基于酸碱质子理论厘清离子反应中的若干问题

金剑锋

摘要： 以酸碱质子理论为基础，运用化学平衡原理，讨论溶液中离子反应的若干问题，帮助学生明晰电离平衡和水解平衡的本质，形成认识溶液中离子反应的基本思路。

关键词： 酸碱质子理论; 离子反应; 电离平衡; 化学平衡常数; 水解平衡

文章编号： 10056629（2020）10009404

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题的提出

无机化学反应大多数是在水溶液中进行的，参与反应的物质主要是酸、碱和盐，它们都是电解质，在水溶液中能电离出离子。因此，酸、碱、盐之间的反应实际上就是离子反应。离子反应可以分为酸碱反应、沉淀反应、配合反应和氧化还原反应四大类[1]。

现行高中化学教材在选修《化学反应原理》模块中以“溶液中的离子反应”为专题，介绍了弱电解质的电离平衡、溶液的酸碱性、盐类的水解和难溶电解质的沉淀溶解平衡四部分内容[2]。教材中对酸碱的认识是基于1887年瑞典化学家阿伦尼乌斯（Arrhenius， 1859～1927）提出的酸碱电离理论，即凡在水溶液中电离产生的全部阳离子都是H+的物质叫做酸;电离产生的全部阴离子都是OH-的物质叫做碱;酸碱反应的实质就是H+和OH-结合生成水的反应[3]。这一理论是人们对酸、碱认识由现象到本质的一次巨大飞跃，在高中阶段具有普遍的适用性。但是也存在一定的缺陷，如它无法解释物质在非水溶液中的酸碱性问题，这对学生后续学习带来一定的障碍;又如它也无法解释中学阶段的气态NH3和HCl发生中和反应并无水生成，以及下文将讨论的若干问题。授课时教师通常是按照教材顺序逐一讲解，对专题内容的前后联系认识不够深入，缺乏对知识的系统性研究，从而导致学生掌握知识的片面化和碎片化，有时甚至出现理解上的误区。

高中阶段在“溶液中的离子反应”专题中选择酸碱反应和沉淀反应为离子反应的研究对象，旨在引导学生运用前一专题所学的化学平衡原理，进一步认识水溶液体系中的电离平衡、水解平衡和沉淀溶解平衡，从而掌握离子反应进行的方向和限度，认识离子反应所遵循的基本原理，初步形成关于物质变化的科学观念[4]，以便能动地控制化学反应，从而服务于实际生产和生活。水溶液中的电离平衡和水解平衡属于单相平衡，而沉淀溶解平衡是多相平衡[5]。本文重点以酸碱质子理论为基础，讨论单相平衡中电离平衡和水解平衡的若干问题，以便帮助学生进一步明晰电离平衡和水解平衡的本质和联系，引导学生形成认识水溶液中离子反应的基本思路，回溯知识的本原，更好地建构学科知识体系，形成并发展学生“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”和“证据推理与模型认知”等化学学科核心素养，培养系统思维能力[6]。

2 理论的分析

2.1 酸碱质子理论

酸碱质子理论是丹麦化学家布朗斯泰德（Bronsted， 1879～1947）和英国化学家劳莱（Lowry， 1874～1936）于1923年提出。他们认为，凡能够给出质子（H+）的物质都是酸;凡能够接受质子的物质都是碱;某物质既能够给出质子，又能够接受质子，就既是酸又是碱，可称为酸碱两性物质[7]。

由此可以看出，单独一对共轭酸堿本身是不能发生酸碱反应的，也可以把通式“酸碱+H+”称为酸碱半反应。

3 问题的解决

3.1 运用酸碱质子理论修正电离平衡的表达方式

苏教版教材在用“CH3COOH+H2OCH3COO-+H3O+表示醋酸分子与水分子作用并发生电离的过程示意”后，又表述“醋酸的电离方程式可表示为CH3COOHCH3COO-+H+”，并在脚注中指出“在水溶液中，分子或离子并不是单独存在的，而是与一定数目的水分子结合在一起的。H+和H3O+都是水溶液中氢离子的简略表示方式，通常更多地用H+表示”[8]。

通常学生接触到的各种物质的电离方程式都是简写形式。长此以往，学生容易忽略简写形式的由来，往往误认为CH3COOH分子可以自发电离成CH3COO-和H+，若写成“CH3COOH+H2OCH3COO-+H3O+”形式，仅仅是因为“在水溶液中，H+不是单独存在的，而是与一定数目的水分子结合在一起的，从而写成H3O+”。

据了解，出现以上情况的学生还不在少数，甚至是已经高三年级的学生。显然这是教学出了问题。由于教师没有理解教材给出“CH3COOH+H2OCH3COO-+H3O+表示醋酸分子与水分子作用并发生电离的过程示意”的意图，亦或是对于酸碱质子理论的认识肤浅或者缺失，导致对于水溶液中电离原理的理解不够到位。

