淺議碳酸氫銨溶液教學(xué)中的幾個(gè)問(wèn)題

朱建民

摘要：NH4HCO3水溶液中存在多個(gè)平衡，且每個(gè)平衡之間既相互聯(lián)系、又相互制約。在此，著重探討了溶液堿性強(qiáng)弱、HCO3—自偶電離對(duì)溶液堿性強(qiáng)弱的影響、滴加NaOH溶液時(shí)OH和NH4+、HCO3反應(yīng)秩序等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：平衡；自偶電離；反應(yīng)秩序

文章編號(hào)：1008-0546（2016）02-0000-00 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.02.000

在NH4HCO3水溶液中存在多個(gè)平衡，不僅有HCO3—、NH4+的兩個(gè)水解平衡，還存在著HCO3—、水的電離平衡，且每個(gè)平衡之間既相互聯(lián)系、又相互制約。若是片面（只研究某一個(gè)或某幾個(gè)平衡）、孤立（把其中平衡看成是獨(dú)立體系）地分析溶液的有關(guān)性質(zhì)，易出現(xiàn)錯(cuò)誤。

一、水溶液堿性強(qiáng)弱

實(shí)驗(yàn)1 取少量0.1 mol·L-1 NH4HCO3溶液，加酚酞試液，僅現(xiàn)微紅色。溶液顯弱堿性。

實(shí)驗(yàn)2 配制飽和碳酸氫銨溶液，25℃時(shí)，pH計(jì)測(cè)得pH=7.8。

實(shí)驗(yàn)3 0.1 mol·L-1 NH4HCO3水溶液，25℃時(shí)，pH計(jì)測(cè)得pH=7.2。

1. 定性分析

對(duì)于NH4HCO3溶液而言，存在如下4個(gè)平衡：

①H2OH+ + OH- 對(duì)應(yīng)有 Kw =c（OH—）×c（H+）

②NH4+ + H2ONH3·H2O + H+

K（NH4+）水解==

③HCO3—H++ CO32— 對(duì)應(yīng)有=Ka2

④HCO3—+ H2OH2CO3+ OH- 對(duì)應(yīng)有

K（HCO3-）水解==

常溫下，Kw =1.0×10-14，NH3·H2O的 Kb =1.77×10-5代入求得：

水解常數(shù)：K（NH4+）水解= 5.65×10-10，K（HCO3-）水解= 2.32×10-8， Ka2=5.61×10-11。

故有K（HCO3—）水解>K（NH4+）水解> K2（碳酸），即HCO3—水解是主要的，其次是NH4+水解，而HCO3—電離最小。HCO3—水解顯堿性，盡管NH4+水解顯酸性， HCO3—電離顯酸性，但溶液中還是有c（OH—） > c（H+），即溶液顯堿性，由于水解程度不大，故顯弱堿性。

2. 定量分析（以0.1 mol·L-1 NH4HCO3水溶液為例）

在NH4HCO3溶液中，存在：

電荷守恒：

c（H+）+ c（NH4+）= c（OH—） + c（HCO3—） +2c（CO32—）

投料守恒：

c（NH3·H2O ）+ c（NH4+）= c（H2CO3） + c（HCO3—） +c（CO32—）

得質(zhì)子守恒：

c（H+）+ c（H2CO3）= c（OH—） + c（NH3·H2O）+ c（CO32—）

即：c（H+）= c（OH—） + c（NH3·H2O ）+ c（CO32—） ― c（H2CO3）

整理有：

c（H+）=++-

由于K（HCO3—）水解= 2.32×10-8， Ka2=5.61×10-11，均較小，故在NH4HCO3溶液中，NH4+與HCO3—離解均很小，故可近似認(rèn)為：c（NH4+）=0.1 mol·L-1，c（HCO3—）= 0.1 mol·L-1。有：

c（H+）=++-

在常溫下，代入相關(guān)數(shù)值，計(jì)算可得：

c（H+）=4.93×10-8 mol·L-1

pH=7.3

結(jié)論：顯弱堿性。且與實(shí)驗(yàn)測(cè)得值基本吻合。但與實(shí)驗(yàn)值還有誤差，這可能實(shí)測(cè)的是H+的活度，而不是濃度，還應(yīng)考慮離子強(qiáng)度的影響，在此不再分析。

2. HCO3—“自偶電離”對(duì)溶液堿性影響

水解的本質(zhì)，實(shí)際上是相關(guān)離子結(jié)合了水電離出來(lái)的H+或OH-，在NH4HCO3溶液中，HCO3-離子實(shí)際上不但可以去結(jié)合水電離出來(lái)的H+，也可以去結(jié)合HCO3-本身電離出來(lái)的H+。由于HCO3-的電離常數(shù)Ka2=5.61×10-11，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水的電離常數(shù)（在稀溶液中，水的電離常數(shù)實(shí)際上為10-14/55.6=1.8×10-16），兩者比較，相差5個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，HCO3-更“愿意”更“喜歡”去結(jié)合本身“自己”電離出來(lái)的H+，這就是“自偶電離”。分析如下：

