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例谈应用质子守恒计算盐溶液pH值的方法

更新时间:2009-03-28

酸碱反应达到平衡时,酸失去的质子(即H+)数应等于碱得到的质子数。我们把酸碱之间质子转移的这种关系称为质子守恒(这里所谈的酸碱反应是一种广义的酸碱反应)[1]。质子守恒与物料守恒,电荷守恒同为溶液中的三大守恒关系,在讨论盐溶液的性质中具有非常重要的应用。质子守恒在溶液中离子浓度大小比较、溶液中微粒间的浓度关系、溶液酸碱性判断等性质判断较为常见,对于这种题型质子守恒关系是其判断、比较的重要依据[2]。通过质子守恒也可以计算盐溶液的pH值(pH=-lg[H+]),本文以强碱弱酸盐、强酸弱碱盐、弱酸的酸式盐为例,利用质子守恒讨论这三种盐溶液的pH值。

一、强酸弱碱盐——NH4Cl

设所配制的NH4Cl溶液的浓度为c0,由于在溶液中NH4+会水解,所以NH4+浓度应小于c0,设水解后溶液中的[NH4+]=c mol/L(根据化学书写习惯,用[A]表示A物质的浓度,下同),该溶液的质子守恒的表达式如下:

 

NH3·H2O的电离平衡常数表达式为

 
 

以上即为NH4Cl溶液中H+浓度与pH计算的精确表达式,由于盐类的水解过程十分微弱,所以c0≈c,则上式可化简为:

我举着致命武器——巴掌,向“敌军”挥舞着。可它明显是只久经沙场的蚊子,冷静地躲避着我的拍击。不一会儿,我就累得气喘如牛。我气冲冲地跑进客厅,拿起驱蚊拍,与这只死蚊子继续大战三百回合。可驱蚊拍依然起不到任何作用,这只蚊子依旧边哼着小曲边“漫游”。我瞬间火冒三丈,就不相信,我这个高等动物还对付不了你这只低等动物——蚊子?小样儿,我告诉你,碰上我你死定了!我拿出终极武器——杀虫剂。我对着嗡嗡叫的蚊子左喷喷,右喷喷,终于,在我的不懈努力下,它终于停止了“歌唱”,从空中飘落下来,躺在地上,六脚朝天。大功告成,我终于可以睡觉了。

 

溶液中HF的电离平衡常数Ka=7.2×10-4,当NaF溶液的浓度不是很低的情况下,如[NaF]=0.1 mol/L,则c0≫Ka,所以c0+Ka≈c0,上式可以进一步化简为:

 

二、强碱弱酸盐

1.一元弱酸形成的强碱弱酸盐——NaF

设所配制的NaF溶液的浓度为c0,由于F的水解,故溶液中F浓度略小于c0,设水解后溶液中[F]=c mol/L,NaF溶液的质子守恒的表达式如下:

 
 
 

上式为计算NaF溶液中H+浓度与pH值计算的精确式,由于盐类的水解过程十分微弱,所以c0≈c,则上式可化简为:

 

NH3·H2O的电离平衡常数Kb=1.8×10-5,若溶液的浓度不是很低,如[NH4Cl]=0.1 mol/L,则c0≫Kb,所以c0+Kb≈c0,则上式可以进一步化简为:

孕妈妈要保证均衡营养的膳食,避免摄入过多碳水化合物和热量,而应补充丰富的维生素、矿物质以及富含蛋白质的食物,如黑木耳、银耳等,但不要一下子吃太多。此外,孕妈妈也要多吃含有维生素C的水果,以促进胶原蛋白的生成,使肌肤更有活力。

 

2.二元羧酸形成的强酸弱碱盐——Na2CO3

设Na2CO3溶液的浓度为c0,由于的水解,使溶液中浓度不等于c0,设溶液中[]=c mol/L,Na2CO3溶液的质子守恒的表达式为:

 

由于盐类的水解过程十分微弱,所以c0≈c,则上

设所配制的NaHCO3溶液的浓度为c0,溶液中既能发生水解,同时也能发生电离,因此溶液中浓度小于c0,设溶液中c()=c mol/L,该溶液的质子守恒的表达式为:

 

上式为Na2CO3溶液中H+浓度计算的精确表达式,上式为一元三次方程,仅利用中学知识无法求出溶液中H+浓度的精确值,但由于盐类的水解以第一步电离为主,第二部水解过程忽略不计,所以上式可以近似化简如下:

[NH4+]=[CH3COO]=c mol/L,代入质子守恒关系式可以化简如下:

 

