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一、水的电离

水溶液中的离子平衡 · 高三
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 水分子间发生质子转移,生成氢离子和氢氧根离子的可逆过程,其平衡常数称为水的离子积常数。

从哪来 它建立在三、化学平衡常数之上。水的电离本质是一个弱电解质的电离平衡,其定量描述完全依赖于化学平衡常数的定义与计算逻辑。

为什么 水分子极性强,且存在氢键网络,导致部分水分子发生自偶电离($H_2O + H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + OH^-$)。由于水是溶剂,其浓度在稀溶液中视为常数,因此平衡常数表达式中省略了水的浓度,仅保留离子浓度乘积 $K_w = c(H^+) \cdot c(OH^-)$。这解释了为何在任何水溶液中,$H^+$ 和 $OH^-$ 的浓度乘积在特定温度下恒定,且溶液酸碱性取决于两者相对大小,而非绝对浓度。

宏观-微观结合法
先展示纯水导电性极弱的实验事实,引出“微弱电离”概念;再画出微观粒子碰撞示意图,强调“动态平衡”;最后推导 $K_w$ 表达式。
适合:形象思维强、对抽象公式推导感到困难、需要直观理解平衡本质的学生。
数学推导法
直接类比弱酸电离平衡,写出电离方程式,列出完整的平衡常数表达式 $K = \frac{c(H^+)c(OH^-)}{c(H_2O)^2}$,指出 $c(H_2O)$ 约为 55.6 mol/L 且变化极小,故并入常数,得到 $K_w$。
适合:逻辑推理能力强、擅长数学建模、对化学平衡常数定义理解透彻的学生。
对比辨析法
对比“水的电离”与“酸/碱的电离”。强调水既提供 $H^+$ 也提供 $OH^-$,而酸只显著提供 $H^+$。通过计算纯水中 $c(H^+) = c(OH^-) = 10^{-7}$ mol/L,再计算 0.1 mol/L HCl 溶液中 $c(H^+) = 0.1$ mol/L 但 $c(OH^-)$ 仍由 $K_w$ 决定,突显 $K_w$ 的普适性。
适合:容易混淆酸碱溶液中离子来源、对“抑制电离”概念理解不深、需要强化溶液离子浓度计算逻辑的学生。
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练一道
基础题
25℃时,某溶液中 $c(H^+) = 1 \times 10^{-3}$ mol/L,求该溶液中 $c(OH^-)$ 及溶液的 pH。
变式
将 10 mL pH=1 的 HCl 溶液与 10 mL pH=13 的 NaOH 溶液混合,求混合后溶液的 pH。(假设混合后体积具有加和性,25℃)
试试手自己判
检测题
25℃时,向 1 L 纯水中加入 0.01 mol HCl,充分溶解后,溶液中由水电离出的 $c(H^+)$ 是多少?
看答案和判分标准
答案:$1 \times 10^{-12}$ mol/L
判对标准:
1. 正确识别加入 HCl 后溶液总 $c(H^+) = 0.01$ mol/L。
2. 正确应用 $K_w = c(H^+)_{\text{总}} \cdot c(OH^-)$ 计算出溶液中 $c(OH^-) = 10^{-12}$ mol/L。
3. 正确理解“由水电离出的 $H^+$”等于溶液中 $OH^-$ 的浓度(因为水电离出的 $H^+$ 和 $OH^-$ 等量,而 $OH^-$ 全部来自水),得出 $10^{-12}$ mol/L。
4. 若答案为 $10^{-2}$ mol/L 或 $10^{-12}$ mol/L 但过程错误(如未说明 $OH^-$ 来源),判错。
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