HCO3- + HCO3-H2CO3 + CO32- 自偶電離

HCO3- + H2OH2CO3+OH-

水解平衡，據(jù)上計(jì)算有K水解= 2.32×10-8。

當(dāng)考慮HCO3- + HCO3-H2CO3 + CO32- 自偶電離時(shí)，從誤差理論分析上看，可以忽略水的電離，水解也可忽略，后面計(jì)算結(jié)果可說(shuō)明。

因此，NH4HCO3溶液中c（HCO3-）大小，與其酸式根離子自偶電離常數(shù)的大小有關(guān)：

HCO3—+HCO3—H2CO3+CO32—

K（HCO3—自偶電離常數(shù)）

顯然K（自偶）=Ka2/Ka1，則

K（HCO3—自偶電離常數(shù)）===1.3×10-4

K（HCO3—自偶電離常數(shù)）比K水解=2.32×10-8大4個(gè)數(shù)量級(jí)，可忽略HCO3-水解平衡的影響是較合理的。

因此在NH4HCO3溶液中，除c（HCO3—）是主要的外，應(yīng)考慮c（CO32—）、c（H2CO3）的大小對(duì)溶液酸堿性的影響。即H2CO3的電離與CO32—的水解不能忽略。因此NH4HCO3溶液中應(yīng)存在6個(gè)平衡，即還應(yīng)考慮H2CO3的電離平衡和CO32—的水解平衡。

⑤H2CO3H++ HCO3— 對(duì)應(yīng)有Ka1=

⑥CO32—+H2OH2CO3—+ OH- 對(duì)應(yīng)有 K（CO32-）水解==

Ka1=4.30×l0-7 K（CO32—）水解= 1.78×10-2

即有K（CO32—）水解> Ka1

綜合比較電離及水解常數(shù)：

K（NH4+）水解= 5.65×10-10，K（HCO3—）水解= 2.32×10-8，Ka1=4.30×10-7，

Ka2=5.61×10-11 ，K（CO32—）水解= 1.78×10-2，

有：K（CO32—）水解> Ka1>K（HCO3—）水解> K（NH4+）水解>K2（碳酸）

從上分析可知，HCO3—“自偶電離”出的c（CO32—）與c（H2CO3）近似相等，對(duì)NH4HCO3溶液顯堿性影響不大，但對(duì)溶液中的c（OH—）影響是較大的。

3. NH4HCO3溶液中加NaOH，OH和NH4+、HCO3—反應(yīng)秩序

3.1假設(shè)

假設(shè)一 NH4+先參加反應(yīng)。則得到NH3·H2O，而NH3·H2O是能和NaHCO3溶液反應(yīng)得到Na2CO3和（NH4）2CO3，即該假設(shè)錯(cuò)誤，說(shuō)明HCO3—離子應(yīng)先和OH—離子先反應(yīng)。

假設(shè)二 HCO3—先參加反應(yīng)。得到CO32—，即此時(shí)的溶液中有（NH4）2CO3。而對(duì)于（NH4）2CO3來(lái)說(shuō)，不但有NH4+的水解，同時(shí)存在CO32—的水解，兩種離子相互促進(jìn)水解，經(jīng)計(jì)算，0.1 mol·L-1 （NH4）2CO3水解程度達(dá)到了90%，即（NH4）2CO3溶液實(shí)際上就是NaHCO3和NH3·H2O的混合物溶液了，或者說(shuō)HCO3—能和NH3·H2O共存。

以上兩種假設(shè)出現(xiàn)了矛盾，問(wèn)題出在哪？

在NH4HCO3溶液中滴加NaOH溶液，主要發(fā)生以下兩個(gè)過(guò)程：

①NH4+ + OH—NH3·H2O

②HCO3―+ OH―H2O+ CO32―

對(duì)于反應(yīng)①：K====5.65×104

對(duì)于反應(yīng)②：K==

==5.61×103

顯然，從反應(yīng)的可能性分析，在NH4HCO3溶液中滴加NaOH溶液，首先發(fā)生反應(yīng)的是NH4+離子，其次是HCO3—。但從數(shù)據(jù)上分析，先后并不明顯，兩者應(yīng)屬平行反應(yīng)。

3.2計(jì)算機(jī)建模作圖

在0.1 mol·L-1 NH4HCO3溶液中，加NaOH固體后，利用Wolfram Mathematica 8計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)作圖，可得到NH4+、NH3·H2O分子、HCO3-、CO32-等粒子濃度變化情況，如下圖：

從上圖中可以看出，在NH4HCO3溶液中加固體NaOH后，NH4+濃度首先下降，NH3·H2O分子濃度先升高，說(shuō)明NH4+先和OH―離子反應(yīng)。但，HCO3―隨后濃度也在減小。

結(jié)論：反應(yīng)確有先后之分，但并不明顯。因此，在教學(xué)中，加入一定量NaOH后，主要反應(yīng)可以寫(xiě)。另外溶液堿性的強(qiáng)弱，也影響NH4+、HCO3―離子濃度減少的快慢。即堿性越強(qiáng)，這兩種離子濃度同時(shí)變小，而且NH4+離子濃度隨pH的變化幅度更大。

參考文獻(xiàn)

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