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酸碱溶液的H+浓度计算(一)
【来源/作者】周世红 【更新日期】2017-12-01

酸度指溶液的H+活度a(H+)以pH表示。pH=lga(H+),它是水溶液中最基本的化学因素。已经知道,pH直接影响弱酸在溶液中各种型体的分布,因此需要准确地知道a(H+)。pH通常用pH计测定,在处理化学平衡中还可以用数学法求得H+浓度。

从质子理论来看,酸碱反应就是质子的传递。所以,在处理溶液中酸碱反应的平衡问题时,应把溶剂也作为参与酸碱反应的一个组分,用质子转移的平衡关系来进行计算。这样做对酸碱平衡关系的理解才是全面的,其结果才是精确的。在酸碱反应中,质子转移的平衡关系称质子条件,列出质子条件,也就列出了计算酸碱平衡的关系式。一般书写质子条件最基本、最可靠的方法,是根据化学反应的物料平衡和电荷平衡来推导。

一、物料平衡、电荷平衡及质子条件式

1、物料平衡

在反应前后,某物质在溶液中可能离解成多种型体,或者因化学反应而生成多种型体的产物。在平衡状态时,该物质的各种型体浓度之和,必然等于该物质的分析浓度。

物质在化学反应中所遵守的这一规律称为物料平衡(或质量平衡)。它的数学表达式叫做物料等衡式或质量等衡式,用MBE表示。

例如,0.10 m01·L-1碳酸氢钠(NaHCO。)在溶液中存在如下的平衡关系:

可见,溶质在溶液中除了以Na+和HCO-3两种型体存在外,还有H2CO3和CO2-3两种型体存在。根据物料平衡规律平衡时有如下关系。

两式分别为溶质对于Na+和HCO3-两种离子的物料等衡式。

对Na+的物料等衡式为:[Na+]=3×0.10 m01·L-1=0.30 mol·L-1

对PO3-4的物料等衡式为: [PO3-4]+[HPO2-4]+[H2PO-4]+[H3PO4]= 0.10mol·L-1

2、电荷平衡

化合物溶于水时,产生带正电荷和负电荷的离子,不论这些离子是否发生化学反应而生成另外的离子或分子,当反应处于平衡状态时,溶液中阳离子所带正电荷的总浓度总是等于阴离子所带负电荷的总浓度,也就是单位体积中,阳离子所带正电荷的量(m01)等于阴离子所带负电荷的量(m01),即溶液总是电中性的。这一规律称为电荷平衡,它的数学表达式叫电荷等衡式,用CBE表示。

现以醋酸HAc溶液为例加以说明,在该溶液中存在如下离解平衡:

溶液中带正电荷的阳离子只有H3O+,电荷数为1;带负电荷的阴离子有OH-和Ac,它们的电荷数均为1。设平衡时这三种离子的浓度分别为[H3O+], [OH-],[Ac-],根据电荷平衡规律HAc溶液的电荷等衡式为:

又如在Na2CO3溶液中,存在如下的离解平衡:

根据电荷平衡规律,该溶液的电荷等衡式为:

由上述二例可知,中性分子不包含在电荷等衡式中。书写电荷等衡方程可简单总结为正电荷写左边,负电荷写右边;所乘系数为相应荷电价数;写电荷等衡式不应忘记H2O提供的带电离子[H+]及[OH-]。

一个体系的物料平衡和电荷平衡在反应达到平衡时同时存在,利用这两个关系式,进一步采用代入法或加减法消去与质子转移无关的各项后,即可导出质子条件。由物料平衡和电荷平衡导出质子条件,是一种最基本的和最可靠的方法,特别是对于比较复杂的体系,可保证不出错误。但是,它的缺点是手续比较繁琐。

3、质子条件式

酸碱反应达到平衡时,酸失去的质子数应等于碱得到的质子数,酸碱之间质子转移的这种等衡关系称为质子条件,亦可称为质子平衡。酸碱得失质子数以物质的量表示时,某种酸失去的质子的量应等于它的共轭碱得到质子的量。同理,某种碱得到的质子的量等于它的共轭酸失去质子的量。其数学表达式称为质子条件式或质子等衡式,用PBE表示。根据质子条件,对于醋酸溶液来说,HAc的离解和一部分水离解反应所失去的质子数(在数值上相当于溶液中的[Ac-]和[OH-]之和),应等于另一部分水得到的质子数(在数值上相当于溶液中的[H3O+]),即:

此式即为HAc溶液的质子等衡式(PBE),它表明平衡时醋酸溶液中H+浓度等于Ac和OH的平衡浓度之和。该式既考虑了HAc的离解,同时又考虑了水的离解作用,可见,质子等衡式反应了酸碱平衡体系中最严密的数量关系,它是定量处理酸碱平衡的依据。

简单酸碱平衡体系,如HAc溶液等,其电荷等衡式就是质子等衡式。复杂酸碱平衡体系的质子等衡式,可通过其电荷等衡式和物料等衡式而求得。

参考资料:分析化学


【关键词】酸碱溶液,酸碱滴定法,国家标准物质网 

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