关于化学反应中“强酸制弱酸”规律的理解

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  化学反应的进行方向会受不同的因素制约,这些因素之间有的影响趋势是一致的,有些对化学反应方向的影响又是不一致,甚至是矛盾的。因此,我们在学习过程中往往感到困惑,不知道哪一种因素起主要的作用。我在平时的练习甚至在考试时,也曾经在这些问题上出错。在这里我跟大家分享一下我学习有关内容时的心得,希望抛砖引玉,跟大家探讨,一起把化学学好。
  在高中化学课程的学习过程中,有不少规律性的总结概括,或是“口诀”,比如对于使用漏斗过滤的操作,有“一贴二低三靠”的要求等。这些口诀对我们理解、记忆相关的知识点非常有益。但学习过程中,往往也会发现这类说法无法简单地涵盖所有题目类型,甚至会出现一些令人困惑的情况。
  在解关于离子反应的化学题目时,我们常常用到一个准则(原理):“强酸制弱酸”。所谓“强酸”和“弱酸”是一组相对概念,常常依据酸的电离平衡常数的大小来做判断。相同条件下,强酸的电离平衡常数较大,在水中能电离出较多的H+,而弱酸则相反。或者说,弱酸的酸根离子结合氢离子的能力更强。
  一般而言,对于特别强的酸与特别弱的酸盐类型的反应,以上的说法很容易理解的,比如:
  2HCl+CaCO3CaCl2+H2O+CO2↑①;
  HCl+CH3COONaNaCl+CH3COOH②。
  以上两个反应都是典型的“强酸制弱酸”,其反应过程可以用以下原理来说明:
  反应可视作往溶剂中投入四种离子:H+、CH3COO-、Na+、Cl-,在四种离子中,H+与CH3COO-结合生成CH3COOH的能力比H+与Cl-结合的能力更强,容易生成弱电解质CH3COOH。由于化学反应总是朝向离子浓度减小的方向进行,所以该反应会发生。
  而多元酸的情形则较为复杂。多元酸的酸碱性的强弱往往跟酸的多步电离的难易程度有关。由于可能出现多种电离形式,因此,整个反应体系所涉及的反应较多,涉及的反应物、生成物也较多,对反应进程的判断就更加困难。这样,对于“弱酸”和“强酸”,以及它们的反应结果的理解,也就容易造成困扰。
  例如对反应:
  H2SO3+HCO-3H2CO3+HSO-3③。
  这里出现了多个“酸”,它们之间的强弱关系是怎么样的?如何才能够判断反应的进行方向呢?
  为了把它们之间的酸、碱性强弱做逐一对比,我把教科书和学习资料中出现的平衡常数列成表,见表1。
  表1几种酸的电离平衡常数(近似浓度0.01~0.003mol·L-1,温度298K)
  酸H2SO3HSO-3H2CO3HCO-3Ka1.54×10-2(291K)1.02×10-74.300×10-75.61×10-11
  由于Ka越大,该物质的酸性越强,则根据表1可知:四种离子都在一定程度上显“酸性”,且酸性强度排序为:H2SO3>H2CO3>HSO-3>HCO-3。那么,对于反应③,可以称之为用一种“酸”制另一种“酸”的组合就有很多种:
  ①将反应视为H2SO3制H2CO3。
  由表可见,Ka(H2SO3)>Ka(H2CO3),可见,如果用H2SO3制H2CO3,则反应符合“强酸制弱酸”的规律,反应能够顺利进行;
  ②将反应视为HCO-3制HSO-3。
  如果看成用HCO-3制HSO-3,对照表1的相应数据可以发现,Ka(HCO-3)  同理,还可将反应视为用H2SO3制HSO-3,H2CO3制HCO-3。每一种组合都会得出不同的结论。
  事实上,在反应③中,由于H2SO3的酸性强于HCO-3,所以真正表现出“酸”的性质的物质应该是H2SO3。而生成物中与H2SO3所电离出的H+结合生成的物质是H2CO3,所以在此反应中,“强酸”对应的物质是H2SO3,而“弱酸”对应的物质是H2CO3。确认了“强酸”“弱酸”之后,便可用“强酸制弱酸”的原理解释。
  然而,在实际情况中我们也发现,有时候强弱酸相制的规律性表现得比较复杂,甚至是跟平常的理解相“矛盾”。
  (一)不符合“强酸制弱酸”规律的反应一定不会发生吗?
