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离子浓度大小比较是高考的热点之一,纵观近几年全国和地方高考试题,离子浓度大小比较这一题型出现率100%.笔者通过对各地高考试题和模拟试题的研究,发现这类传统题型发生了较大的变化,由原来“溶质单一型、酸碱中和型、不同物质同种离子浓度比较或含有相同离子的溶液溶质浓度比较型、信息给予型”,摇身转变为图象题.课程标准中指出:“重视化学与其他学科之间的关系,能综合运用有关的知识、技能和方法分析和解决一些化学问题.”;高考化学考试说明中要求学生能够具备通过对自然界、生产、生活和科学实验中的化学现象以及相关模型、图形和图表等的观察,获取有关感性知识和印象,并运用分析、比较、概括、归纳等方法对所获的信息进行初步加工和应用的能力.离子浓度大小比较题型这一重大的转变正是对这些要求的具体表现,给高考化学试题注入了新的思维和内容,使能力考查的力度加大,使高考要求与时俱进,使高考改革目标落到实处,也使高考这个指挥棒能把高中教学和复习引到提高学生综合素质的轨道上来.本文对这类试题归类分析,供各位同仁供赏.
一、以双曲线为载体进行考查
1.酸与盐混合型
图1
例1 (2012年江苏) 25℃,有c(CH3COOH)+
c(CH3COO-)=0.1 mol·L-1的醋酸和醋酸钠混合溶液,溶液中c(CH3COOH)、c(CH3COO-)与pH的关系如图1所示.下列有关离子浓度关系叙述正确的是( )
(A) pH=5.5溶液中:
c(CH3COOH)>c(CH3COO-)>
c(H+)>c(OH-)
(B) W点表示溶液中:
c(Na+)+c(H+)=c(CH3COO-)+c(OH-)
(C) pH=3.5溶液中:
c(Na+)+c(H+)-c(OH-)+
c(CH3COOH)=0.1 mol·L-1
(D) 向W点所表示溶液中通入0.05 mol HCl气体(溶液体积变化可忽略):
c(H+)=c(CH3COOH)+c(OH-)
解析:本题属于基本概念与理论的考查,落点在水解与电离平衡、物料守恒和电荷守恒、离子浓度大小比较.pH=5.5比4.75大,从曲线来看CH3COOH的电离在增大,CH3COO-的水解在减小,由图象可以直接得出c(CH3COO-)>c(CH3COOH),(A)项错误.W点表示溶液中,存在Na+、H+、CH3COO-、OH-,根据电荷守恒:c(Na+)+c(H+)=c(CH3COO-)+c(OH-)是完全正确的,其实这关系在溶液中始终存在.(B)项正确.pH=3.5溶液中c(Na+)+c(H+)=c(CH3COO-)+c(OH-),再把题干中的c(CH3COOH)+c(CH3COO-)=0.1 mol·L-1代入即得c(Na+)+c(H+)-c(OH-)+c(CH3COOH)=0.1 mol·L-1,(C)项正确.向W点所表示溶液中通入0.05 mol HCl气体,原有平衡被打破,建立起了新的平衡.溶液中电荷守恒关系为:c(Na+)+c(H+)=c(CH3COO-)+c(OH-)+c(Cl-);物料守恒关系为:c(CH3COO-)+c(CH3COOH)=0.1 mol·L-1 ,不可能得出上述结论,(D)错误.
