小議質子條件式的書寫

劉　潔

(湖北科技學院　核技術與化學生物學院，湖北　咸寧　437100)

小議質子條件式的書寫

劉潔

(湖北科技學院核技術與化學生物學院，湖北咸寧437100)

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

關鍵詞：酸堿質子理論；質子條件式；書寫方法

酸堿水溶液是復雜的多重平衡體系，各物種平衡濃度之間的關系錯綜復雜。質子條件式是解決電解質溶液酸堿平衡問題的有力工具，并且可以進一步求算氫離子濃度。但是很多教材對于這一問題要么含糊不清，要么過于簡單[1～3]。筆者結合自身教學經驗，試著從質子條件式的定義、作用以及書寫方法等幾方面進行論述。

一、何謂質子條件式

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，指電解質在平衡狀態時，與某溶質相關的各種型體平衡濃度之和等于它的分析濃度，其數學表達式即物料平衡方程，簡寫為MBE(mass balance equation)。其二是電荷平衡，指電解質溶液處于平衡狀態時，所有陽離子所帶正電荷總和等于所有陰離子所帶負電荷總和，其數學表達式稱為電荷平衡方程，簡寫為CBE(charge balance equation)。最后就是質子平衡。

按照酸堿質子理論，凡是能給出質子(H+)的物質叫酸，凡是能接受質子的物質叫堿，酸堿反應的實質是質子的轉移。弱電解質在水溶液中的電離也可以看作酸堿反應。如NaAc水溶液中，AC-可以接受質子，屬于酸；H2O可以給出質子，屬于堿。NaAc在水溶液中的電離平衡，實質就是Ac-與H2O之間進行質子轉移的酸堿反應。當酸堿反應達到平衡時，酸失去質子的數目必然等于堿得到質子的數目，即酸失去質子后的產物與堿得到質子后的產物在濃度上必然有一定的關系。這種關系式即為質子條件式，又叫質子平衡方程(proton balance equation)，簡稱PBE。

二、為什么寫質子條件式

如前所述，質子條件式是關于質子得失產物平衡濃度的關系式。電解質水溶液中的溶劑H2O作為兩性物質，必然會參與質子轉移過程，其產物H+和OH-的平衡濃度必然會出現在質子條件式中。當我們利用平衡關系找出其它參數與H+濃度的關系，最后就可以得出求算H+濃度的數學表達式。

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

三、如何書寫質子條件式

質子條件式的書寫通常有兩種方法。方法一是代入法，即結合物料平衡方程(MBE)和電荷平衡方程(CBE)，通過數學變換可以得到PBE的表達式。

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：繪出質子參考水準得失質子示意圖(見圖1)，包括得失質子的產物和得失質子的物質的量。

(得質子)(質子參考水準)(失質子)

圖1　Na2CO3(aq)的質子得失示意圖

對于多元酸堿組分一定要注意其平衡濃度前面的系數，它等于與質子參考水準相比較時該型體得失質子的量。

普遍認為圖示法較簡潔、明了，但也有一些例外，比如：

HAc(amol·L-1)+NaAc(bmol·L-1)的PBE

這是一個混合體系，如果采用圖示法，較難準確找出質子參考水準。此時若采用代入法，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：聯立MBE和CBE，即將④、⑤代入⑥得PBE表達式為[H+]+b= [OH-]+[Ac-]或[H+]+[HAc] = [OH-]+a

四、應用實例

例1. (NH4)2HPO4(aq)的PBE

圖2　 (NH4)2HPO4(aq)的質子得失示意圖

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：聯立MBE和CBE，即將⑦、⑧代入⑨得PBE表達式為

五、結語

質子條件式的書寫是尋求電解質溶液H+濃度的捷徑，從而可以進一步為酸堿滴定理論和實驗的教學奠定基礎。因此，快速、準確地進行質子條件式的書寫顯得尤其重要。其中，對于單一組分PBE的書寫，圖示法是首選；而對于多組分體系，代入法則顯得更為實用。在書寫PBE的過程中需要注意的是PBE表達式中不會出現與質子得失產物無關的項；對于多元酸堿組分其平衡濃度前面的系數等于與質子參考水準相比較時該型體得失質子的量。

參考文獻：

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

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

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

文章編號：2095-4654(2016)03-0076-02

* 收稿日期：2015-12-19

基金項目：湖北科技學院教研資助項目(2015XB005)

中圖分類號：G424.1

文獻標識碼：A