校正法書寫混合溶液的質(zhì)子守恒式

徐志宏

摘要：分析混合與單一溶液的質(zhì)子守恒式的差別，提出可快速書寫混合溶液中質(zhì)子守恒式的方法——校正法，闡述基礎(chǔ)溶液的選擇原則、修正項表達式的書寫規(guī)律，并結(jié)合試題詳細介紹校正法的使用方法。

關(guān)鍵詞：質(zhì)子守恒式；混合溶液；校正法；校正項表達式

文章編號：1005-6629（2018）1-0087-05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

質(zhì)子守恒是有關(guān)化學反應原理的重要知識。溶液中質(zhì)子守恒式的書寫，不僅能考查學生核心知識的掌握情況，而且符合高考“以能力測試為主導”的要求，有效檢測學生運用核心知識分析解決實際問題的化學素養(yǎng)。近年來，書寫混合溶液的質(zhì)子守恒式，已經(jīng)在全國各地的高考試卷中頻繁出現(xiàn)，成為能力考查的熱點題型。

1研究現(xiàn)狀

目前，質(zhì)子守恒式的書寫主要采用質(zhì)子參考水準法。一般做法是先在矩形框中列出溶液中的質(zhì)子參考水準，然后在其左側(cè)和右側(cè)分別列出得失質(zhì)子產(chǎn)生的各種微粒，再通過與質(zhì)子參考水準對照確定形成每種微粒轉(zhuǎn)移的質(zhì)子數(shù)目，最后根據(jù)“產(chǎn)物得到的質(zhì)子總數(shù)=產(chǎn)物失去的質(zhì)子總數(shù)”寫出質(zhì)子守恒式。也有根據(jù)“水實際提供的氫離子=水實際提供的氫氧根”書寫質(zhì)子守恒式的，兩者本質(zhì)相同。要注意的是，在共軛型混合溶液中，計算產(chǎn)物得失質(zhì)子總數(shù)時，無論采取哪種依據(jù)，都要剔除另一種共軛酸（或共軛堿）對表達式的影響。因此，無論選擇哪種質(zhì)子參考水準，直接寫出的質(zhì)子守恒式中都有一個常數(shù)項。

例如，在濃度分別為a、b的Na₂CO₃和NaHCO₃混合溶液中，選擇CO^2-₃和H₂O為質(zhì)子參考水準，得到的質(zhì)子守恒式為：c（H⁺）+[c（HCO^-₃）-b]+2c（HVCO₃）=c（OH^-）①

選擇HCO^-₃和H₂O為質(zhì)子參考水準，得到的質(zhì)子守恒式為：

c（H⁺）+c（H₂CO₃）=c（OH^-）+[c（CO^2-₃）-a]②

從近年的文獻來看，研究者主要關(guān)注三個問題：第一，如何選擇質(zhì)子參考標準；第二，應該選擇幾個質(zhì)子參考標準；第三，如何進行多個質(zhì)子守恒式的合并。

其實，這三個問題早有研究者給出了答案。選擇質(zhì)子參考標準時，對非共軛體系應該選擇參與質(zhì)子轉(zhuǎn)移的不同組分和水作為質(zhì)子參考標準，在共軛體系中同一組分每次只要任意選擇一種型體和水作為質(zhì)子參考標準（一般選擇大量存在的型體）。此處，將不能通過結(jié)合質(zhì)子相互轉(zhuǎn)化的微?？闯刹煌M分，將能夠通過結(jié)合質(zhì)子相互轉(zhuǎn)化的微粒看成同一組分的不同型體。

例如在Na₂CO₃和NaHCO₃混合溶液中，CO^2-₃和HCO^-₃能夠通過得失1個質(zhì)子相互轉(zhuǎn)化，應該看成是同一組分H_iCO^（2-i）-₃的不同型體，在選擇質(zhì)子參考標準時只要選擇一個。在NH4 H2POrt溶液中，NH⁺₄和H₂PO^-₄不能夠通過得失質(zhì)子相互轉(zhuǎn)化，應該看成是兩種不同組分，在選擇質(zhì)子參考標準時要同時選中。

第二和第三個問題，本質(zhì)上是同一個問題，即如何消去質(zhì)子守恒式中的常數(shù)項。細心的研究者可以發(fā)現(xiàn)，與大學階段不同，中學階段最終書寫的質(zhì)子守恒式中都沒有常數(shù)項。這就需要在基于某個質(zhì)子參考標準直接寫出質(zhì)子守恒式之后，通過多個等式的合并來消去常數(shù)項。或許是由于對該操作目的性認識的缺失，部分研究者才會不斷提出“如何書寫濃度不同的混合溶液的質(zhì)子守恒式”這個偽課題，作出同一溶液中不同質(zhì)子參考標準不等效的錯誤論斷，或采取舍棄常數(shù)項而直接乘以濃度進行合并的錯誤做法。

通常，多數(shù)研究者會采取選擇不同質(zhì)子參考標準的策略寫出兩個質(zhì)子守恒式，進而合并消去常數(shù)項。值得注意的是，合并不是簡單的加減，可能還要緊扣消去常數(shù)項這個目的乘以或除以一定的系數(shù)。

例如，在濃度分別為a、b的Na₂CO₃和NaHCO₃混合溶液中，采?、偈?②式的處理方法就無法消去常數(shù)項a和b，而應該采?、偈健羇+②式×b的做法。處理后的結(jié)果為：