2.强碱滴定弱酸型
图2
例2 (2010年江苏)常温下,用 0.1000 mol·L-1 NaOH溶液滴定 20.00 mL 0.1000 mol·L-1 CH3COOH溶液所得滴定曲线如图2.下列说法正确的是
( )
(A) 点①所示溶液中:
c(CH3COO-)+c(OH-)= c(CH3COOH)+ c(H+)
(B) 点②所示溶液中:
c(Na+)= c(CH3COOH)+ c(CH3COO-)
(C) 点③所示溶液中:
c(Na+)> c(OH-)> c(CH3COO-)> c(H+)
(D) 滴定过程中可能出现:
c(CH3COOH)> c(CH3COO-)> c(H+)> c(Na+)>
c(OH-)
解析:本题主要考查的是粒子浓度大小的比较.处于点①时,滴入10 mL NaOH溶液,混合液的溶质是CH3COONa和CH3COOH ,且c(CH3COONa)=c(CH3COOH),溶液中存在两个电离平衡:H2OH++ OH-,CH3COOHCH3COO-+ H+,则有c(H+)= c(OH-)+ c(CH3COO-),(A)项错误.在点②时,pH=7,滴入NaOH溶液体积小于20 mL,仍没有完全反应,酸过量,则c(Na+)< c(CH3COOH)+c(CH3COO-),
(B)项错误.当v(NaOH)=20 mL时,两者完全反应溶液的溶质是CH3COONa,由于CH3COO-的水解,溶液呈碱性,但水解程度是微弱的,c(Na+)> c(CH3COO-) > c(OH-) > c(H+),(C)项错误.在滴定过程中,当NaOH的量极少时,即临近“0”点,则有c(CH3COOH)> c(CH3COO-)> c(H+)> c(Na+)> c(OH-),(D)项正确.
3.强酸滴定弱碱型
图3
例3 (2011年安徽)室温下,将1.000 mol·L-1盐酸滴入20.00 mL 1.000 mol·L-1氨水中,溶液pH和温度随加入盐酸体积变化曲线如图3所示.下列有关说法正确的是( )
(A) a点由水电离出的c(H+)=1.0×10-14 mol/L (B) b点:c(NH+4)+c(NH3·H2O)=c(Cl-)
(C) c点:c(Cl-)= c(NH+4)
(D) d点后,溶液温度略下降的主要原因是NH3·H2O电离吸热
解析:氨水属于弱碱,因此在1.000 mol·L-1氨水中OH-的浓度不会是1.000 mol·L-1而是要小于1.000 mol·L-1,由水得离子积常数可知溶液中H+浓度应大于1.0×10-14 mol/L,(A)项不正确(此选项可由图象直接看出).由图象可知b点溶液显碱性,说明此时氨水有剩余,即溶液的溶质是由氨水和氯化铵,因此有c(NH+4)+c(NH3·H2O)>c(Cl-),(B)项不正确.由图象可知c点溶液显中性,由电荷守衡可知c(H+)+c(NH+4)=c(OH-)+c(Cl-),所以c(NH+4)=c(Cl-),(C)正确.由图象可知d点后溶液中主要物质是NH4Cl,而NH4Cl要水解吸热,所以温度会略有降低,(D)项不正确.
4.强酸强碱与弱酸弱碱滴定混合型
图4
例4 (苏北四市2014调研)25℃时,取浓度均为0.1 mol·L-1的醋酸溶液和氨水溶液各20 mL,分别用0.1 mol·L-1NaOH溶液、0.1 mol·L-1盐酸进行中和滴定,滴定过程中pH随滴加溶液的体积变化关系如图4所示.下列说法正确的是( )
(A)曲线Ⅰ:滴加溶液到
10 mL时:
c(CH3COO-)>c(Na+)>c(H+)>c(OH-)
(B) 曲线Ⅰ:滴加溶液到20 mL时:
c(Cl-)>c(NH+4)>c(H+)>c(OH-)
(C) 曲线Ⅱ:滴加溶液在10 mL~20 mL之间存在:
c(NH+4)=c(Cl-)>c(OH-)=c(H+)
(D) 曲线Ⅱ:滴加溶液到10 mL时:
c(CH3COO-)-c(CH3COOH)=2[c(H+)-c(OH-)]
解析:根据图象可知Ⅰ是氨水滴定变化曲线,Ⅱ是醋酸滴定变化曲线,故(A)、(C)错误.曲线Ⅰ:滴加溶液到20 mL时:溶液的溶质是NH4Cl,由图象知溶液呈酸性,所以c(Cl-)>c(NH+4)>c(H+)>c(OH-),(B)项正确.曲线Ⅱ:滴加溶液到10 mL时:混合液的溶质是CH3COONa、CH3COOH,且c(CH3COONa)=c(CH3COOH),根据物料守恒:c(CH3COO-)+ c(CH3COOH)=2c(Na+);电荷守恒:c(CH3COO-)+ c(OH-)=c(Na+)+ c(H+)可以得出:c(CH3COO-)-c(CH3COOH)=2[c(H+)-c(OH-)],(D)项正确.