  先看一个例子:
  H2S+CuSO4CuS↓+H2SO4④
  这个反应是能够进行的,但是,这里的反应却难以简单地用“强酸制弱酸”来解释。因为从表面上看,这个反应实现了由弱酸H2S制备强酸H2SO4这么一个过程。
  反应④之所以能够发生,其原因在于,H2S和CuSO4相遇之后,生成了电离度更小的CuS沉淀。由于所生成的酸(H2SO4)还不足以将CuS沉淀溶解,所以这时反应依然朝自由离子浓度减小的方向进行,表面上就变成了“弱酸制强酸”。
  (二)符合“强酸制弱酸”规律的反应一定会发生吗?
  已知反应:
  H2SO3+CO2-3SO2-3+H2CO3⑤
  该反应似乎符合“强酸制弱酸”的限定条件,但实际上,该反应却不能进行。
  为了正确理解反应不能发生的原因,将反应⑤视作如下两个反应的总和:
  H2SO3+CO2-3HCO-3+HSO-3⑥;
  HSO-3+HCO-3H2CO3+SO2-3⑦。
  显然,只有当反应⑥和⑦都可以发生时,反应⑤才可以发生。
  对于反应⑥,根据表1的数据可以判断,可以由H2SO3制得HCO-3,反应符合“强酸制弱酸”的规律;
  而对反应⑦,根据表1的数据,H2CO3的酸性强于HSO-3的,所以无法经HSO-3制H2CO3,反应不能进行。
  结论是总反应⑤不能进行。
  由此可见,对于多元弱酸之间的反应,我们应分步判断。
  根据以上的理解,我们可以应用“强酸制弱酸”的原理解一些比较复杂的题目:
  例【2014浙江宁波一模,23(1)】(曲一线主编,五年高考三年模拟-选考化学-浙江省专用-2017B版,首都师范大学出版社,99页)三种弱酸HA、H2B、HC,电离常数的数值为1.8×10-5、5.6×10-11、4.9×10-10、4.3×10-7(数据顺序已打乱),已知三种酸和它们的盐之间能发生以下反应:
  ①HA+HB-(少量)A-+H2B;
  ②H2B(少量)+C-HB-+HC;
  ③HA(少量)+C-A-+HC。
  若H2B的Ka=4.3×10-7,则另两种酸对应的电离常数分别为(根据已知数据填空):HA的Ka=,HC的Ka=。
  解析:由①可知,相比A-,H+更易与HB-结合生成H2B,即HA为“强酸”,H2B为“弱酸”。所以HA的电离度>HB的电离度。
  同理,由③可知,HA的电离度>HC的电离度。
  又由②可知,H2B的电离度>HC的电离度。且由于H2B为少量,若HB-的酸性强于HC,则HB-会与过量的C-继续反应生成HC。而该反应没有进行,所以HC的酸性强于HB-,即HC的电离度>HB-的电离度。
  综上所述,四种物质酸性的强弱顺序为:HA>H2B>HC>HB-。
  对应的Ka分别为:
  HA∶Ka=1.8×10-5;
  HB∶Ka=4.3×10-7;
  HC∶Ka=4.9×10-10;
  HB-∶Ka=5.6×10-11。
  总结:对于比较复杂的含有多种酸碱的物质,它们之间能否发生化学反应,可以根据“强酸制弱酸”原理来判断,但是在解题时,一定要分清情况,切勿盲目使用。
  作者单位:浙江省杭州学军中学高二(5)班
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