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1. 一元弱酸溶液

弱电解质的电离平衡 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 一元弱酸在水溶液中部分电离,建立电离平衡,且 $c(\text{H}^+) < c(\text{酸})$ 的溶液体系。

从哪来 基于电解质强弱判断明确其“部分电离”本质,利用平衡常数与转化率的关系及平衡浓度计算方法,结合pH 的计算逻辑推导溶液性质。

为什么 弱酸分子(HA)电离出 $\text{H}^+$ 和 $\text{A}^-$ 后,$\text{H}^+$ 与 $\text{A}^-$ 会结合回 HA,形成动态平衡。由于电离程度小,溶液中主要存在形式是未电离的 HA 分子,而非离子。因此,不能像强酸那样认为酸完全解离,必须引入平衡常数 $K_a$ 来定量描述电离程度,进而通过物料守恒和电荷守恒计算 $\text{H}^+$ 浓度及 pH。

讲法
类比法:弹簧与小球 适合形象思维强、抽象逻辑较弱的学生。 将 HA 分子比作一个被压缩的弹簧,电离过程是弹簧释放能量弹出小球($\text{H}^+$)。但周围的水分子像粘稠的胶水,小球弹出后容易被粘回去(结合反应)。最终,弹簧处于一种“想弹开但又被粘住”的僵持状态(平衡)。强调“大部分时间弹簧是缩着的”(大部分是分子),只有少量小球在外面(离子)。
讲法
数据对比法:强酸 vs 弱酸 适合逻辑严密、喜欢定量分析的学生。 列出 0.1 mol/L HCl 和 0.1 mol/L CH$_3$COOH 的对比表。HCl 中 $c(\text{H}^+) = 0.1$,pH=1;CH$_3$COOH 中 $c(\text{H}^+) \approx 1.3 \times 10^{-3}$,pH≈2.9。引导学生发现:浓度相同,pH 不同,说明弱酸没有完全电离。进而引出 $K_a = \frac{c(\text{H}^+)c(\text{A}^-)}{c(\text{HA})}$,指出分母 $c(\text{HA})$ 几乎不变,分子随电离增加,直到乘积等于常数。
讲法
极限逼近法:从完全电离到部分电离 适合基础扎实、喜欢探究原理的学生。 假设弱酸完全电离,计算出的 $c(\text{H}^+)$ 很大。但实验测得 pH 偏大($c(\text{H}^+)$ 小)。为什么?因为存在逆反应。引入“转化率”概念,弱酸转化率通常小于 5%。利用平衡浓度计算,设电离度为 $\alpha$,则 $c(\text{H}^+) = c \cdot \alpha$。通过 $K_a$ 表达式推导 $\alpha$ 与 $c$、$K_a$ 的关系,让学生理解“浓度越大,转化率越低”的反直觉现象。
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练一道
基础题
已知 25℃ 时,0.1 mol/L 的 CH$_3$COOH 溶液中 $c(\text{H}^+) = 1.34 \times 10^{-3}$ mol/L。求该温度下 CH$_3$COOH 的电离平衡常数 $K_a$。
变式
将上述 0.1 mol/L CH$_3$COOH 溶液加水稀释 10 倍,问: (1) $c(\text{H}^+)$ 如何变化? (2) $K_a$ 如何变化? (3) 电离度 $\alpha$ 如何变化?
试试手自己判
检测题
0.1 mol/L 的 HA 溶液 pH=3。若将该溶液加水稀释 100 倍,所得溶液的 pH 范围是? A. 3 < pH < 4 B. 4 < pH < 5 C. pH = 5 D. 5 < pH < 7
看答案和判分标准
答案:B
判对标准:
- 选 B 且能解释:稀释 100 倍,若为强酸 pH 增加 2(变为 5);因是弱酸,稀释促进电离,$c(\text{H}^+)$ 减小幅度小于 100 倍,故 pH 增加幅度小于 2,即 pH < 5。同时 pH 必大于 3。故 3 < pH < 5,结合选项 B 最合理(注:严格来说 pH 在 3 到 5 之间,通常接近 5 但小于 5,选项 B 涵盖了主要区间,若选项有 3- 若选 C,说明学生误以为弱酸稀释行为与强酸完全一致。
- 若选 A,说明学生未考虑稀释对浓度的主导影响。
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