5.强酸滴定盐溶液型
图5
例5 (南通2014调研)常温下,用 0.1 mol·L-1 HCl溶液滴定10.0 mL浓度为0.1 mol·L-1 Na2CO3溶液,所得滴定曲线如图5所示.下列说法正确的是( )
(A) 当V=0时:c(H+)+c(HCO-3)+c(H2CO3)=c(OH-)
(B) 当V=5时:c(CO2-3)+c(HCO-3)+c(H2CO3)=2c(Cl-)
(C) 当V=10时:c(Na+)>c(HCO-3)>c(CO2-3)>c(H2CO3)
(D) 当V=a时:c(Na+)>c(Cl-)>c(H+)=c(OH-)
解析:当V=0时:则是碳酸钠溶液,根据物料守恒:
2c(HCO-3)+2c(CO2-3)+2c(H2CO3)=c(Na+);电荷守恒:c(HCO-3)+ 2c(CO2-3)+ c(OH-)=c(Na+)+ c(H+)可以得出:c(H+)+c(HCO-3)+2c(H2CO3)=c(OH-),(A)项错误(此选项也可以通过水给出的质子守恒直接得出).当V=5时:混合液的溶质是Na2CO3、NaHCO3和NaCl,且c(Na2CO3) =c(NaHCO3)=c(NaCl),根据物料守恒:c(CO2-3)+c(HCO-3)+c(H2CO3)=2c(Cl-),(B)项正确.当V=10时:混合液的溶质是NaHCO3和NaCl,且cNaHCO3)=c(NaCl),有图象知溶液呈碱性,则HCO-3的水解大于HCO-3电离程度,所以c(H2CO3)>c(CO
2-3),(C)项错误.当V=a时:20 mL>a>10 mL,则溶质是NaHCO3和NaCl,由于pH=7,所以c(Na+)>c(Cl-)>c(H+)=c(OH-),(D)项正确.
二、将双曲线转化为直线进行考查
图6
例6 (2013年山东)某温度下,向一定体积0.10 mol·L-1醋酸溶液中逐滴加入等浓度的NaOH溶液,溶液中pOH[pOH=-lg(OH-)] 与pH的变化关系如图6所示,则
( )
(A) M点所示溶液导电能力强于Q点
(B) N点所示溶液中
c(CH3COO-)﹥c(Na+ )
(C) M点和N点所示溶液中水的电离程度相同
(D) Q点消耗NaOH溶液的体积等于醋酸溶液的体积
解析:随着NaOH溶液的加入,c(H+)逐渐减小,c(OH-)逐渐增大,图象应由M点向N点过渡.由于醋酸是弱酸,电离程度很小,离子浓度也较小,图象上三个点中,M点所表示溶液的导电能力最弱,(A)项错误.N点所示溶液为碱性,根据溶液电荷守恒很容易判断出此时c(Na+) >c(CH3COO-),
(B)项错
误.由于M点的POH等于N点pH,说明M点和N点的c(H+)=c(OH-),进一步说明M点醋酸对水电离的抑制程度与N点
氢氧化钠对水电离的抑制程度相同,所以两点水电离程度相同,(C)项正确.Q点的POH=PH,溶液为中性,而两者等体积混合后生成醋酸钠,水解显碱性,因此所加NaOH溶液体积略小于醋酸溶液的体积,(D)项错误.
