多維度突破電解質溶液的“質子守恒”

葉振東

一、建立守恒的要素

1.本質

質子即“H+”，質子守恒指的是溶液中水電離的c（H+）=c（OH）。

2.原理

必須時刻牢記兩個平衡即電離平衡（水的電離和弱電解質的電離）和水解平衡。

3.原因

水電離出的H和OH濃度相等，即c（H+）*=c（OH—）*。在水中加入可溶鹽Na2A溶液或NaHA后，水的電離平衡發生了變化，HA—電離給出H+抑制水的電離，A2—、HA水解結合H+促進水的電離，但溶液中的OH全來自水的電離，則

c（OH-）=c（OH-）x=c（H+）水 =c（H*） +Σc（H*）

二、常用方法

1.“守恒合并法”

（以Na2CO3溶液為例）

①物料守恒

c（Na+）=2[c（HCO3）+c（CO3-）+c（H2CO3）]

②電荷守恒

c（Na+）+c（H*）=c（OH-） +c（HCO5）

+2c（CO3-）

將①、②合并，得質子守恒：

c（OH-）=c（H+）+c（HCO5）+2c（H2CO3）

2.“得失質子守恒法”

以單一溶液中的質子守恒為例。

（1）先確定溶液中影響水電離平衡的微粒（溶質）和H2O（溶劑）作為“參考基準物”;

（2）推出參考基準物得質子的產物微粒和失質子的產物微粒，H2O得質子的產物是H3O+，通常簡寫為H*;

（3）列質子守恒關系式時，注意得失質子數目與產物粒子的倍數關系。

示例解讀

①NaHCO3溶液：

質子守恒：

c（H+）+c（H2CO3）=c（OH-）+c（CO3-）

②Na2CO3溶液：

注意H2CO3是CO3—得兩個質子的產物，所以得質子數應是H2CO3數目的2倍。

質子守恒：

c（H+）+c（HCO3）+2c（H2CO3）=c（OH-）

③（NH4）2CO3溶液：

質子守恒：

c（H+）+c（HCO3）+2c（H2CO3）=c（OH） +c（NH3·H2O）

④Na3PO 溶液：

注意H2PO，是PO2—得2個質子的產物，H3PO4是PO4—得3個質子的產物。

質子守恒：

c（H+）+c（HPO2-）+2c（H2PO4）+ 3c（H3PO4）=c（OH）

3.“框圖法”

以混合溶液中的質子守恒為例。

（1）先確定影響水電離的離子種類，一般有NH、CO3-、HCO3、CH，COO、H2PO、HPO、 PO4-等;

（2）框圖中列出的微粒：H2O按1mol列出，影響水電離的粒子，同一類別的粒子總量按1mol列出;

（3）如果兩種離子可以相互轉化（如共軛酸堿CO23—和HCO3），則它們總量按1mol，各自的量按比例分配;

（4）各種離子分別結合質子生成的微粒列在一側，失去質子生成的微粒列在另一側，得失相等得質子守恒（H2O分子結合H+得H3O+，通常簡寫為H+，H2O分子失去H+得OH）;

（5）因為1個CO3—結合2個質子生成H2CO3，所以該步結合的質子數=2倍H2CO3分子數;

（6）同理1個PO4—結合3個質子生成H3PO4，所以該步結合的質子數=3倍H3PO4分子數。

示例解讀

①NH，C1和CH3COONH，混合液：影響水電離的離子是NH和CH3COO—，框圖中H2O、NH、CH3COO均為1。

質子守恒：

c（H*） + с （CH，COOH）=c（OH-）+ c（NH3·H2O）

若是（NH4）2SO4和CH3COONH，混合溶液，框圖和質子守恒關系與此完全相同。

②CH，COONa和NaHCO3混合液：影響水電離的離子是CH3COO—和HCO3，框圖中CH3COO、HCO3、H2O均為1。

質子守恒：

c（H*）+c（CH3COOH）+c（H2CO3）= c（OH-）+c（CO3-）

4.數軸解析法

用數軸表示“c（OH—）—c（H*）”，將鹽電離出的酸根離子置于數軸的原點，該酸根離子給出質子形成的微粒置于原點的左側、結合質子形成的微粒置于原點的右側，并按其結合質子的次序在數軸上從左到右依次排開，每相鄰2個微粒在數軸上相距1個單位。將“c（OH）—c（H*）=Σc（粒子）或HM—的水解產物x結合質子數目- Σc（粒子）HA-的電離產物x給出質子數目”抽象為數學公式“c（OH—）—c（H+）=Σc（粒子）x粒子刻度”，依據數軸解析建構質子守恒關系式。

示例解讀

以碳酸鈉溶液為例。

①碳酸鈉溶液中參與質子轉移的粒子順序為CO3—、HCO3、H2CO3，對應的數軸草圖為：

②鹽溶液電離出的弱離子確定原點位置以及對應的刻度。上例鹽溶液中原點為CO3—，則CO23—、HCO、H2CO3對應的刻度分別為0、+1、+2，此時對應的數軸圖為：

（注意：這一步是關鍵，決定了質子守恒表達式中各粒子濃度計量數的符號和絕對值）

③直接書寫質子守恒表達式，通式為：c（OH）-c（H*）=Σ粒子刻度xc（粒子）碳酸鈉溶液中的質子守恒表達式為：

c（OH）=c（H*）+1xc（HCO3）+2xc（H2CO3）

（收稿日期：2022—04—21）2F6349E3-D931-49DF-A750-59716140C8B9