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专题3 化学反应原理
第四单元 溶液中的离子平衡
第5讲 难溶电解质的沉淀溶解平衡
一、课程标准要求
1．认识难溶电解质的溶解平衡有一定限度，是可以调控的。能多角度、动态地分析难溶电解质的溶解平衡(并运用难溶电解质的溶解平衡)原理解决实际问题(利用沉淀生成处理污水等)。
2．能发现和提出有关难溶电解质的溶解平衡的判断问题；能从问题和假设出发，确定探究目的，设计探究方案，进行沉淀转化等的实验探究。
3．知道可以通过分析、推理等方法认识难溶电解质的溶解平衡的本质特征、建立模型。能运用模型解释难溶电解质的溶解平衡的移动，揭示现象的本质和规律。
二、在高中化学教材体系中的地位
从课程模块层面看，难溶电解质的溶解溶解平衡是在学生已经能够从化学平衡的视角对水的电离、弱电解质的电离、盐的水解等问题进行分析，并初步形成了从平衡角度来分析问题、解决问题的能力基础上，继续对化学平衡的另一种形式的——沉淀溶解平衡进行知识的延伸，更是变化观念与平衡思想的具体应用。
三、思维导图
四、课时安排建议
第1课时 沉淀溶解平衡、图像分析及其应用(1课时)
第2课时 溶度积常数及其应用(1课时)
第1课时 沉淀溶解平衡、图像分析及其应用(1课时)
一、教学流程
活动一：构建知识体系
问题1：什么是难溶电解质的沉淀溶解平衡？
[例题1]已知碳酸钙是一种难溶物，在25 ℃时，它的溶解度为7.1×10－4 g。
(1)在常温下，它属于_______(填“难溶”、“微溶”、“可溶”或“易溶”)物。
(2)在常温下，将少量CaCO3加入水中，充分搅拌后仍有碳酸钙固体存在。此时溶解过程是否停止？请说明理由。
(3)若将碳酸钙分别加入到①水中、②饱和碳酸钠溶液中，达到沉淀溶解平衡后，溶液中c(Ca2＋)的大小为_______________。
(4)请设计实验方案，促使沉淀溶解平衡向碳酸钙溶解的方向进行。
[归纳总结]
(一)难溶、可溶、易溶界定
20 ℃时，电解质在水中的溶解度与溶解性存在如下关系：
溶解性 易溶 可溶 微溶 难溶
溶解度 ＞___g _____g ______g ＜_______g
(二)难溶电解质的沉淀溶解平衡
1．含义：在一定温度下的水溶液中，当沉淀_____和_____的速率相等时，即建立了溶解平衡状态。
2．建立过程
固体溶质溶液中的溶质
3．特征
4．影响沉淀溶解平衡的因素
内因 难溶电解质本身的性质
外因 浓度 加水稀释，平衡向_______的方向移动
温度 大多数难溶电解质的溶解平衡是_____过程，升高温度，平衡向________的方向移动；少数向_________的方向移动，如Ca(OH)2的溶解平衡
同离子效应 向平衡体系中加入含有难溶电解质电离的某离子的电解质，平衡向_________的方向移动
化学反应 若加入的物质使难溶电解质生成更难溶的电解质、弱电解质或气体时，平衡向________的方向移动
问题2：难溶电解质的溶解度曲线与常见的化学平衡中的曲线有哪些相似与不同之处？
[例题2]现有难溶电解质的溶解度曲线的常见图像的两种类型。试回答：
溶解度曲线图像中“点”的含义
线上的点 物质在该温度下的_______，溶液是____溶液
线下方的点 溶液处于_______状态，要使溶液变成对应温度下的_____溶液，方法一是向该溶液中___________；方法二是________________________
线上方的点 溶液处于过_______状态，该温度时有____________
曲线的交点 在该点所示温度下，两种物质的_______相等
[练习1]已知溶液中存在平衡：Ca(OH)2(s)Ca2＋(aq)＋2OH－(aq)　ΔH＜0，下列有关该平衡体系的说法正确的是(　　)
①升高温度，平衡逆向移动
②向溶液中加入少量碳酸钠粉末能增大钙离子的浓度
