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书写质子条件式的最简单方法——图示法
王嘉霖
(川北教育学院化学系)
1 方法要点
图示法直接书写PBE的方法要点如下: ⑴选好质子基准态物质。
质子条件式表示在质子传递反应中得失质子数相等,显然在构成质子条件时,必需选择适当的物质作为参考物质,称为质子基准态物质(或称质子参考水平、或零水平)。质子基准态物质就是溶液中大量存在的并参与质子转移的物质。通常是原始酸碱组分和溶剂分子,(绘出示意图,将质子基准态物质列入图中方框内)。
⑵以质子基准态物质为准,列出得失质子后的产物及得失质子的数目。
与质子基准态物质相比,质子数多的就是质子产物(标在示意图方框的左边,用箭头连接起来),质子数少的已经失质子产物(标在示意图方框的右边,用箭头连接起来)。在箭头上方标明各个质子基准态物质转化为产物时得失质子的个数。
⑶根据得失质子等衡原理,写出PBE。
所有能得失质子后的产物写在左端,所有能失质子后的产物写在右端,再加上等号即得PBE。
说明两点:①正确的PBE中应不含有基准态物质本身的有关项;②处理多级离解关系的物质时,用得质子的个数作为该物质平衡浓度前的系数(见例5等)
2 各类溶液的质子条件
2.1 一元弱酸溶液的质子条件
例1 写出HA(A-代表CH3COO-、CN-等)溶液的PBE。
解 用图示法书写PBE。首先,要了解溶液中的酸碱平衡情况,写出有关酸碱平衡式,在HA溶液中质子转移情况是
+-
HA与H2O间质子转移 HA+H2OH3O+A H2O分子间质子转移H2O+H2OH3O++OH-
其次,选出HA溶液中大量存在并参与质子转移的物质HA和H2O,HA失质子而生成A-;H2O既可得质子而生成H3O+,也可以失质子而生成OH—,于是质子转移情况可图示如下:
第三、根据得失质子数相等原理,可按下法写出HA溶液的PBE:
左边各项相加=右边各项相加
(得质子各项相加)=(失质子各项相加) 即c(H3O+)=c(A-)+c(OH-) (H3O+可简化为H+) 式中c(H3O+)是水得质子后的产物的浓度,c(A-)和c(OH-)分别是HA和H2O失去质子后的产物的浓度,若两端乘以溶液体积,就表示得失质子的物质的量相等。
由上可见,质子条件式中不出现质子基准态物质。 例2 写出NH4Cl溶液的PBE。
解 在NH4Cl溶液中存在如下平衡: NH4Cl=NH4++Cl- NH4++H2ONH3+H3O+ H2OH++OH- H2O+H+H3O+
选NH4+、H2O为基准态物质,Cl-虽然大量存在,但不参与质子传递,不能作为基准态物质,故NH4Cl可按一元弱酸处理,溶液中质子转移情况如下:
PBE为 c(H+)=c(NH3)+c(OH-)
从上式得知,PBE中各项,即可以是带电荷的离子的平衡浓度,也可以是不带电荷的分子的平衡浓度,这就有别于电荷平衡式。
一元弱酸溶液的PBE中c(H+)等于两项之和,一项是H2O电离出等量的H+和OH-,另一项是弱酸(HA或NH4+)电离出等量的H+和A-或NH3
2.2一元弱碱溶液的质子条件 例3 写出NH3溶液的PBE。
解 选NH3、H2O为基准态物质,溶液中质子转移情况如下:
PBE为:c(NH4)+c(H)=c(OH)
例4 写出NaA(A-代表CH3COO-、CN-等)溶液的PBE。
解 选A-、H2O为基准态物质,Na+虽然大量存在,但不参与质子传递,不能作为基准态物质,故NaA可按一元弱碱处理,溶液中质子转移情况如下:
+
+
-
PBE为:c(HA)+c(H)=c(OH)
一元弱碱溶液的PBE中,c(OH-)等于两项之和,一项是H2O电离出等量的H+和OH-,另一项是NH3或A-从H2O获得质子后产生等量的OH-和NH4+或HA。
2.3 多元弱酸溶液的质子条件 例5 写出H3PO4溶液的PBE。
解 选H3PO4、H2O为基准态物质,溶液中质子转移情况如下
+
-
PBE为 c(H)=c(H2PO4)+2c(HPO4)+3c(PO43-)+c(OH-)
2-3-
在上式失质子产物中,HPO4是H3PO4失去两个质子后的产物,PO4是H3PO4失去3个质子后的产物,故在质子条件式中c(HPO42-)和 c(PO43-)前必须分别乘以失质子的个数2和3,才能保持得失质子数是相等的。
2.4多元弱碱的质子条件
例6 写出Na2A(A2-代表S2-、CO32-、C2O42-等)溶液的PBE。 解 选 A2-、H2O为基准态物质,溶液中质子转移情况如下:
+
-
2-
PBE为:c(H)+c(HA)+2cH2A)=c(OH) 2.5两性物质溶液的质子条件 2.5.1多元酸的酸式盐
例7 写出NaHA(A2-代表S2-、CO32-、C2O42-等)溶液的PBE。 解 选 HA-、H2O为基准态物质,溶液中质子转移情况如下:
+
-
-
2.5.2弱酸弱碱盐
例8 写出NH4A溶液的PBE
解 选NH4+、A-、H2O为基准态物质,溶液中质子转移情况如下:
两性物质在溶液中既起酸的作用,又起碱的作用,其处理方法实际上是弱酸和弱碱的合并。在两性和盘托出的PBE中,左端为原始酸碱组分(酸式酸根离子或A-)和水得质子的平衡浓度之和,右端为原始酸碱组分(酸式酸根离子或NH4+)和水失去质子物质的平衡浓度之和。因此,PBE反映了酸碱平衡体系中得失质子的严密的数量关系,它是处理酸碱平衡问题的依据,对于组成较为复杂的两性物质,其PBE也易用图示法写出。
例9 写出NaNH4HPO4溶液的PBE。
+2-
解 选NH4、HPO4、H2O为基准态物质,溶液中质子转移情况如下:
PBE:c(H)+c(H2PO4)+2c(H3PO4)=c(NH3)+c(PO4)+ c(OH-) 2.6 强酸强碱溶液的质子条件 例10 写出盐酸溶液的PBE
-
+
3-
PBE为:c(H)=c(Cl)+c(OH) 例11 写出NaOH溶液的PBE c(OH-)=c(H+)+c(Na+) 2.7混合溶液的质子条件
下面将两弱酸、弱酸及其共轭碱、弱酸与强酸、弱碱与强碱等的质子条件式分列如下:
⑴两弱酸(HA+HB)溶液的PBE c(H+)=c(A-)+c(B-)+c(OH-)
⑵弱酸及其共轭碱(HA-A-)溶液的PBE。 选HA、H2O为基准态物质:
-
-
+
溶液中A-还有一个来源,即溶液中原有的A-(其值为c(A-)原),故必须从总的c(A-)总中减去此c(A-)原,则PBE为:c(H+)=c(OH-)+c(A-)总-c(A-)原