三、试题管见
图象题以直观、简明、信息量大、节省文字表达等特点成为高考化学试题的亮点,这些图象题在保持高考化学试题相对稳定的前提下,对信息呈现方式有所创意、有所探索.这类试题对能力提升的要求体现在识图、读图上,突出体现在对坐标、曲线、数据的理解和应用上,题目的综合性强、灵活性大,既符合认识发展规律,又使高考化学试题充满活力.综合上述分析,解决好此类问题必须把握好以下几点:①分析图象中的数据,根据酸、碱、盐浓度大小关系确定溶液混合或滴定后所得溶液的溶质以及溶质浓度的大小关系②根据溶液中的溶质和离子找出存在平衡③利用好粒子间的守恒关系(物料守恒、电荷守恒、质子守恒)④解题时,见到等式优先想到“三守恒”和“三守恒”之间的转换.笔者认为,如果用好这几个方面,这类问题将迎刃而解.
一、以双曲线为载体进行考查
1.酸与盐混合型
图1
例1 (2012年江苏) 25℃,有c(CH3COOH)+
c(CH3COO-)=0.1 mol·L-1的醋酸和醋酸钠混合溶液,溶液中c(CH3COOH)、c(CH3COO-)与pH的关系如图1所示.下列有关离子浓度关系叙述正确的是( )
(A) pH=5.5溶液中:
c(CH3COOH)>c(CH3COO-)>
c(H+)>c(OH-)
(B) W点表示溶液中:
c(Na+)+c(H+)=c(CH3COO-)+c(OH-)
(C) pH=3.5溶液中:
c(Na+)+c(H+)-c(OH-)+
c(CH3COOH)=0.1 mol·L-1
(D) 向W点所表示溶液中通入0.05 mol HCl气体(溶液体积变化可忽略):
c(H+)=c(CH3COOH)+c(OH-)
解析:本题属于基本概念与理论的考查,落点在水解与电离平衡、物料守恒和电荷守恒、离子浓度大小比较.pH=5.5比4.75大,从曲线来看CH3COOH的电离在增大,CH3COO-的水解在减小,由图象可以直接得出c(CH3COO-)>c(CH3COOH),(A)项错误.W点表示溶液中,存在Na+、H+、CH3COO-、OH-,根据电荷守恒:c(Na+)+c(H+)=c(CH3COO-)+c(OH-)是完全正确的,其实这关系在溶液中始终存在.(B)项正确.pH=3.5溶液中c(Na+)+c(H+)=c(CH3COO-)+c(OH-),再把题干中的c(CH3COOH)+c(CH3COO-)=0.1 mol·L-1代入即得c(Na+)+c(H+)-c(OH-)+c(CH3COOH)=0.1 mol·L-1,(C)项正确.向W点所表示溶液中通入0.05 mol HCl气体,原有平衡被打破,建立起了新的平衡.溶液中电荷守恒关系为:c(Na+)+c(H+)=c(CH3COO-)+c(OH-)+c(Cl-);物料守恒关系为:c(CH3COO-)+c(CH3COOH)=0.1 mol·L-1 ,不可能得出上述结论,(D)错误.
2.强碱滴定弱酸型
图2
例2 (2010年江苏)常温下,用 0.1000 mol·L-1 NaOH溶液滴定 20.00 mL 0.1000 mol·L-1 CH3COOH溶液所得滴定曲线如图2.下列说法正确的是
( )
(A) 点①所示溶液中:
c(CH3COO-)+c(OH-)= c(CH3COOH)+ c(H+)
(B) 点②所示溶液中:
c(Na+)= c(CH3COOH)+ c(CH3COO-)
(C) 点③所示溶液中:
c(Na+)> c(OH-)> c(CH3COO-)> c(H+)
(D) 滴定过程中可能出现:
c(CH3COOH)> c(CH3COO-)> c(H+)> c(Na+)>
c(OH-)
解析:本题主要考查的是粒子浓度大小的比较.处于点①时,滴入10 mL NaOH溶液,混合液的溶质是CH3COONa和CH3COOH ,且c(CH3COONa)=c(CH3COOH),溶液中存在两个电离平衡:H2OH++ OH-,CH3COOHCH3COO-+ H+,则有c(H+)= c(OH-)+ c(CH3COO-),(A)项错误.在点②时,pH=7,滴入NaOH溶液体积小于20 mL,仍没有完全反应,酸过量,则c(Na+)< c(CH3COOH)+c(CH3COO-),
(B)项错误.当v(NaOH)=20 mL时,两者完全反应溶液的溶质是CH3COONa,由于CH3COO-的水解,溶液呈碱性,但水解程度是微弱的,c(Na+)> c(CH3COO-) > c(OH-) > c(H+),(C)项错误.在滴定过程中,当NaOH的量极少时,即临近“0”点,则有c(CH3COOH)> c(CH3COO-)> c(H+)> c(Na+)> c(OH-),(D)项正确.
