化學平衡視角下碳酸氫鈉性質的再認識

◆張慶

碳酸氫鈉是重要的化工原料，也是高中化學重要的物質，是酸式鹽的典型代表物，涉及物質制備、離子檢驗、離子共存、化學平衡的等知識點，如何減少學生的機械記憶，促進學生的深度學習，是每個教師關心的問題，基于化學平衡思想，整合涉及碳酸氫鈉性質的知識點，系統(tǒng)認識，更符合學生的認知特點。

1.侯氏制堿法中為什么會生成NaHCO3的沉淀？

人教版教材中沒有專門講侯氏制堿法，但作為重要的物質制備原理，這是必講的知識點。在高一教學中，此處學生通常關心兩個問題，一是為什么先通NH3？二是為什么會生成NaHCO3沉淀？

向飽和NaCl溶液中先通入足量的氨氣，再通入足量的CO2。此處可以引導學生想象，在溶液中存在著Na+、Cl-、NH4+和 HCO3-，它們可以組成NH4Cl、NaCl、NaHCO3、NH4HCO3四種物質，為什么 NaHCO3會結晶析出？這時將以上四種物質的溶解度展示出來，學生們很快會聯(lián)系到初中學過的過飽和溶液問題，利用溶解度（溶解平衡）快速突破難點。引導學生對比Na2CO3和NaHCO3的溶解度，也可以突破飽和Na2CO3溶液能與CO2反應生成沉淀的難點（Na2CO3溶液與CO2的反應，高一最好不涉及，減輕學生負擔）。

2.NaHCO3溶液為什么顯堿性？

0.10mol/LNaHCO3溶液的PH值約為8.3［1］，其溶液顯堿性。為了使學生有充分的認識，除了機械記憶、實驗測定外（酚酞溶液遇NaHCO3溶液顯粉紅色），高二教學時，讓學生通過計算比較HCO3-的電離平衡常數(shù)和水解平衡常數(shù)平衡，感知NaHCO3的堿性效果更好。在教學中，引導學生從定性角度認識到酸式鹽的酸堿性是由酸式酸根離子的電離程度和水解程度的相對大小決定的。以HA-為例［2］，HA-的電離平衡常數(shù)K（電離）=Ka2。HA-的水解平衡常數(shù)K（水解）=Kw/Ka1。

若Ka1·Ka2=Kw，則該酸式鹽溶液呈中性。

若Ka1·Ka2＞Kw，則該酸式鹽溶液呈酸性。

若Ka1·Ka2＜Kw，則，該酸式鹽溶液呈堿性。

結合人教版選修4《化學反應原理》［3］第43頁碳酸的電離平衡常數(shù)數(shù)據(jù)，學生們比較容易通過平衡計算，得出NaHCO3溶液顯堿性的結論。進一步拓展，類似的問題還有亞硫酸氫鈉、氫硫酸酸式鹽的酸堿性等問題也可以提供數(shù)據(jù)，讓學生計算解決。學生自己發(fā)現(xiàn)的結論，顯然比老師直接告知的印象要深刻一些。

3.為什么用飽和NaHCO3溶液除去CO2中混有的HCl？

高中化學中，NaHCO3有一個重要作用就是充當制備CO2的除雜劑，為了減少機械記憶，教學中可以引導學生想像微觀過程，將CO2通入水溶液中，發(fā)生如下反應：CO2+H2O?H2CO3?H++HCO3-，從平衡的角度看，如何減少CO2損失？飽和NaHCO3溶液中有大量的HCO3-，大量的HCO3-抑制了上述反應，大大減少CO2的損失。而酸性強于碳酸的HCl溶液中大量的H+使上述平衡逆向移動，產(chǎn)生了CO2。類似的還有除去Cl2中的HCl等問題。

4.為什么NaHCO3溶液中CO32-濃度不是最小的？

一直以來，很多教輔資料認為，NaHCO3溶液中由于NaHCO3的水解程度大于其電離程度，所以水解產(chǎn)生的OH-濃度（HCO3-+H2O?H2CO3+OH-）就大于電離產(chǎn)生的CO32-濃度（HCO3-? CO32-+H+）。真實的情況是，只要溶液不是太稀，NaHCO3溶液中，c(Na+)＞c(HCO3-)＞c(CO32-)＞c(OH-)＞c(H+)。

NaHCO3溶液中同時存在以下四個平衡［4］：

（1）水的電離平衡 H2O?H++OH-K1=Kw=1.0x10-14

（2）碳酸氫鈉的電離平衡 HCO3-? CO32-+H+K2=Ka2=4.7x10-11

（3）碳酸氫鈉的水解平衡 HCO3-+H2O?H2CO3+OH-K3=Kh=Kw/Ka1=

（4）碳酸氫鈉的自耦電離平衡 HCO3-+HCO3-?CO32-+H2CO3K4=K自耦=Ka2/Ka1=

如果僅考慮到上面（1）～（3）的平衡，所以會得出OH-濃度大于CO32-濃度的錯誤結論。NaHCO3的自耦電離高中不涉及，可向學生簡單作如下解釋：NaHCO3水解的實質是結合H+，由于Ka2大于Kw，所以相比于水電離出的H+，HCO3-更容易結合自己電離的H+，結合（4）電離平衡可知，由于K自耦大于Kh，所以只要溶液濃度不是太低（大于10-4），CO32濃度大于OH-濃度。［5］

5.為什么不能用BaCl2（或CaCl2）溶液鑒別碳酸鈉和碳酸氫鈉？

很多教輔資料認為，由于Ca(HCO3)2或Ba(HCO3)2是可溶性鹽，所以可用BaCl2（或CaCl2）溶液可以鑒別Na2CO3和NaHCO3溶液，這是一種想當然的結論。事實是用BaCl2（或CaCl2）溶液無法鑒別。［6］課堂上做演示實驗，向NaHCO3溶液中加入CaCl2溶液會生成白色的沉淀（CaCO3），可以向學生指出教輔資料中關于用氯化鈣鑒別的錯誤之處。學生會很好奇，為什么？（高一不講解，將問題留到高二或高三解決）高二講解（或高三復習）沉淀溶解平衡時，再次演示該實驗，提供碳酸的電離平衡常數(shù)和碳酸鋇的溶解平衡常數(shù)，引導學生通過計算解決疑問。

0.1mol/L碳酸氫鈉溶液中，碳酸根的自耦電離平衡常數(shù)k自耦=Ka2/Ka1，由于H2CO3濃度近似等于CO32-濃度，所 以 可 知 c (CO32-)由Ksp（CaCO3）=2.8x10-9可知［7］，在0.1mol/L碳酸氫鈉溶液中，只要Ba2+濃度大于2.8x10-6mol/L即可生成BaCO3沉淀。通過演示實驗和理論計算，可以強化學生對沉淀溶解平衡的理解。

我區(qū)學生化學學習中存在基礎弱、重記憶、輕思維等不足。在強調學科素養(yǎng)的今天，化學學習能力、學科素養(yǎng)，絕不是靠機械記憶、總結答題模板等應試措施就能提高的。因此，在日常教學中，就要求我們老師，要熟悉最新的課程標準，研讀化學學科核心素養(yǎng)，打通三年，螺旋上升，減少學生的機械記憶，滲透學科核心素養(yǎng)，以問題為導向，促進學生的深度思考，把強化理科教學落到實處。