小议质子条件式的书写

刘　洁

(湖北科技学院　核技术与化学生物学院，湖北　咸宁　437100)

小议质子条件式的书写

刘洁

(湖北科技学院核技术与化学生物学院，湖北咸宁437100)

摘要：论述了质子条件式的定义、作用、书写方法以及注意事项，为师生的教学提供参考依据。

关键词：酸碱质子理论；质子条件式；书写方法

酸碱水溶液是复杂的多重平衡体系，各物种平衡浓度之间的关系错综复杂。质子条件式是解决电解质溶液酸碱平衡问题的有力工具，并且可以进一步求算氢离子浓度。但是很多教材对于这一问题要么含糊不清，要么过于简单[1～3]。笔者结合自身教学经验，试着从质子条件式的定义、作用以及书写方法等几方面进行论述。

一、何谓质子条件式

处理水溶液中酸碱平衡的方法通常称为三大平衡。其一是物料平衡，指电解质在平衡状态时，与某溶质相关的各种型体平衡浓度之和等于它的分析浓度，其数学表达式即物料平衡方程，简写为MBE(mass balance equation)。其二是电荷平衡，指电解质溶液处于平衡状态时，所有阳离子所带正电荷总和等于所有阴离子所带负电荷总和，其数学表达式称为电荷平衡方程，简写为CBE(charge balance equation)。最后就是质子平衡。

按照酸碱质子理论，凡是能给出质子(H+)的物质叫酸，凡是能接受质子的物质叫碱，酸碱反应的实质是质子的转移。弱电解质在水溶液中的电离也可以看作酸碱反应。如NaAc水溶液中，AC-可以接受质子，属于酸；H2O可以给出质子，属于碱。NaAc在水溶液中的电离平衡，实质就是Ac-与H2O之间进行质子转移的酸碱反应。当酸碱反应达到平衡时，酸失去质子的数目必然等于碱得到质子的数目，即酸失去质子后的产物与碱得到质子后的产物在浓度上必然有一定的关系。这种关系式即为质子条件式，又叫质子平衡方程(proton balance equation)，简称PBE。

二、为什么写质子条件式

如前所述，质子条件式是关于质子得失产物平衡浓度的关系式。电解质水溶液中的溶剂H2O作为两性物质，必然会参与质子转移过程，其产物H+和OH-的平衡浓度必然会出现在质子条件式中。当我们利用平衡关系找出其它参数与H+浓度的关系，最后就可以得出求算H+浓度的数学表达式。

如HAc水溶液中H+浓度的求算，首先写出PBE为[H+] = [OH-]+[Ac-]；其次依据弱酸的解离常数和水的离子积常数将[Ac-]=

三、如何书写质子条件式

质子条件式的书写通常有两种方法。方法一是代入法，即结合物料平衡方程(MBE)和电荷平衡方程(CBE)，通过数学变换可以得到PBE的表达式。

如：cmol·L-1Na2CO3(aq)的PBE

先写MBE:[Na+]=2c

①

②

再写CMB:[H+]+[Na+]= [OH-]

③

方法二是图示法。还是以上述“cmol·L-1Na2CO3(aq)的PBE”为例说明。

第二步：绘出质子参考水准得失质子示意图(见图1)，包括得失质子的产物和得失质子的物质的量。

(得质子)(质子参考水准)(失质子)

图1　Na2CO3(aq)的质子得失示意图

对于多元酸碱组分一定要注意其平衡浓度前面的系数，它等于与质子参考水准相比较时该型体得失质子的量。

普遍认为图示法较简洁、明了，但也有一些例外，比如：

HAc(amol·L-1)+NaAc(bmol·L-1)的PBE

这是一个混合体系，如果采用图示法，较难准确找出质子参考水准。此时若采用代入法，问题则马上迎刃而解。

第一步：写出MBE

[Na+]=b

④

[Ac-]+[HAc]=a+b

⑤

第二步：写出CBE

[H+]+[Na+] = [OH-]+[Ac-]

⑥

第三步：联立MBE和CBE，即将④、⑤代入⑥得PBE表达式为[H+]+b= [OH-]+[Ac-]或[H+]+[HAc] = [OH-]+a

四、应用实例

例1. (NH4)2HPO4(aq)的PBE

图2　 (NH4)2HPO4(aq)的质子得失示意图

例2. HCl(0.10 mol·L-1)和H2SO4(0.20 mol·L-1)的混合溶液的PBE。

这是混合体系，所以采用代入法。

第一步：写出MBE

[Cl-]=0.10

⑦

=0.20

⑧

第二步：写出CBE

⑨

第三步：联立MBE和CBE，即将⑦、⑧代入⑨得PBE表达式为

五、结语

质子条件式的书写是寻求电解质溶液H+浓度的捷径，从而可以进一步为酸碱滴定理论和实验的教学奠定基础。因此，快速、准确地进行质子条件式的书写显得尤其重要。其中，对于单一组分PBE的书写，图示法是首选；而对于多组分体系，代入法则显得更为实用。在书写PBE的过程中需要注意的是PBE表达式中不会出现与质子得失产物无关的项；对于多元酸碱组分其平衡浓度前面的系数等于与质子参考水准相比较时该型体得失质子的量。

参考文献：

[1]华中师范大学.分析化学上册(第四版)[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2]武汉大学.分析化学上册(第五版)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]华东理工大学分析化学教研组，四川大学工科化学基础课程教学基地.分析化学(第六版)[M].北京：高等教育出版社，2009.

文章编号：2095-4654(2016)03-0076-02

* 收稿日期：2015-12-19

基金项目：湖北科技学院教研资助项目(2015XB005)

中图分类号：G424.1

文献标识码：A