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NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗

来源:未知作者:罗成 点击:所属专题: 离子浓度大小比较 碳酸氢钠
1 问题的提出 在高中化学教学中,溶液中离子浓度大小的比较是一个重要的知识点。有关 NaHCO 3 溶液中各种离子浓度大小比较的问题,经常出现在各种教辅资料的习题和考题中。一般都认为 [OH - ][CO 3 2- ] 。常见的分析思路是 NaHCO 3 溶液中存在着如下平衡: H 2 O 的电离 :

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问题的提出

在高中化学教学中,溶液中离子浓度大小的比较是一个重要的知识点。有关NaHCO3溶液中各种离子浓度大小比较的问题,经常出现在各种教辅资料的习题和考题中。一般都认为[OH-]>[CO32-]。常见的分析思路是NaHCO3溶液中存在着如下平衡:

H2O的电离H2NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗 H+ OH-  K= [H+][OH-]=1.0×10-1425时)

HCO3-的电离即酸式解离):HCO3NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗 H+ CO32- Ka2 = 5.6×10-11   

HCO3-的水解即碱式解离):HCO3-+H2ONaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗H2CO3 +OHK=NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗=2.4×10-8

由于水解平衡常数Kh大于NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗电离平衡常数Ka2 ,所以HCO3-水解程度大于电离程度,即[OH-]>[CO32-]。这种推理合理吗?带着这个疑问,笔者查阅了大学分析化学教材,通过计算得出不同浓度NaHCO3溶液中各种离子浓度的相对大小是不一样的结论。

理论依据

25时,H2CO3H2O+CO2)溶液中:

H2CO3 NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗 H+ HCO3-   Ka1 =NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗= 4.2×10-7      

HCO3- NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗 H+ CO32-    Ka2 =NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗= 5.6×10-11      

NaHCO3溶液中存在着下列平衡关系

物料平衡 c=[Na+]= [HCO3-]+[CO32-]+[H2CO3]

电荷平衡 [Na+]+[H+]=[HCO3-]+2[CO32-]+[OH-]

以上两式相减得质子平衡 [H+]+[H2CO3]=[CO32-]+[OH-]       

式得 [H2CO3]=NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗 

由②式得: [CO32-]= NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗 

由水的离子积常数Kw=[H+][OH-]得:[OH-]=NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗 

将以上三个式子代入③式得: [H+]+NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗=NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗+NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗  

整理后得: NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗

[H+]=NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗                      

一般情况下,HCO3-的酸式解离和碱式解离的倾向都很小因此溶液中的HCO3-消耗甚少,④式中HCO3-的平衡浓度近似等于初始浓度c,即[HCO3-]≈ 

  [H+]=NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗          

Ka2 > 20Kw,⑤式中Kw可忽略,得 [H+]=NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗       

> 20 Ka1 ,⑤式中Ka1≈ c,得 [H+]=NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗    

Ka2 > 20Kw> 20 Ka1,⑥⑦式均可进一步化简,得[H+]=NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗  

利用以上式子可以计算NaHCO3溶液中的[H+],进而求出[CO32-][OH-]

问题解决

下面,我们分别来计算0.10 mol/L1.0×10-4mol/LNaHCO3溶液中各种离子的浓度。

 0.10 mol/LNaHCO3溶液中,[H+][CO32-][OH-]的计算

0.10 mol/LNaHCO3溶液中,[HCO3-]≈ = 0.10 mol/L 

又∵Ka2 > 20K> 20 Ka1 

 [H+]=NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗=NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗 ≈ 4.85×10-9mol/L

[OH-]=NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗=NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗 ≈ 2.06×10-6mol/L

[CO32-]= NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗=NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗 ≈ 1.15×10-3mol/L

可见,在0.10 mol/LNaHCO3溶液中[CO32-] >[OH-] >[H+

 

 1.0×10-4mol/LNaHCO3溶液中[H+][CO32-][OH-]的计算

1.0×10-4mol/LNaHCO3溶液中,[HCO3-]≈ = 1.0×10-4 mol/L

又∵> 20 Ka1 Ka2 << K

 [H+]=NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗

=NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗

≈ 8.09×10-9 mol/L

[OH-]=NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗=NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗 ≈ 1.24×10-6mol/L

[CO32-]= NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗=NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗 ≈ 6.92×10-7mol/L

可见,在1.0×10-4 mol/LNaHCO3溶液中,[OH-]>[CO32-] >[H+

由以上计算可以看出,[OH-][CO32-]浓度的相对大小与HCO3-的初始浓度c有关。那么在什么情况下,[OH-][CO32-]浓度相等呢?

由公式[OH-]=NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗[CO32-]=NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗可知,[OH-][CO32-]的相对大小,取决于KwKa2[HCO3-]的相对大小。

Kw=Ka2[HCO3-]时,[HCO3-]=NaHCO3溶液中碳酸根离子一定小于氢氧根离子吗 ≈ 1.8×10-4mol/L),要使[OH-]>[CO32-],即K>Ka2[HCO3-][HCO3-] < 1.8×10-4 mol/L 。由于[HCO3-]≈ c,因此HCO3-的初始浓度c要小于1.8×10-4 mol/L 

 

由此可见,在NaHCO3溶液中,[OH-][CO32-]的相对大小与NaHCO3的初始浓度c有关。只有当c小于1.8×10-4 mol/L时,[OH-]才大于[CO32-]。在不同浓度NaHCO3溶液中,[OH-][CO32-]的大小比较是不能盲目得出结论的。

 

 

参考文献

[1] 武汉大学主编.分析化学.第4版,北京:高等教育出版社,200046-48

(责任编辑:化学自习室)
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