3.强酸滴定弱碱型
图3
例3 (2011年安徽)室温下,将1.000 mol·L-1盐酸滴入20.00 mL 1.000 mol·L-1氨水中,溶液pH和温度随加入盐酸体积变化曲线如图3所示.下列有关说法正确的是( )
(A) a点由水电离出的c(H+)=1.0×10-14 mol/L (B) b点:c(NH+4)+c(NH3·H2O)=c(Cl-)
(C) c点:c(Cl-)= c(NH+4)
(D) d点后,溶液温度略下降的主要原因是NH3·H2O电离吸热
解析:氨水属于弱碱,因此在1.000 mol·L-1氨水中OH-的浓度不会是1.000 mol·L-1而是要小于1.000 mol·L-1,由水得离子积常数可知溶液中H+浓度应大于1.0×10-14 mol/L,(A)项不正确(此选项可由图象直接看出).由图象可知b点溶液显碱性,说明此时氨水有剩余,即溶液的溶质是由氨水和氯化铵,因此有c(NH+4)+c(NH3·H2O)>c(Cl-),(B)项不正确.由图象可知c点溶液显中性,由电荷守衡可知c(H+)+c(NH+4)=c(OH-)+c(Cl-),所以c(NH+4)=c(Cl-),(C)正确.由图象可知d点后溶液中主要物质是NH4Cl,而NH4Cl要水解吸热,所以温度会略有降低,(D)项不正确.
4.强酸强碱与弱酸弱碱滴定混合型
图4
例4 (苏北四市2014调研)25℃时,取浓度均为0.1 mol·L-1的醋酸溶液和氨水溶液各20 mL,分别用0.1 mol·L-1NaOH溶液、0.1 mol·L-1盐酸进行中和滴定,滴定过程中pH随滴加溶液的体积变化关系如图4所示.下列说法正确的是( )
(A)曲线Ⅰ:滴加溶液到
10 mL时:
c(CH3COO-)>c(Na+)>c(H+)>c(OH-)
(B) 曲线Ⅰ:滴加溶液到20 mL时:
c(Cl-)>c(NH+4)>c(H+)>c(OH-)
(C) 曲线Ⅱ:滴加溶液在10 mL~20 mL之间存在:
c(NH+4)=c(Cl-)>c(OH-)=c(H+)
(D) 曲线Ⅱ:滴加溶液到10 mL时:
c(CH3COO-)-c(CH3COOH)=2[c(H+)-c(OH-)]
解析:根据图象可知Ⅰ是氨水滴定变化曲线,Ⅱ是醋酸滴定变化曲线,故(A)、(C)错误.曲线Ⅰ:滴加溶液到20 mL时:溶液的溶质是NH4Cl,由图象知溶液呈酸性,所以c(Cl-)>c(NH+4)>c(H+)>c(OH-),(B)项正确.曲线Ⅱ:滴加溶液到10 mL时:混合液的溶质是CH3COONa、CH3COOH,且c(CH3COONa)=c(CH3COOH),根据物料守恒:c(CH3COO-)+ c(CH3COOH)=2c(Na+);电荷守恒:c(CH3COO-)+ c(OH-)=c(Na+)+ c(H+)可以得出:c(CH3COO-)-c(CH3COOH)=2[c(H+)-c(OH-)],(D)项正确.
