一种二元弱酸酸式盐溶液离子浓度的处理方法与流程

本发明属于化学化工技术领域，尤其涉及一种二元弱酸酸式盐溶液离子浓度的处理方法。

背景技术：

二元弱酸酸式根溶液(如HCO₃^-)的离子浓度问题一直是高中阶段化学学习的重点和难点之一。现通过定量分析来探究CO₃^2-的浓度情况。

常温下，溶液中存在以下平衡：整合有：这实际上是碳酸根的水解方程式；C(HCO₃^-)>2.1×10^-3时，都有：

即C(CO₃^2-)>C(OH^-)>C(H⁺)；

而C(HCO₃^-)<2.1×10^-3时，所提出的结论才可能成立。

可能出现的碳酸氢钠溶液，显然比它的浓度大得多，因此，通过定性分析是有一定局限性的。

高中化学学习中一个经常碰到二元弱酸酸式盐溶液中离子浓度大小的比较问题。高中学习中原有的定性分析的方法在较大的浓度范围内与实验数据结果相差较大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种二元弱酸酸式盐溶液离子浓度的处理方法，旨在解决高中化学学习中原有的定性分析二元弱酸酸式盐溶液中离子浓度大小的比较方法存在较大的浓度范围内与实验数据结果相差较大的问题。

本发明是这样实现的，一种二元弱酸酸式盐溶液离子浓度的处理方法，所述二元弱酸酸式盐溶液离子浓度的处理方法利用质子守恒、平衡常数，定量的算出溶液中各微量离子浓度间的大小关系；包括：对于pH值已知浓度未知的计算方法和浓度已知pH值未知的计算方法。

进一步，所述对于pH值已知浓度未知的计算方法为：

A^2-浓度为C₁，H₂A浓度为C₂，溶液pH值为a；

H₂A的一级、二级电离常数分别为K_a1、K_a2，水的电离常数为K_w；

得H⁺浓度为10^-a，OH^-浓度为K_w·10^a；(以上为设未知数和通过pH值得出氢离子、氢氧根浓度)

有

有(将二元弱酸的一级和二级电离反应式加合，得到含C₁、C₂而不含HA^-离子浓度的一个关系式)

又由质子守恒：

C₁+K_w·10^a＝C₂+10^-a ②(写出溶液的质子守恒式，这是另一个仅含有C₁、C₂而不含HA^-离子浓度的关系式)

代入，经整理有：

(代入整理，消去得出A^2-离子浓度表达式)

(之后再将此式与氢氧根浓度相除，得比较此式与一的关系，便是比较分母与分子绝对值的关系(比较1/K_w-10^2a和10^2a-1/K_a1K_a2两式的绝对值的大小关系)，即可比较碳酸根与氢氧根浓度大小)

(再将③式子与氢离子浓度相减，得确定此式正负性：分母在溶液呈酸性时为正而碱性时为负，分子则需要计算，可以通过比较K_a1K_a2K_w10^4a与1的大小关系得。)

所述浓度已知pH值未知的计算方法为：

NaHA溶液，二元弱酸H₂A的一级电离常数K_a1，二级电离常数K_a2，水的电离常数为K_w；

有：

(写出A^2-水解方程式(注：此处利用此式仅仅是分析溶液终态的离子浓度大小关系、得到平衡状态下的离子浓度关系式，

并不代表溶液中真实反应过程)，即可得到A^2-与HA^-与OH^-的关系式)

当C(HA^-)>K₁＝K_w/K_a2时，有C(A^2-)>C(OH^-)；

C(OH^-)与C(H⁺)的大小关系，直接比较HA^-的水解与电离常数大小即可。

进一步，所述二元弱酸酸式盐溶液离子浓度的处理方法，其特征在于，所述C(H⁺)与C(A^2-)的关系，碳酸氢推导过程：

C(HA^-)＝C,C(H⁺)＝C₁，C(A^2-)＝C₂，C(OH^-)＝C₃，C(H₂A)＝C₄

(设未知数)

由HA^-的电离、水解平衡和水的电离平衡分别可得以下三个式子：

C₁C₂＝CK_a2①

C₃C₄＝CK_w/K_a1②

C₁C₃＝K_w ③

由质子守恒有：C₁+C₄＝C₂+C₃

即C₄＝C₂+C₃-C₁ ④

(分别写出HA^-的电离、水解平衡、水的电离平衡和质子守恒的对应离子浓度关系式)

代入②式，得C₃(C₂+C₃-C₁)＝CK_w/K_a2

再将③式代入，知：

①、③式相除，得：

将⑥代入⑤，得：

(经过一系列计算依次消去氢氧根和H2A浓度)

⑦与③相除：

(得到A^2-与氢离子浓度比值式，比较其分母和分子的大小)

比较此式与1的关系即是比较C₂与C₁的关系，由于分子与分母都显然大于零，此式与1的关系等价于比较与前者大于后者时，有此时C₂>C₁，反之，则有C₂<C₁。

本发明提供的二元弱酸酸式盐溶液离子浓度的处理方法，利用的质子守恒、平衡常数等知识，完全可以定量的算出溶液中各微量离子浓度间的大小关系，较传统的定性分析更为准确。使用溶液浓度比较离子浓度大小的方法新颖之处在于简便，原有定性方法虽简便却有考虑不周之处，因而在许多时候会得到与现实相悖的结论)：以碳酸氢钠为例，碳酸氢根水解、电离和水的电离计算水解时本来就要考虑水的电离平衡移动问题，将它们割裂开来不妥；若从本质看，水解实际上是水提供氢离子供碳酸氢根结合，而实际上大多数氢离子由碳酸氢根提供，后者电离能力强很多，故不能简单地按水解计算。而原有定量方法又较为繁琐。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作详细的描述。