③除去氯化钠溶液中混有的少量钙离子，可以向溶液中加入适量的NaOH溶液
④恒温下，向溶液中加入CaO，溶液的pH升高
⑤给溶液加热，溶液的pH升高
⑥向溶液中加入Na2CO3溶液，其中固体质量增加
⑦向溶液中加入少量NaOH固体，Ca(OH)2固体质量不变
A．①⑥　　　　　　B．①⑥⑦
C．②③④⑥　　　 D．①②⑥⑦
(练习1出处：2021·天津和平区检测。通过Ca(OH)2的溶解平衡移动问题的讨论，很好地体现了证据推理与模型认知这一核心素养)
活动二：重难点突破
问题3：如何对有关沉淀溶解平衡对数图像的进行分析？
[例题3] 在湿法炼锌的电解循环溶液中，较高浓度的Cl－会腐蚀阳极板而增大电解能耗。可向溶液中同时加入Cu和CuSO4，生成CuCl沉淀从而除去Cl－。根据溶液中平衡时相关离子浓度的关系图，下列说法错误的是(　　)
A．Ksp(CuCl)的数量级为10－7
B．除Cl－反应为Cu＋Cu2＋＋2Cl－===2CuCl
C．加入Cu越多，Cu＋浓度越高，除Cl－效果越好
D．2Cu＋===Cu2＋＋Cu平衡常数很大，反应趋于完全
(典型题例出处：2017·全国卷Ⅲ。本题借助于数学中对数知识，通过图像形式考查了溶液中的沉淀溶解平衡、电化学知识，能够很好考查学生综合信息处理能力。)
[解析]：A项，当－lg ＝0时，lg 约为－7，即c(Cl－)＝1 mol·L－1，c(Cu＋)＝10－7 mol·L－1，因此Ksp(CuCl)的数量级为10－7；B项，分析生成物CuCl的化合价可知，Cl的化合价没有发生变化，Cu由0价和＋2价均变为＋1价，因此参加该反应的微粒为Cu、Cu2＋和Cl－，生成物为CuCl，则反应的离子方程式为Cu＋Cu2＋＋2Cl－===2CuCl；C项，铜为固体，只要满足反应用量，Cu的量对除Cl－效果无影响；D项，2Cu＋===Cu2＋＋Cu的平衡常数K＝，可取图像中的c(Cu＋)＝c(Cu2＋)＝1×10－6 mol·L－1代入平衡常数的表达式中计算，即为K＝＝1×106 L·mol－1，因此平衡常数很大，反应趋于完全。
[答案] C
[小结] 在遇到溶液中离子的浓度用对数或负对数表示时，一定要弄清楚该数值表示的大小与离子浓度大小之间的关系，然后与Ksp的计算公式相匹配进行相关问题的考虑。
[练习2] 不同温度下(T1、T2)，CaCO3在水中的沉淀溶解平衡曲线如图所示，回答下列问题(注：CaCO3均未完全溶解)。
(1)T1________(填“>”“<”或“＝”)T2。
(2)保持T1不变，怎样使A点变成B点？
____________________________________________________。
(3)在B点，若温度从T1升到T2，则B点变到________点(填“C”、“D”或“E”)。
(结合图像中离子浓度大小的变化去分析、判断出究竟何种外界因素在影响沉淀溶解平衡，解题的关键是能够对图中各点表达的具体含义把握到位)
[例题2] 钡餐造影是指用硫酸钡作为造影剂，在X线照射下显示消化道有无病变的一种检查方法。用于消化道检查的钡餐是药用硫酸钡，即硫酸钡的悬浊液，存在平衡BaSO4(s)Ba2＋(aq)＋SOaq)，下列有关叙述正确的是(　　)
A．BaSO4难溶于水，外界条件改变不会影响BaSO4的溶解性
B．BaSO4达到沉淀溶解平衡时，再加入BaSO4固体，将促进溶解
C．若向BaSO4悬浊液中加入适量蒸馏水，平衡不发生移动
D．若加入适量饱和Na2SO4溶液，Ksp保持不变，c(SO)增大
(例题2出处：2021·山东聊城检测。推荐理由：本题借助于生活中真实的情境，立足应用性，让新情境引发“问题解决”；立足创新性，让新情境拉升“思维品质”，故能够很好地考查学生对新情境的信息提取能力。)
问题4：如何根据沉淀溶解平衡的原理是分析沉淀的生成、溶解与沉淀的转化？
1．沉淀的生成