三、弱酸弱碱盐——CH3COONH4

由于CH3COOH的电离平衡常数Ka等于NH3·H2O的电离平衡常数Kb,所以上式进一步化简为[H+]= Kw ,常温下 p H=-1g Kw=-1g10-7=7,所以溶液呈中性。

 

H2CO3的电离平衡常数Ka2=5.6×10-11,如果Na2CO3溶液的浓度不是很低,则c0≫Ka2,即c0+Ka2≈c0,上式可以进一步化简为:

 

设所配制的CH3COONH4溶液的浓度为c0,该溶液中NH4+与CH3COO均会水解,溶液中CH3COOH的电离平衡常数Ka=1.8×10-5,NH3·H2O的电离平衡常数 Kb=1.8×10-5,可知 Ka=Kb,所以溶液中[NH4+]=[CH3COO],设水解后溶液中NH4+与CH3COO的浓度为c mol/L,该溶液存在的质子守恒表达式如下:

四、弱酸的酸式盐——NaHCO3

若f(x)∈C[a,b]I D[a,b],则∃ξ∈(a,b),使得 f(b)+f(a)=f′(ξ)(b-a)。

 

由于H2CO3为二元弱酸,存在两步电离,其电离平衡

在男人的指示下,楚墨进到一间茶室。茶室不大,装修尚好,墙上挂一幅《对弈图》,两个闲人坐在地上,半光着膀子,酒葫芦翻倒旁边。古琴曲《潇湘水云》飘起来了,小小的茶室里霎时云水掩映,烟波浩瀚。楚墨的心,也如同潮水般翻滚起来。

2017年12月,试验样机现场安装后,运行期间观察集成清扫装置的使用效果,并检测了硫磺粉尘浓度,结果见表7。

根据电离平衡常数Ka1,Ka2可知:

 

将以上两式代入质子守恒的表达式中得:

 

将[HCO3-]=c mol/L代入上式,并整理后可得:

 

盐类的水解是一个十分微弱的过程,所以[HCO3-]=c0mol/L,可知溶液中H+浓度表达式如下:

 

查表可知 H2CO3的电离平衡常数 Ka1=4.2×10-7,Ka2=5.6×10-11,如果NaHCO3溶液浓度不是很小,可知c0≫Ka1,c0+Ka1≈c0,上式可化简为

分析评价:显然,以上的学生讨论已经脱离了科学本质,将“血管”和“血液”的概念混为一谈了。如果,教师还是采用传统的灌输、说教,即使学生在这节课上接受了此概念,那也是短暂的。

玻璃球是一种凸面结构。简单来说,球的形状使光线在穿过球时改变了方向,这是一个折射的过程,因此光线投射到球的另一侧后是上下颠倒的。你镜头里的玻璃也是凸面的,同理,图像也会颠倒过来。但是你的相机里要么有一个光学的取景器,用镜片将图像投射回正常的样子,要么有一个电子的取景器,以电子的方式实现这个过程,所以你看到的画面是正常的。

 

如溶液的浓度c0≈0.1 mol/L,则c0·Ka2=5.6×10-12,而Kw=1.0×10-14,在要求不是很高的情况下c0·Ka2+Kw≈c0·Ka2,上式可以进一步化简为:

 

盐类的水解是高中化学学习中非常重要的一部分内容,质子守恒作为盐溶液中存在的一种重要平衡关系,对于我们深刻认识盐溶液的性质和表现具有重要意义。强酸弱碱盐、强碱弱酸盐、弱酸弱碱盐和弱酸的酸式盐是几种典型的盐类,利用质子守恒均可以计算溶液中H+浓度和pH值。同时盐类的水解内容综合性比较强,如溶液中离子浓度的大小比较、溶液的酸碱性分析、物质的存在形式等内容,都需要学生具备良好的化学学科素养,能够从微观的角度认识、辨析和理解,这些内容的教学对我们多角度认识盐溶液的性质也是一个重要启示。从质子守恒的角度出发解决问题对于运用化学的观点和思路分析问题、解决问题,建立化学模型,全面认识盐溶液的性质有重要的意义。

参考文献

[1] 翁光龙.浅谈质子守恒及其应用[J].中学化学教学参考,2016(2):36-37

[2] 唐小丽.类比法在高中化学教学中的应用及作用——以“质子守恒”为例[J].中学化学教学参考,2016(2):53-54

[3] 华中师范大学等.分析化学(上册)[M].北京:高等教育出版社,2003:96-109

 
李志新,张宗志
《化学教与学》 2018年第05期
《化学教与学》2018年第05期文献

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