小議質(zhì)子條件式的書寫

劉　潔

(湖北科技學(xué)院　核技術(shù)與化學(xué)生物學(xué)院，湖北　咸寧　437100)

小議質(zhì)子條件式的書寫

劉潔

(湖北科技學(xué)院核技術(shù)與化學(xué)生物學(xué)院，湖北咸寧437100)

摘要：論述了質(zhì)子條件式的定義、作用、書寫方法以及注意事項(xiàng)，為師生的教學(xué)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：酸堿質(zhì)子理論；質(zhì)子條件式；書寫方法

酸堿水溶液是復(fù)雜的多重平衡體系，各物種平衡濃度之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜。質(zhì)子條件式是解決電解質(zhì)溶液酸堿平衡問題的有力工具，并且可以進(jìn)一步求算氫離子濃度。但是很多教材對(duì)于這一問題要么含糊不清，要么過于簡(jiǎn)單[1～3]。筆者結(jié)合自身教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，試著從質(zhì)子條件式的定義、作用以及書寫方法等幾方面進(jìn)行論述。

一、何謂質(zhì)子條件式

處理水溶液中酸堿平衡的方法通常稱為三大平衡。其一是物料平衡，指電解質(zhì)在平衡狀態(tài)時(shí)，與某溶質(zhì)相關(guān)的各種型體平衡濃度之和等于它的分析濃度，其數(shù)學(xué)表達(dá)式即物料平衡方程，簡(jiǎn)寫為MBE(mass balance equation)。其二是電荷平衡，指電解質(zhì)溶液處于平衡狀態(tài)時(shí)，所有陽離子所帶正電荷總和等于所有陰離子所帶負(fù)電荷總和，其數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為電荷平衡方程，簡(jiǎn)寫為CBE(charge balance equation)。最后就是質(zhì)子平衡。

按照酸堿質(zhì)子理論，凡是能給出質(zhì)子(H+)的物質(zhì)叫酸，凡是能接受質(zhì)子的物質(zhì)叫堿，酸堿反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是質(zhì)子的轉(zhuǎn)移。弱電解質(zhì)在水溶液中的電離也可以看作酸堿反應(yīng)。如NaAc水溶液中，AC-可以接受質(zhì)子，屬于酸；H2O可以給出質(zhì)子，屬于堿。NaAc在水溶液中的電離平衡，實(shí)質(zhì)就是Ac-與H2O之間進(jìn)行質(zhì)子轉(zhuǎn)移的酸堿反應(yīng)。當(dāng)酸堿反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，酸失去質(zhì)子的數(shù)目必然等于堿得到質(zhì)子的數(shù)目，即酸失去質(zhì)子后的產(chǎn)物與堿得到質(zhì)子后的產(chǎn)物在濃度上必然有一定的關(guān)系。這種關(guān)系式即為質(zhì)子條件式，又叫質(zhì)子平衡方程(proton balance equation)，簡(jiǎn)稱PBE。

二、為什么寫質(zhì)子條件式

如前所述，質(zhì)子條件式是關(guān)于質(zhì)子得失產(chǎn)物平衡濃度的關(guān)系式。電解質(zhì)水溶液中的溶劑H2O作為兩性物質(zhì)，必然會(huì)參與質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程，其產(chǎn)物H+和OH-的平衡濃度必然會(huì)出現(xiàn)在質(zhì)子條件式中。當(dāng)我們利用平衡關(guān)系找出其它參數(shù)與H+濃度的關(guān)系，最后就可以得出求算H+濃度的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

如HAc水溶液中H+濃度的求算，首先寫出PBE為[H+] = [OH-]+[Ac-]；其次依據(jù)弱酸的解離常數(shù)和水的離子積常數(shù)將[Ac-]=

三、如何書寫質(zhì)子條件式

質(zhì)子條件式的書寫通常有兩種方法。方法一是代入法，即結(jié)合物料平衡方程(MBE)和電荷平衡方程(CBE)，通過數(shù)學(xué)變換可以得到PBE的表達(dá)式。