(1)调节pH法：如除去NH4Cl溶液中的FeCl3杂质，可加入氨水调节pH至4左右，离子方程式为_________________________________________________。
(2)沉淀剂法：如用H2S沉淀Cu2＋，离子方程式为_________________________。
2．沉淀的溶解
(1)酸溶解法： CaCO3溶于盐酸，离子方程式为_________________________________。
(2)盐溶解法：Mg(OH)2溶于NH4Cl溶液，离子方程式为___________________________。
(3)氧化还原溶解法：不溶于盐酸的硫化物Ag2S溶于稀HNO3。
(4)配位溶解法：AgCl溶于氨水，离子方程式为__________________________________。
3．沉淀的转化
(1)锅炉除水垢：将CaSO4转化为CaCO3，离子方程式为________________________。
(2)矿物转化：CuSO4溶液遇ZnS转化为CuS，离子方程式为________________________。
活动三：巩固提升
1．要使工业废水中的Pb2＋沉淀，可用硫酸盐、碳酸盐、硫化物等做沉淀剂，已知Pb2＋与这些离子形成的化合物的溶解度如下：
化合物 PbSO4 PbCO3 PbS
溶解度/g 1.03×10－4 1.81×10－7 1.84×10－14
由上述数据可知，沉淀剂最好选用 ( )
A．硫化物
B．硫酸盐
C．碳酸盐
D．以上沉淀剂均可
2．在一定温度下，当Mg(OH)2固体在水溶液中达到下列平衡时：Mg(OH)2(s) Mg2＋(aq)＋2OH－(aq)，要使Mg(OH)2固体减少而c(Mg2＋)不变，可采取的措施是( )
A．加MgSO4固体
B．加HCl溶液
C．加NaOH固体
D．加少量水
3．化工生产中常用MnS作为沉淀剂除去工业废水中的Cu2＋：Cu2＋(aq)＋MnS(s) CuS(s)＋Mn2＋(aq)。下列说法错误的是 ( )
A．MnS的Ksp比CuS的Ksp大
B．该反应达平衡时c(Mn2＋)＝c(Cu2＋)
C．往平衡体系中加入少量CuSO4固体后，c(Mn2＋)变大
D．该反应的平衡常数K＝
4．工业上采用湿法炼锌过程中，以ZnSO4为主要成分的浸出液中，含有Fe3＋、Fe2＋、Cu2＋、Cl－等杂质，这些杂质对锌的电解工序有妨碍，必须事先除去。现有下列试剂可供选择：①酸性KMnO4溶液　②NaOH溶液　③ZnO　④H2O2溶液　⑤Zn　⑥Fe　⑦AgNO3　⑧Ag2SO4。下列说法不正确的是 ( )
A．用酸性KMnO4溶液将Fe2＋氧化成Fe3＋，再转化为Fe(OH)3沉淀除去
B．用ZnO调节浸出液的酸碱性，可使某些离子形成氢氧化物沉淀
C．在实际生产过程中，加入Ag2SO4可除去Cl－，是利用了沉淀转化的原理
D．也可以用ZnCO3代替ZnO调节溶液的酸碱性
5．已知相同温度下，。某温度下，饱和溶液中、、与的关系如图所示。
下列说法正确的是 ( )
A．曲线①代表的沉淀溶解曲线
B．该温度下的值为
C．加适量固体可使溶液由a点变到b点
D．时两溶液中
6．探究Mg(OH)2的溶解平衡时，利用下表三种试剂进行实验，下列说法中不正确的是 ( )
编号 ① ② ③
分散质 Mg(OH)2 HCl NH4Cl
备注 悬浊液 1 mol·L－1 1 mol·L－1
A．向①中滴加几滴酚酞试液后，溶液显红色，说明Mg(OH)2是一种弱电解质
B．为了使Mg(OH)2悬浊液溶解得更快，加入过量NH4Cl浓溶液并充分振荡，效果更好
C．①、③混合后发生反应：Mg(OH)2(s)＋2NH(aq) Mg2＋(aq)＋2NH3·H2O(aq)
D．向①中加入②，H＋与OH－反应生成H2O，使c(OH－)减小，Mg(OH)2(s)的溶解平衡向溶解方向移动
7．为研究沉淀的生成及其转化，某小组进行如下实验。关于该实验的分析不正确的是 ( )
