深度剖析質(zhì)子守恒式的書寫

◇　江蘇　張而立

(作者單位：南通大學附屬中學)

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深度剖析質(zhì)子守恒式的書寫

◇江蘇張而立

在比較溶液中離子濃度大小時經(jīng)常用到3個守恒關(guān)系是電荷守恒、物料守恒和質(zhì)子守恒,其中質(zhì)子守恒表達式最為難寫,易于出錯,如能掌握一種行之有效又較為簡單快捷的書寫質(zhì)子守恒式的方法,可加快離子濃度大小比較題的解題速度,并提高準確率．本文向大家介紹一種靈巧又可靠的書寫質(zhì)子守恒式的方法．

所謂“質(zhì)子守恒”是指在鹽的水解、酸堿電離平衡體系的建立過程中，所有質(zhì)子(H+)供給體所提供的質(zhì)子總數(shù)必定等于所有質(zhì)子接受體所得到的質(zhì)子總數(shù)．如NaAc溶液中,與質(zhì)子供受有關(guān)的微粒為H2O、Ac-,在建立平衡的過程中,H2O得質(zhì)子產(chǎn)生H3O+、失質(zhì)子產(chǎn)生OH-,Ac-只能得質(zhì)子產(chǎn)生HAc,不能失質(zhì)子．將上述過程繪制成圖1(其中“×”表示該過程不能發(fā)生).

圖1

依據(jù)圖示及 “失去質(zhì)子數(shù)等于得到質(zhì)子數(shù)”關(guān)系,不難得出:c(H3O+)+c(HAc)=c(OH-) [注:式中c(H3O+)即為c(H+),下同]，該式即為NaAc溶液中的質(zhì)子守恒表達式．

這種寫質(zhì)子守恒式的方法,較通常使用的“電荷、物料平衡法”更為高效,易于操作,但要正確運用此種方法,關(guān)鍵有2點:

1) 找出溶液中直接參與質(zhì)子轉(zhuǎn)移的微粒,即本文所述的質(zhì)子供給體和質(zhì)子接受體,這些微粒包括溶劑提供的H2O,溶質(zhì)直接提供的能發(fā)生電離的酸、堿或能發(fā)生水解的陽、陰離子．

2) 正確繪制出如圖1的圖示．

圖2

顯然對類似于HAc、H2S、NH3·H2O、NaHCO3、NaAc、NH4Cl、 (NH4)2CO3、NH4HCO3這些由弱酸、弱堿、兩性物質(zhì)、可水解的鹽形成的單一溶質(zhì)的溶液都能用這種方法直接寫出溶液中的質(zhì)子守恒關(guān)系式．下面筆者通過例2、例3再與大家討論這種方法在2種特殊情況下的應用．

圖3

分析本例中HCl為強酸,在溶液中可完全電離出質(zhì)子,所以與HAc一樣是體系中質(zhì)子的供給體,繪圖時對其處理的方式同HAc．繪出圖3,并依圖3可得該體系中的質(zhì)子守恒式為c(H3O+)=c(OH-)+c(Ac-)+c(Cl-),很明顯,該式亦為該溶液中的電荷守恒式．

圖4

分析本例中的質(zhì)子供受體有3種,分別是溶劑提供的H2O、溶質(zhì)NaAc完全產(chǎn)生電離產(chǎn)生的Ac-、原溶質(zhì)提供的HAc分子．依本文所示方法繪出圖4．

本題與前2例有明顯不同,即當HAc的電離與NaAc水解都達到平衡時,溶液中的HAc分子不僅有NaAc水解產(chǎn)生的一部分,還有原溶質(zhì)HAc未發(fā)生電離的分子;溶液中的Ac-也不僅有原溶質(zhì)HAc電離產(chǎn)生的一部分,還有原溶質(zhì)NaAc未發(fā)生水解的那一部分Ac-．此時如直接寫出等式:

c(OH-)+c(Ac-)=c(H3O+)+c(HAc).

①

經(jīng)“電荷-物料平衡法”驗證,式①是一個書寫錯誤的質(zhì)子守恒式,所以對于本例還須作如下的進一步處理．

首先在圖4的基礎(chǔ)上繪制圖5,在圖5中,HAc分子出現(xiàn)2次分別在A1、A2處,A1處HAc起始濃度為0.1mol·L-1,A2處HAc最大濃度為0.2mol·L-1(即B2處Ac-完全水解后生成的HAc濃度)．所以溶液中HAc分子總濃度理論極限值為0.3mol·L-1,B2處Ac-水解產(chǎn)生的HAc理論極限值為0.2mol·L-1,是前者的2/3,此時應將式①右側(cè)改作:

圖5

同理,在圖5中,Ac-出現(xiàn)2次,分別在B1、B2處,B2處HAc起始濃度為0.2mol·L-1,B1處最大濃度為0.1mol·L-1(即A1處HAc完全電離后生成的Ac-濃度)．所以溶液中HAc分子總濃度理論極限值為0.3mol·L-1,由A1處HAc電離產(chǎn)生的Ac-理論極限值為0.1mol·L-1,是前者的1/3,此時應將式①左側(cè)改作:

經(jīng)以上2步處理后,就可得到在濃度分別為0.1、 0.2mol·L-1的HAc、NaAc混合溶液中正確的質(zhì)子守恒式：

本文所舉3例的質(zhì)子守恒表達式的書寫都較為復雜,尤以例3為最,讀者可以依據(jù)“電荷-物料平衡法”一一進行驗證．相對于“電荷-物料平衡法”,此法簡潔、高效、易學,學習者只要能依本文所示方法,按部就班,依樣而行,都能以較快的速度得出正確的質(zhì)子守恒表達式．

(作者單位：南通大學附屬中學)