（a+b）×c（H⁺）+a×c（HCO^-₃）+（2a+b）

×c（H₂CO₃）=b×c（CO^2-₃）+（a+b）×c（OH^-）③

此外，消去常數(shù)項也可以通過物料守恒代人法進行處理。文獻“用組分分離法書寫混合溶液的質(zhì)子守恒式”、“雙組分混合溶液中質(zhì)子守恒式的書寫”和“框圖法書寫混合溶液質(zhì)子守恒式的改進”本質(zhì)上就是采用該方法來消去常數(shù)項的。

2校正法書寫混合溶液的質(zhì)子守恒式

校正法是根據(jù)化學平衡“只與反應條件和反應物的用量有關(guān)”的特點而首創(chuàng)的一種快速書寫混合溶液中質(zhì)子守恒式的方法。該方法忽略混合溶液中溶質(zhì)之問的具體反應，直接把溶液看成“不反應”的基礎(chǔ)溶液和外加溶液兩部分，通過校正外加溶液中相關(guān)微粒對基礎(chǔ)溶液的質(zhì)子守恒式的影響，得出混合溶液的質(zhì)子守恒式。endprint

2.1校正法的原理推導

將上述③式變形，有：

仔細觀察，還會發(fā)現(xiàn)④式的剩余部分與Na₂CO₃溶液中質(zhì)子守恒式c（H⁺）+c（HCO^-₃）+2c（H₂CO₃）=c（OH^-）相同，⑤式的剩余部分與NaHCO₃溶液中質(zhì)子守恒式c（H⁺）+c（H₂CO₃）=c（CO^2-₃）+c（OH^-）相同。所以，在書寫混合溶液的質(zhì)子守恒式時，可以先寫出基礎(chǔ)溶液中的質(zhì)子守恒式，再通過減去外加溶液中相關(guān)粒子的初始濃度進行校正，從而得出混合溶液中的質(zhì)子守恒式。此處“外加溶液”既可以是后來加入的溶液，也可以是選為基礎(chǔ)溶液之外的溶液。而“初始濃度”既可以理解為幾種溶液充分反應后，各物質(zhì)在混合溶液中的實際濃度；也可以理解為暫不考慮物質(zhì)之間的反應，而根據(jù)稀釋規(guī)律直接求得的濃度。根據(jù)等效平衡原理，這兩種處理方法最終得到的質(zhì)子守恒式是完全相同的，使用者可根據(jù)自己的習慣和實際情況靈活選用。其中，第二種處理方法可以避免學習者糾結(jié)于具體的反應過程，減少了大量的計算和判斷，給解題帶來了極大便利。

2.2基礎(chǔ)溶液的選擇原則

校正法本質(zhì)上是基于質(zhì)子參考標準，對外加溶液提供的型體（或組分）的濃度常數(shù)項進行形式上的校正處理，所以選擇基礎(chǔ)溶液的原則與選擇質(zhì)子參考標準的要求相同。例如，在Na₂C₂O₄和H₂C₂O₄混合溶液中，C₂O^2-₄與H₂C₂O₄能夠通過得失2個質(zhì)子相互轉(zhuǎn)化，屬于共軛體系，所以可以選擇Na₂C₂O₄為基礎(chǔ)溶液，把H₂C₂O₄看成外加溶液；也可以選擇H₂C₂O₄為基礎(chǔ)溶液，把Na₂C₂O₄看成外加溶液。又如，在Na₂C₂O₄和Na₂CO₃混合溶液中，C₂O^2-₄和CO^2-₃不能夠通過得失質(zhì)子相互轉(zhuǎn)化，屬于非共軛體系，Na₂C₂O₄和Na₂CO₃必須同時選為基礎(chǔ)溶液。

2.3校正項表達式的書寫規(guī)律

根據(jù)化學平衡移動原理，只要沒有產(chǎn)生氣體或沉淀，平衡時質(zhì)子守恒式只與投料條件有關(guān)，而與具體投料方式無關(guān)。所以，濃度分別為a、b的Na₂CO₃和NaHCO₃混合溶液，可以看成是由下列（1）、（2）、（3）三種情況的混合溶液反應而成。

2.4校正法書寫混合溶液中質(zhì)子守恒式的步驟

（1）選擇基礎(chǔ)溶液，寫出原始濃度時的質(zhì)子守恒式。

例如，在10mL0.3moL/L CH₃COOH溶液與20mL0.6mol/L NaOH溶液混合時，如果考慮CH₃COOH與NaOH的反應，得到CH₃COONa與NaOH混合溶液，屬于非共軛型混合溶液，應該選擇CH₃COONa溶液為基礎(chǔ)溶液，其質(zhì)子守恒式為c（OH^-）=c（CH₃COOH）+c（H⁺）。如果暫不考慮兩者的反應，也屬于非共軛型混合溶液，應該選擇CH₃COOH溶液為基礎(chǔ)溶液，其質(zhì)子守恒式⑥為c（OH^-）+c（CH₃COO^-）=c（H⁺）。

接下來的分析，都以暫不考慮CH3COOH與NaOH的反應為基礎(chǔ)進行分析。

（2）根據(jù)基礎(chǔ)溶液，求出混合溶液中各組分的原始濃度。

在上例中，第二種情況時CH₃COOH的原始濃度endprint