5.强酸滴定盐溶液型
图5
例5 (南通2014调研)常温下,用 0.1 mol·L-1 HCl溶液滴定10.0 mL浓度为0.1 mol·L-1 Na2CO3溶液,所得滴定曲线如图5所示.下列说法正确的是( )
(A) 当V=0时:c(H+)+c(HCO-3)+c(H2CO3)=c(OH-)
(B) 当V=5时:c(CO2-3)+c(HCO-3)+c(H2CO3)=2c(Cl-)
(C) 当V=10时:c(Na+)>c(HCO-3)>c(CO2-3)>c(H2CO3)
(D) 当V=a时:c(Na+)>c(Cl-)>c(H+)=c(OH-)
解析:当V=0时:则是碳酸钠溶液,根据物料守恒:
2c(HCO-3)+2c(CO2-3)+2c(H2CO3)=c(Na+);电荷守恒:c(HCO-3)+ 2c(CO2-3)+ c(OH-)=c(Na+)+ c(H+)可以得出:c(H+)+c(HCO-3)+2c(H2CO3)=c(OH-),(A)项错误(此选项也可以通过水给出的质子守恒直接得出).当V=5时:混合液的溶质是Na2CO3、NaHCO3和NaCl,且c(Na2CO3) =c(NaHCO3)=c(NaCl),根据物料守恒:c(CO2-3)+c(HCO-3)+c(H2CO3)=2c(Cl-),(B)项正确.当V=10时:混合液的溶质是NaHCO3和NaCl,且cNaHCO3)=c(NaCl),有图象知溶液呈碱性,则HCO-3的水解大于HCO-3电离程度,所以c(H2CO3)>c(CO
2-3),(C)项错误.当V=a时:20 mL>a>10 mL,则溶质是NaHCO3和NaCl,由于pH=7,所以c(Na+)>c(Cl-)>c(H+)=c(OH-),(D)项正确.
二、将双曲线转化为直线进行考查
图6
例6 (2013年山东)某温度下,向一定体积0.10 mol·L-1醋酸溶液中逐滴加入等浓度的NaOH溶液,溶液中pOH[pOH=-lg(OH-)] 与pH的变化关系如图6所示,则
( )
(A) M点所示溶液导电能力强于Q点
(B) N点所示溶液中
c(CH3COO-)﹥c(Na+ )
(C) M点和N点所示溶液中水的电离程度相同
(D) Q点消耗NaOH溶液的体积等于醋酸溶液的体积
解析:随着NaOH溶液的加入,c(H+)逐渐减小,c(OH-)逐渐增大,图象应由M点向N点过渡.由于醋酸是弱酸,电离程度很小,离子浓度也较小,图象上三个点中,M点所表示溶液的导电能力最弱,(A)项错误.N点所示溶液为碱性,根据溶液电荷守恒很容易判断出此时c(Na+) >c(CH3COO-),
(B)项错
误.由于M点的POH等于N点pH,说明M点和N点的c(H+)=c(OH-),进一步说明M点醋酸对水电离的抑制程度与N点
氢氧化钠对水电离的抑制程度相同,所以两点水电离程度相同,(C)项正确.Q点的POH=PH,溶液为中性,而两者等体积混合后生成醋酸钠,水解显碱性,因此所加NaOH溶液体积略小于醋酸溶液的体积,(D)项错误.
三、试题管见
图象题以直观、简明、信息量大、节省文字表达等特点成为高考化学试题的亮点,这些图象题在保持高考化学试题相对稳定的前提下,对信息呈现方式有所创意、有所探索.这类试题对能力提升的要求体现在识图、读图上,突出体现在对坐标、曲线、数据的理解和应用上,题目的综合性强、灵活性大,既符合认识发展规律,又使高考化学试题充满活力.综合上述分析,解决好此类问题必须把握好以下几点:①分析图象中的数据,根据酸、碱、盐浓度大小关系确定溶液混合或滴定后所得溶液的溶质以及溶质浓度的大小关系②根据溶液中的溶质和离子找出存在平衡③利用好粒子间的守恒关系(物料守恒、电荷守恒、质子守恒)④解题时,见到等式优先想到“三守恒”和“三守恒”之间的转换.笔者认为,如果用好这几个方面,这类问题将迎刃而解.