A．①浊液中存在平衡：AgSCN(s)Ag＋(aq)＋SCN－(aq)
B．②中颜色变化说明上层清液中含有SCN－
C．③中颜色变化说明有AgI生成
D．该实验可以证明AgI比AgSCN更难溶
[参考答案]
1．A
解析：选用的沉淀剂越好，说明溶液中Pb2＋降至越低，即生成的化合物的溶解度越小，故选用硫化物将Pb2＋转化为PbS，A项正确。
2．D
解析：Mg(OH)2(s)Mg2＋(aq)＋2OH－(aq)，A项，加MgSO4固体使该沉淀溶解平衡左移，Mg(OH)2固体增多，c(Mg2＋)变大；B项，加HCl溶液使该沉淀溶解平衡右移，Mg(OH)2固体减少，c(Mg2＋)变大；C项，加NaOH固体使该沉淀溶解平衡左移，Mg(OH)2固体增多，c(Mg2＋)变小；D项，加入水后，Mg(OH)2固体因能够继续溶解减少，但此时为饱和溶液故c(Mg2＋)不变。
3．B
解析：A项，一般情况下，沉淀转化向Ksp小的方向进行，则Ksp(MnS)>Ksp(CuS)；B项，该反应达平衡时c(Mn2＋)、c(Cu2＋)保持不变，但不一定相等误；C项，往平衡体系中加入少量CuSO4固体后，平衡向正反应方向移动，c(Mn2＋)变大；D项，该反应的平衡常数K＝＝＝。
4．A
解析：用酸性KMnO4溶液氧化Fe2＋时，会引入K＋、Mn2＋等新的杂质，这些离子在后续反应中难以除去，影响生产。生产中应该使用H2O2溶液氧化Fe2＋，然后加入ZnO或ZnCO3调节溶液的pH，使Fe3＋等离子形成沉淀。
5．B
解析：A项，由题可知，曲线上的点均为饱和溶液中微粒浓度关系，由上述分析可知，曲线①为BaSO4的沉淀溶解曲线；B项，曲线①为BaSO4溶液中－lg[c(Ba2＋)]与－lg[c()]的关系，由图可知，当溶液中－lg[c(Ba2＋)]＝3时，－lg[c()＝7，则－lg[Ksp(BaSO4)]＝7＋3＝10，因此Ksp(BaSO4)＝1.0×10－10；C项，向饱和BaSO4溶液中加入适量BaCl2固体后，溶液中c(Ba2＋)增大，根据温度不变则Ksp(BaSO4)不变可知，溶液中c()将减小，因此a点将沿曲线①向左上方移动；D项，D．由图可知，当溶液中c(Ba2＋)＝10－5.1时，两溶液中＝＝。
6．A
解析：A项，向①中滴入几滴酚酞试液后，溶液显红色，说明Mg(OH)2发生电离，但无法确定电离程度，无法判断其是否为弱电解质；B项，NH4Cl溶液中的NH与Mg(OH)2电离的OH－结合生成NH3·H2O，使Mg(OH)2悬浊液溶解得更快；C项，①、③混合后，OH－与NH生成NH3·H2O，发生反应：Mg(OH)2(s)＋2NH(aq)Mg2＋(aq)＋2NH3·H2O(aq)；D项，Mg(OH)2悬浊液中加入HCl溶液，H＋与OH－反应生成H2O，使c(OH－)减小，Mg(OH)2(s)的溶解平衡向溶解方向移动。
7．D
解析：A项，根据信息，白色沉淀是AgSCN，存在溶解平衡：AgSCN(s)Ag＋(aq)＋SCN－(aq)；B项，取上层清液，加入Fe3＋出现红色溶液，说明生成Fe(SCN)3，说明溶液中含有SCN－；C项，AgI是黄色沉淀，现象是产生黄色沉淀，说明有AgI产生；D项，可能是c(I－)·c(Ag＋)＞Ksp，出现沉淀。
二、教学建议
1．要注意实验探究与思维探究并重，不能因复习而将完全忽略实验在培养学生自主探究能力。
2．要借助于化学平衡的知识，将难溶电解质的沉淀溶解平衡嵌入到化学平衡之中，将平衡的正向移动与难溶电解质的溶解过程以及平衡的逆向移动与难溶电解质的沉淀过程一一对应。能够用演绎法分析难溶电解质的溶解平衡的相关知识，能从宏观、微观、符号三个角度描述沉淀溶解平衡。
3．在沉淀溶解平衡建立、深化和应用的研究过程中，引导学生加深对复分解反应发生条件的理解。
三、情境素材
1．铜蓝的生成