如：cmol·L-1Na2CO3(aq)的PBE

先寫MBE:[Na+]=2c

①

②

再寫CMB:[H+]+[Na+]= [OH-]

③

方法二是圖示法。還是以上述“cmol·L-1Na2CO3(aq)的PBE”為例說明。

第二步：繪出質(zhì)子參考水準(zhǔn)得失質(zhì)子示意圖(見圖1)，包括得失質(zhì)子的產(chǎn)物和得失質(zhì)子的物質(zhì)的量。

(得質(zhì)子)(質(zhì)子參考水準(zhǔn))(失質(zhì)子)

圖1　Na2CO3(aq)的質(zhì)子得失示意圖

對(duì)于多元酸堿組分一定要注意其平衡濃度前面的系數(shù)，它等于與質(zhì)子參考水準(zhǔn)相比較時(shí)該型體得失質(zhì)子的量。

普遍認(rèn)為圖示法較簡(jiǎn)潔、明了，但也有一些例外，比如：

HAc(amol·L-1)+NaAc(bmol·L-1)的PBE

這是一個(gè)混合體系，如果采用圖示法，較難準(zhǔn)確找出質(zhì)子參考水準(zhǔn)。此時(shí)若采用代入法，問題則馬上迎刃而解。

第一步：寫出MBE

[Na+]=b

④

[Ac-]+[HAc]=a+b

⑤

第二步：寫出CBE

[H+]+[Na+] = [OH-]+[Ac-]

⑥

第三步：聯(lián)立MBE和CBE，即將④、⑤代入⑥得PBE表達(dá)式為[H+]+b= [OH-]+[Ac-]或[H+]+[HAc] = [OH-]+a

四、應(yīng)用實(shí)例

例1. (NH4)2HPO4(aq)的PBE

圖2　 (NH4)2HPO4(aq)的質(zhì)子得失示意圖

例2. HCl(0.10 mol·L-1)和H2SO4(0.20 mol·L-1)的混合溶液的PBE。

這是混合體系，所以采用代入法。

第一步：寫出MBE

[Cl-]=0.10

⑦

=0.20

⑧

第二步：寫出CBE

⑨

第三步：聯(lián)立MBE和CBE，即將⑦、⑧代入⑨得PBE表達(dá)式為

五、結(jié)語

質(zhì)子條件式的書寫是尋求電解質(zhì)溶液H+濃度的捷徑，從而可以進(jìn)一步為酸堿滴定理論和實(shí)驗(yàn)的教學(xué)奠定基礎(chǔ)。因此，快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行質(zhì)子條件式的書寫顯得尤其重要。其中，對(duì)于單一組分PBE的書寫，圖示法是首選；而對(duì)于多組分體系，代入法則顯得更為實(shí)用。在書寫PBE的過程中需要注意的是PBE表達(dá)式中不會(huì)出現(xiàn)與質(zhì)子得失產(chǎn)物無關(guān)的項(xiàng)；對(duì)于多元酸堿組分其平衡濃度前面的系數(shù)等于與質(zhì)子參考水準(zhǔn)相比較時(shí)該型體得失質(zhì)子的量。

參考文獻(xiàn)：

[1]華中師范大學(xué).分析化學(xué)上冊(cè)(第四版)[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2]武漢大學(xué).分析化學(xué)上冊(cè)(第五版)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]華東理工大學(xué)分析化學(xué)教研組，四川大學(xué)工科化學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)基地.分析化學(xué)(第六版)[M].北京：高等教育出版社，2009.

文章編號(hào)：2095-4654(2016)03-0076-02

* 收稿日期：2015-12-19

基金項(xiàng)目：湖北科技學(xué)院教研資助項(xiàng)目(2015XB005)

中圖分類號(hào)：G424.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A