依据酸碱质子理论，可以非常清晰地认识到“CH3COOH+H2OCH3COO-+H3O+”才是CH3COOH发生电离的本质，而“CH3COOHCH3COO-+H+”仅仅是一个酸碱半反应，教师虽然习惯用它来表示CH3COOH发生电离的一种书写形式，但切不要把简写的酸碱质子反应和酸碱半反应混为一谈。为了避免学生出现上述认识上的误区，笔者认为教学中有必要强化规范的电离平衡表达式的内涵释义。

3.2 运用酸碱质子理论完善化学平衡常数的使用

电离常数、水的离子积常数、水解常数是各种化学平衡的平衡常数。运用这些常数来分析溶液的酸碱性相对强弱时会起到很好的辅助作用。例如，在一定的温度下，当弱酸的浓度相同时，电离常数越大，弱酸的电离程度就越大，弱酸的酸性就越强。学生对于这条规则的运用也显得得心应手。

建构主义认为，知识结构并不是线性结构或层次结构，而是围绕关键概念而建构起来的网络结构的知识。在学生学完了电离平衡和水解平衡后，有教师设计了“比较室温下，相同浓度的HCN和NH4Cl溶液的酸碱性强弱”的问题，考查学生运用化学平衡常数在解决结构不良领域问题的迁移和运用能力，同时也保证了知识的高度概括性与具体性的结合，使知识富于灵活性，能够适应变化的情境，增强了知识的迁移性和覆盖面。在学生经过一番思考后，有学生提出了以下分析思路：

其实，类似问题已经引起不少教师和参加过高中化学竞赛的学生的讨论。明正球老师提出弱酸的酸式盐溶液中离子浓度的大小，受弱酸本身电离常数的影响，也受溶液本身浓度大小的影响，严格来说还受水的离子积常数的影响，这样的溶液体系中存在多个电离、水解平衡，直接考虑比较复杂，也容易片面，比较严谨的方法是利用平衡常数进行推导和计算[11]。李德庆老师指出，对NaHCO3溶液中离子浓度的认识产生误差的原因在于仅考虑HCO-3的水解和电离，而忽略了在较高浓度时HCO-3质子自递反应对粒子浓度造成的影响，他也提出涉及类似NaHCO3的两性物质溶液中离子浓度的比较，必须在指明溶液浓度的情况下，通过计算进行推导[12]。

前文推算NaHC2O4溶液中微粒浓度的过程并未具体展开，主要原因在于在其他文献中已经出现过多次规范的解析过程，以免重复;更重要的原因是两性物质水溶液的酸碱性的定量计算，已超出高中课程标准要求。这是大学分析化学的教学内容，甚至在多个版本的大学无机化学教材中也明确指出，该定量计算比较复杂，有待后续课程讨论[13]。

在NaHC2O4溶液中，存在HC2O-4的电离、HC2O-4的水解和H2O的电离，还有如李德庆老师提出的HC2O-4的质子自递反应。通常HC2O-4的质子自递反应不容易想到，这仍然是由于对电离和水解的本质理解不到位而导致。这里主要涉及两种物质——HC2O-4和H2O，它们都属于酸碱质子理论中的酸碱两性物质，都是既能够给出质子，又能够接受质子。因此，两种物质间必定存在四个质子转移反应，具体表示如下：

以上运用酸碱质子理论解决水溶液中微粒浓度关系的方法，是源于对水溶液中的离子反应本质的深刻认识，也是基于认识水溶液中离子反应的基本思路，符合高中阶段对学生的能力考查要求，有利于帮助学生更好地建构学科知识体系，培养系统思维能力。值得注意的是，当溶液的浓度过小时，定性分析会与定量计算发生结果的偏差，应以定量计算结果为准，但这已经不是高中阶段要考虑的问题了。

4 结语

随着教育改革的不断深化，教师应重视自我专业能力的发展与提升，切实理解和践行终身学习的学习观和对科学严谨认真的态度。在日常教学中，我们应努力做到全面把握学科知识体系，深入理解每个学科概念和原理的本原，充分挖掘学科知识蕴含的思想以及解决问题的基本思路，主动研读与化学学科知识相关的科学史料，认识学科发展与人的发展、社会发展的关系，从而加深对学科教学的理解。只有以更专业精准的学科知识和理论体系来武装我们的头脑，才能更好地驾驭中学化学教学。

参考文献：

[1][3][5][7][13]北京师范大学等. 无机化学（上册）（第4版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2002： 310～331.

[2][8][9]王祖浩主编. 普通高中课程标准实验教科书·化学反应原理（选修）[M]. 南京： 江苏教育出版社， 2014： 61～85， 48.

[4][6]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 27， 34～35.

[10]华中师范大学等. 分析化学（第2版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 1999： 206～209.

[11]明正球. 由碳酸氫钠溶液中离子浓度的大小排序引起的思考[J]. 化学教与学， 2017， （3）： 75～76.

[12]李德庆， 李研. 碳酸氢钠水溶液中粒子浓度的关系[J]. 化学教学， 2019， （9）： 87～89.