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质子守恒三种思维模型

所谓质子守恒式的本质,是指在水溶液中,酸碱盐组分离子(包括水分子),在电离和离子反应过程中,可能会发生质子转移,也就是H的转移。这样,必有一方为质子接受体,一方为质子给予体,而质子给予体提供的质子总数等于质子接受体接受的质子总数。这便是质子守恒式子的书写依据。

书写质子守恒式,一般有质子守恒式原始式和推演式。前者是式中出现的每一种离子都发生了质子的转移;后一类是质子守恒式基础上的衍生式,它对原始式的加工——或者出现了其他不参与质子转移的离子,或消去了部分离子。我们这里只讨论质子守恒式的原始式。

1、质子守恒方法梳理

当前质子守恒书写方式方法丰富多样,根据采用的形式不同,一般分为三大类:代数法,框图法,数轴法。

1.1代数法

代数法,又称为代数推演法,这是最基本的方法,大家都非常熟悉——就是由电荷守恒和物料守恒,进行代数运算,消去不参与质子转移的无关离子,进而推出质子守恒式。广泛应用在单一组分溶液质子守恒式的书写中,但当书写双组分时,代数法运算量骤然变大,运算出错概率也随之增大,此时代数法较之肯定是处于劣势。

1.2框图法

框图法,通过框图表现形式,使一侧为质子给予体,一侧为质子接受体。单组分溶液利用框图法直观简便。当分析对象为双组分溶液时,根据分析思路不同,分成两种不同方法。

一种是组分统筹法,是把混合溶液看成统一整体来分析。一些文献上称为框图分析法[1],这种思路中单一组分概念与单一溶液单一组分概念内涵不同,不再指一种具体微粒,而是指可以通过转移质子相互转化的一类微粒,比如CO32、HCO3、H2CO3,它们可以通过质子转移相互转化,便把它们看做一种组分;按此思路,那么不同组分即不能通过转移质子相互转化的微粒,比如NH4与CO32这两种离子无论如何质子转移都不会相互转化,便看做两种组分。

另一种为组分分离法,也可称之为校正法,是把混合溶液看成基础单一溶液加外来溶液,但是,这绝对不是单一组分质子守恒式的直接叠加。式子形式:[某一组分基础表达式-外加溶液原始浓度]

这两种方法本质相同,都可以通过数学运算相互转化,相比较而言组分分离法更能解决有强酸碱参与的混合溶液,组分统筹法更便于直观理解。

1.3数轴法

数轴法,是与框图法并列的方法,摒弃框图形式,借助一维数轴来体现质子转移。

接下来我们来用实例来探讨下这些方法。我们由简到难,单一溶液到双组分不同溶液。


2、实例分析

2.1单一溶液 a mol/L NH4HCO3溶液

2.1.1代数推演法:

电荷守恒:c(NH4) + c(H) = c(HCO3) + 2c(CO32) + c(OH)

物料守恒:c(NH4) + c(NH3·H2O) = c(HCO3) + c(H2CO3) + c(CO32)

质子守恒:c(H2CO3) + c(H) = c(NH3·H2O) + c(CO32) + c(OH)

2.1.2框图法:

质子守恒三种思维模型

图1:a mol/L NH4HCO3溶液分析框图

c(NH3·H2O) + c(CO32) + c(OH) = c(H2CO3) + c(H)

2.1.3数轴解析法:

质子守恒三种思维模型

图2:a mol/L NH4HCO3溶液分析数轴

c(NH3·H2O) + c(CO32) + c(OH) = c(H2CO3) + c(H)

2.2不同浓度双组分溶液:a mol/L(NH4)2CO3b mol/L NH4HCO3溶液

2.2.1代数推演法

电荷守恒式:c(NH4)+c(H)=c(HCO3)+2c(CO32)+c(OH)………………………①

物料守恒式:(ab)×[c(NH4)+c(NH3·H2O)] = (2ab)×[c(H2CO3) + c(HCO3)+c(CO32)]…②

由①②合并,消去c(NH4),得:

(2ab)× c(H2CO3) + a×c(HCO3)+(abc(H)=(ab) ×c(NH3·H2O) + b×c(CO32)+ (ab)× c(OH)

2.2.2框图法:

(1)组分分离法一:

质子守恒三种思维模型

图3:a mol/L(NH4)2CO3分析框图

a×c(HCO3) + 2a×c(H2CO3) + a×c(H) = 2a×c(NH3·H2O) + a×c(OH)……①

质子守恒三种思维模型

图4:b mol/L NH4HCO3溶液分析框图

c(H2CO3)+b×c(H)=b× C(CO32) + b× c(NH3·H2O) + b× c(OH)……②

合并①②得:(2ab)×c(H2CO3) + a×c(HCO3) + (ab)× c(H) = (ab)× c(NH3·H2O) + (ab)× c(OH)+ b× c(CO32)

(2)组分分离法二:

c(NH3·H2O) + c(OH) = c(HCO3) + 2c(H2CO3) + c(H) -b/(ab)× [C(CO32) + c(HCO3) + c(H2CO3)]

即:

(ab)×c(NH3·H2O) + (ab)×c(OH) + b× c(CO32) = a× c(HCO3) + (ab)× c(H) + (2ab)× c(H2CO3)

(3)组分分离法三:

质子守恒三种思维模型

图5:a mol/L(NH4)2CO3分析框图

c(HCO3) +2c(H2CO3) + c(H) -b = c(OH) +c(NH3·H2O)……………………①

质子守恒三种思维模型

c(H2CO3) + c(H) = c(OH) + c(NH3·H2O) + c(CO32) -a……………………②

①×a + ②×b 得:

(ab)×c(H) + a× c(HCO3) + (2ab)×c(H2CO3) = (ab)×c(OH) +(ab)×c(NH3·H2O) + b×c(CO32)

(4)框图统筹法:

质子守恒三种思维模型

图7:a mol/L(NH4)2CO3 分析框图

a/(ab)×c(HCO3)+2a/(ab)×c(H2CO3) +a/(ab)× c(H) = 2a/(2ab)×c(NH3·H2O) +a/(ab)×c(OH)

质子守恒三种思维模型

图8:b mol/L NH4HCO3溶液 分析框图

b/(ab)×c(H2CO3) + b/(ab)×c(H) = b/(2ab)×c(NH3·H2O) + b/(ab)×c(OH) +b/(ab)×c(CO32)

合并得:

(2ab)×c(H2CO3) + a×c(HCO3) +(ab)×c(H) = (ab)×c(NH3·H2O) + (ab)×c(OH) + b×c(CO32)

2.2.3数轴法

质子守恒三种思维模型

图9:a mol/L(NH4)2CO3b mol/L NH4HCO3溶液分析数轴

c(OH)-c(H) = a/(ab)×c(HCO3) + (2ab)/(ab)×c(H2CO3) -b/(ab)×c(CO32) -c(NH3·H2O)

即:

(ab)×c(OH) + b×c(CO32) + (ab)×c(NH3·H2O) =(ab)×c(H) +a×c(HCO3) +(2ab)×c(H2CO3)

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(责任编辑:化学自习室)
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