铜蓝是一种成分为硫化铜的矿物，它的含铜量为66%，是提炼铜的矿石。铜蓝呈蓝色，具有金属光泽，一般为片状，或像一层膜似的覆盖在其他矿物或岩石上，也可像一团烟灰一样。铜蓝主要产在其他铜矿床附近，自然界地表层原生铜的硫化物经氧化、淋滤作用后变成CuSO4溶液，向地下层渗透，遇到难溶的ZnS或PbS，慢慢转变为铜蓝(CuS)。
2．珊瑚礁
提起珊瑚礁，大部分人可能只有一个想法：漂亮！但是鹿角网对此一直保留着一份好奇心，除了美丽之外，珊瑚礁对我而言就像蒙着一层神秘的面纱。只有当你知道它们仅仅占海底的不到2%的面积，却占所有海洋生物的25%时，才能明白这些巨型“水下城市”的重要性。
珊瑚礁的形成与珊瑚密切相关。珊瑚是海洋无脊椎动物，属于刺胞动物门的珊瑚虫纲。珊瑚在结构上是珊瑚虫，珊瑚虫是细长的圆柱体，呈花瓶状。珊瑚生活在细长圆柱体的密集菌落中，就像在一侧打开的锡罐一样。珊瑚虫的开口末端有一个被圆形触手包围的嘴。这些触手提供了食物来源，因为它们有像线虫囊这样的特殊细胞，为珊瑚虫提供了捕捉路过的小生物的能力。
珊瑚礁的组成包含珊瑚群落和由碳酸钙构成的坚硬骨架。一座珊瑚礁的形成是由一种非常重要的共生关系引起的，这种共生关系存在于珊瑚和一种名为虫黄藻的单细胞藻类之间。这些藻类进行光合作用，并与宿主分享一些食物。反过来，珊瑚为藻类提供了一些急需的营养。这种安排使珊瑚快速生长，有助于建造巨大的珊瑚礁，前提是它们不受人类种群的破坏或影响。
虫黄藻利用阳光进行光合作用来制造食物，并将这种“食物”作为与珊瑚交换营养的工具。它们还分泌碳酸钙：Ca2＋＋2CaCO3＋CO2＋H2O，形成坚固的珊瑚礁骨架。珊瑚礁一般生长缓慢，大约每年一英寸，但人们发现生长较快的珊瑚礁以每年6英寸的速度生长。
地球上不断上升的二氧化碳水平令人担忧，因为这会导致海平面上升和海洋酸化。水位的上升导致珊瑚失去了帮助珊瑚获取食物的虫黄藻。这种情况被称为珊瑚白化，在其持续的影响下，珊瑚群落会逐渐完全死亡。酸性的海洋也使得珊瑚很难在碳酸钙骨架上形成珊瑚礁。如果酸化加剧，也会破坏现有的珊瑚。科学家们做出了一个灾难性的预测：到2080年，我们海洋的酸化程度将足以溶解世界上所有的珊瑚礁。
所以为了保护珊瑚礁，除了采取正确的行动应对气候变化外，还必须建立健康的捕鱼方式。很明显，现在受到保护的珊瑚礁更加健康，珊瑚的数量也持续增长。人们通过一个名为“ARMS”的项目，在海底种植类似珊瑚礁的结构，模仿碳酸盐骨架的特征，对处境艰难的群落进行干预，以吸引小型海洋无脊椎动物。
这些“海洋建筑”颜色鲜艳美丽，除去装饰作用不提，还有很高的药用价值，但是相对于药用价值而言它在环境方面的作用更是无可替代的。珊瑚是狭适应性的生物，对环境品质的要求很严格，也对环境的改变非常敏感，所以在评估环境污染方面可以起到重要作用。
3．氟化物防治龋齿
20世纪50年代初，流行病学研究发现氟化物具有阻止龋齿发生的作用。1955年，添加氟化亚锡(SnF2)的牙膏问世。后来，一氟磷酸钠(Na2PO3F)代替了氟化亚锡，成为世界上防龋研究中最广泛应用的一种氟化物。如今被添入牙膏预防龋齿的氟化物还有氟化钠和氟化锶等。专家们普遍认为，当提供的氟离子的浓度相等时，所有这些氟化物防治龋齿的作用是相同的。
龋齿可能是由口腔细菌在糖代谢过程中释放出来的有机酸穿透牙釉质表面使牙齿的矿物质——羟(基)磷灰石[Ca2(PO4)3OH]溶解造成的。由于细菌在牙齿表面形成一层黏附膜——齿斑(或称菌斑)，这些有机酸能够长时间地跟牙齿表面密切接触，使羟(基)磷灰石溶解：
Ca5(PO4)3OH＋4H＋5Ca2＋＋3＋H2O
饮水、食物和牙膏里的氟离子会跟羟(基)磷灰石发生沉淀的转化生成氟磷灰石：
Ca5(PO4)3OH＋F－Ca5(PO4)3F＋OH－
溶解度研究证实氟磷石比羟磷灰石更能抵抗酸的侵蚀。这是由于氟离子体积小于氢氧根离子，在磷灰石晶体结构里更匹配。此外，氟离子还能抑制口腔细菌产酸。含氟牙膏已经使全世界千百万人减少龋齿，使人们的牙齿更健康。
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