質(zhì)子守恒演示儀

曹雨晴

在高中化學(xué)教材《化學(xué)反應(yīng)原理》（人教版選修 4）中，需要學(xué)習(xí)水溶液中的離子平衡，其中，鹽類水解中的三大守恒（質(zhì)子守恒、電荷守恒和物料守恒）是很難掌握的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)。如何熟練地將其書(shū)寫出來(lái)？理解是關(guān)鍵。

傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)中，質(zhì)子守恒常常通過(guò)電荷守恒和物料守恒進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出，很多同學(xué)一知半解，更不容易記住。

能否通過(guò)直觀的教具展示？我將磁性板和球棍模型進(jìn)行改進(jìn)，制作了質(zhì)子守恒演示儀。

一、質(zhì)子（H+）守恒原理

電解質(zhì)溶液中，分子或離子得到或失去質(zhì)子（H +）的物質(zhì)的量應(yīng)相等。例如， 在 NH 4HCO3 溶液中，H 3O+（ 簡(jiǎn)寫為H+）、H 2CO3 為得到質(zhì)子后的產(chǎn)物，NH3、OH –、CO32– 為失去質(zhì)子后的產(chǎn)物，因此，c（H+）+c（H2CO3）=c（NH3）+c（OH–）+c（CO32–）。

在Na2CO3 溶液中，H+、HCO3 為得到一個(gè)質(zhì)子后的產(chǎn)物，H2CO3 為得到兩個(gè)質(zhì)子后的產(chǎn)物，OH– 為失去質(zhì)子后– 的產(chǎn)物，因此，c（H+）+c（HCO3 ）+2c（H2CO3）=c（OH–）。

二、研究思路

根據(jù)質(zhì)子守恒原理，電解質(zhì)溶液中的弱離子（弱酸陰離子、弱堿陽(yáng)離子）會(huì)奪取水分子中的氫離子或氫氧根離子，破壞水的電離平衡，從而產(chǎn)生質(zhì)子守恒。若事先把水分子有序排列，把水中的氫離子和氫氧根離子分成兩個(gè)區(qū)域，將得到質(zhì)子的物質(zhì)和質(zhì)子放在一個(gè)區(qū)域，得到氫氧根離子的物質(zhì)和氫氧根離子放在另一個(gè)區(qū)域，就可以形象地展示質(zhì)子守恒。

三、設(shè)計(jì)制作

質(zhì)子守恒演示儀由磁性畫(huà)寫板、磁性片切割組成的分子（或離子）模型組成，磁性畫(huà)寫板上覆蓋一層彩色噴繪，用 T 形虛線將其分割成 3 個(gè)區(qū)域（事實(shí)上溶液中的離子不會(huì)這樣排列），分別用淺紅色（表示氫離子區(qū)域）、淺藍(lán)色（表示氫氧根離子區(qū)域）、淺黃色（表示加入鹽的區(qū)域）表示。淺紅色底部印刷氫離子，淺藍(lán)色底部印刷與氫離子數(shù)量相等的氫氧根離子。

磁性片切割組成的分子（或離子）模型包括水分子模型、CO32– 模型、HCO3– 模型、NH4+ 模型、鈉離子模型（根據(jù)需要可做成任何需要的離子模型）。

四、示意圖

1. 展示碳酸鈉溶液中的質(zhì)子守恒

上圖可演示氫離子（質(zhì)子）、質(zhì)子的去向和氫氧根離子量的關(guān)系：c（H +）+c（HCO3–）+2c（H2CO3）=c（OH–）。

2. 展示碳酸氫氨溶液中的質(zhì)子守恒

在NH4HCO3 溶液中，NH4+ 和HCO3–既可以得到質(zhì)子又可以失去質(zhì)子，H3O+（簡(jiǎn)寫為H+）、H2CO3 為得到質(zhì)子后的產(chǎn)物，NH3、OH–、CO32– 為失去質(zhì)子后的產(chǎn)物。因此，c（H+）+c（H2CO3）=c（NH3）+ c（OH–）+ c（C O 32–）。

五、使用方法

使用時(shí)，只需按照?qǐng)D片事先放置好水分子，使水分子的氫離子和氫氧根離子分別朝向?qū)?yīng)區(qū)域，按照示意圖演示即可。