[CO32-]的排序问题,两种观点的分析都有一定的道理,那么哪种观点更符合实际情况呢?分析如下:

一.分析问题的准备知识:

1.根据气体交换动力学,CO2在气液界面的平衡时间常需数日,因此为方便起见,我们把NaHCO3溶液体系看成是封闭体系并加以研究。

2.由于[H2CO3]/[CO2(aq)]=10-3,且CO2(aq)+H2O=H2CO3的速率很小,所以我们把CO2(aq)和H2CO3两种物质和并成一种假象物质H2CO3*,且根据我们的实验和有关资料,在18-25℃时有:

①Ka1={[H+][HCO3-]/[ H2CO3*]}=10-6.3

②Ka2={[H+][CO32-]/[HCO3-]}=10-10.3

③[H+]={ Ka1(Ka2([HCO3-]+Kw))/(Ka1+[HCO3-])}1/2

④并测得在18℃时,质量分数为8%饱和NaHCO3溶液的密度为1.0581g/ml

二.定性及定量分析过程:

1.定性分析过程:从两种排序情况看主要的区别是[H+]和[CO32-]的排序问题,不难想象当NaHCO3的浓度很小很小时,水的电离是主要的,此时应有[H+]>[CO32-];但如果是NaHCO3的浓度很大,此时溶液碱性较强,此时应有[CO32-]>[H+],所以该问题的关键是确定某一浓度,进而根据这一浓度确定[H+]和[CO32-]的排序问题。

2.定量分析过程:

(1)设[H+]=[CO32-],则由②③可得PH=7.65,进一步结合①②③可得此时的碳酸氢钠溶液的浓度,计算结果为:

C NaHCO3=10-5mol/l (为10的负5次方)

(2)设[H+]

1.01 mol/l>C NaHCO3>10-5mol/l (为10的负5次方)

(3)设[H+]>[CO32-],按同(1)的方法计算,即可得到此时的碳酸氢钠溶液的浓度应满足:

C NaHCO3>0

三.结论:

通过前面的分析知NaHCO3溶液中离子浓度的排序问题与NaHCO3的浓度大小有关,考虑到一般情况下,我们所接触到的题中NaHCO3的浓度多为大于10-5mol/l(为10的负5次方) ,因此在一般情况下NaHCO3溶液中离子浓度的大小顺序为: [Na+]>[HCO3-]>[OH-]>[CO32-]>[H+],更符合实际情况。

如比较中要考虑H2CO3的浓度时,由于CO32-由HCO3-电离得到,而H2CO3则为HCO3-水解得到,HCO3-电离程度很小,水解程度大于电离程度,所以有H2CO3>CO32-

结合上面结论,则一般情况下,NaHCO3溶液中粒子浓度的大小顺序为:
当1.01 mol/l>C NaHCO3>10-5mol/l (为10的负5次方):
[Na+]>[HCO3-]>[OH-]>[H2CO3]>[CO32-]>[H+]
当C NaHCO3>0:
[Na+] >[HCO3-] >[OH- ]>[H2CO3] >[H+ ]>[CO32-]

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