曹雨晴
在高中化學教材《化學反應原理》(人教版選修 4)中,需要學習水溶液中的離子平衡,其中,鹽類水解中的三大守恒(質子守恒、電荷守恒和物料守恒)是很難掌握的一個知識點。如何熟練地將其書寫出來?理解是關鍵。
傳統的學習中,質子守恒常常通過電荷守恒和物料守恒進行數學推導得出,很多同學一知半解,更不容易記住。
能否通過直觀的教具展示?我將磁性板和球棍模型進行改進,制作了質子守恒演示儀。
一、質子(H+)守恒原理
電解質溶液中,分子或離子得到或失去質子(H +)的物質的量應相等。例如, 在 NH 4HCO3 溶液中,H 3O+( 簡寫為H+)、H 2CO3 為得到質子后的產物,NH3、OH –、CO32– 為失去質子后的產物,因此,c(H+)+c(H2CO3)=c(NH3)+c(OH–)+c(CO32–)。
在Na2CO3 溶液中,H+、HCO3 為得到一個質子后的產物,H2CO3 為得到兩個質子后的產物,OH– 為失去質子后– 的產物,因此,c(H+)+c(HCO3 )+2c(H2CO3)=c(OH–)。
二、研究思路
根據質子守恒原理,電解質溶液中的弱離子(弱酸陰離子、弱堿陽離子)會奪取水分子中的氫離子或氫氧根離子,破壞水的電離平衡,從而產生質子守恒。若事先把水分子有序排列,把水中的氫離子和氫氧根離子分成兩個區域,將得到質子的物質和質子放在一個區域,得到氫氧根離子的物質和氫氧根離子放在另一個區域,就可以形象地展示質子守恒。
三、設計制作
質子守恒演示儀由磁性畫寫板、磁性片切割組成的分子(或離子)模型組成,磁性畫寫板上覆蓋一層彩色噴繪,用 T 形虛線將其分割成 3 個區域(事實上溶液中的離子不會這樣排列),分別用淺紅色(表示氫離子區域)、淺藍色(表示氫氧根離子區域)、淺黃色(表示加入鹽的區域)表示。淺紅色底部印刷氫離子,淺藍色底部印刷與氫離子數量相等的氫氧根離子。
磁性片切割組成的分子(或離子)模型包括水分子模型、CO32– 模型、HCO3– 模型、NH4+ 模型、鈉離子模型(根據需要可做成任何需要的離子模型)。
四、示意圖
1. 展示碳酸鈉溶液中的質子守恒
上圖可演示氫離子(質子)、質子的去向和氫氧根離子量的關系:c(H +)+c(HCO3–)+2c(H2CO3)=c(OH–)。
2. 展示碳酸氫氨溶液中的質子守恒
在NH4HCO3 溶液中,NH4+ 和HCO3–既可以得到質子又可以失去質子,H3O+(簡寫為H+)、H2CO3 為得到質子后的產物,NH3、OH–、CO32– 為失去質子后的產物。因此,c(H+)+c(H2CO3)=c(NH3)+ c(OH–)+ c(C O 32–)。
五、使用方法
使用時,只需按照圖片事先放置好水分子,使水分子的氫離子和氫氧根離子分別朝向對應區域,按照示意圖演示即可。