所有的二元弱酸酸式盐溶液中，氢离子、氢氧根、酸根的浓度大小关系：

设NaHA溶液，设二元弱酸H₂A的一级电离常数K_a1，二级电离常数K_a2，水的电离常数为K_w。

那么有：

当C(HA^-)>K₁＝K_w/K_a2时，有C(A^2-)>C(OH^-)；

C(OH^-)与C(H⁺)的大小关系，直接比较HA^-的水解与电离常数大小即可。C(H⁺)与C(A^2-)的关系，碳酸氢推导过程：

设C(HA^-)＝C,C(H⁺)＝C₁，C(A^2-)＝C₂，C(OH^-)＝C₃，C(H₂A)＝C₄；

由HA^-的电离、水解平衡和水的电离平衡分别可得以下三个式子：

C₁C₂＝CK_a2①

C₃C₄＝CK_w/K_a1②

C₁C₃＝K_w ③

由质子守恒有：C₁+C₄＝C₂+C₃

即C₄＝C₂+C₃-C₁ ④

代入②式，得C₃(C₂+C₃-C₁)＝CK_w/K_a2

再将③式代入，知：

②、③式相除，得：

将⑥代入⑤，得：

⑦与③相除：

$\frac{C_2}{C_1}=(\frac{C}{K_{a1}}+1)\&divide;(1+\frac{K_W}{{\mathrm{CK}}_{a2}})$

比较此式与1的关系即是比较C₂与C₁的关系，由于分子与分母都显然大于零，此式与1的关系等价于比较与前者大于后者时，有此时C₂>C₁，反之，则有C₂<C₁。

本发明的实施例的二元弱酸酸式盐溶液离子浓度的处理方法对于pH值已知浓度未知的计算方法为：

重设A^2-浓度为C₁，H₂A浓度为C₂，溶液pH值为a，其它字母同上。

易得H⁺浓度为10^-a，OH^-浓度为K_w·10^a。

H₂A的一级、二级电离常数分别为K_a1、K_a2。

水的电离常数为K_w。

知有

故有

又由质子守恒：

C₁+K_w·10^a＝C₂+10^-a ②

代入，经整理有：

将其除以K_w·10^a以比较C₁与氢氧根浓度大小关系：

得结果为：

由①式得C₁/C₂＝K_a1K_a210^2a，所以当④式分母大于零时，有C₂<C₁，易得溶液呈酸性，那么此时分母也为正数；反之亦然。

④式上下同除K₁K₂，得

比较1/K_w-10^2a和10^2a-1/K_a1K_a2两式的绝对值的大小关系，若前者大于后者，则A^2-浓度大于氢氧根，反之则小于。

将③式减去10^-a来比较C₁与氢离子浓度大小关系：

得结果为

现比较⑤式与零的大小关系，分母在溶液呈酸性时为正而碱性时为负，分子则需要计算，可以通过比较1与K_a1K_a2K_w10^4a的大小关系得。

本发明的实施例的二元弱酸酸式盐溶液离子浓度的处理方法对于浓度较大时的近似算法。(此时只能已知浓度计算)

设C(HA^-)＝C,C(H⁺)＝C₁，C(A^2-)＝C₂，C(OH^-)＝C₃

在溶液浓度不是特别稀时(C>10K_a1)，求二元弱酸的盐溶液的氢离子浓度有近似公式：

(在浓度符合上述条件时，写出氢离子浓度近似公式)

由酸式根的电离易得：

(通过酸式根电离方程式得，将其与氢离子浓度比较)而与C₁比较时发现，C₂>C₁的条件为：C>K_a1，C>10K_a1时均有C₂>C₁。

由水的电离平衡：

(由水的电离平衡得，将其与氢离子浓度比较)

C₂与C₃比较知C₃>C₁的条件为若浓度且符合公式使用的条件，则C₃<C₁。

这种计算方法更加实用且简便，考虑到K_a1、K_a2、K_w在一般情况下的数量级，这种方法得出的结论从一个侧面指出，在浓度不特别小时，A^2-的浓度比氢氧根和氢离子大得多。

下面结合具体实施例对本发明的应用效果作详细的描述。

使用pH比较离子浓度也类似，考虑到有些题目中只给出pH而未给出浓度。

例如：对于25摄氏度下0.1mol/L的碳酸氢钠溶液。

由于0.1mol/L属较大浓度，可以将溶液中碳酸氢根浓度与溶液浓度等同。

传统定性分析认为，碳酸氢根的水解大于电离，有：

C(OH^-)>C(H⁺)

氢离子的浓度为碳酸氢根电离与水的电离之和，那么有：

C(H⁺)>C(CO₃^2-)

水的电离被认为是少量，综合得：

C(OH^-)>C(H⁺)>C(CO₃^2-)

查得25摄氏度下碳酸的一、二级电离常数分别为K_a1＝4.4×10^-7、K_a2＝4.7×10^-11，水的电离常数为K_w＝10^-14

通过本发明提供的方法，显然有C(HA^-)>K_w/K_a2，再加上碳酸氢根水解大于电离，有C(CO₃^2-)>C(OH^-)>C(H⁺)。与传统定量算法有差别。

若通过pH值计算，查得0.1mol/l碳酸氢钠溶液pH为8.309。

有|1/K_w-10^2a|>|10^2a-1/K_a1K_a2|,K_a1K_a2K_w10^4a>1又溶液呈碱性，整合得：

(CO₃^2-)>C(OH^-)>C(H⁺)

考虑到0.1mol/L属较大浓度，可以使用近似法比较。

因为所以氢氧根浓度大于碳酸根，又碳酸氢根水解大于电离，整合有(CO₃^2-)>C(OH^-)>C(H⁺)

查阅资料知，溶液中碳酸氢根浓度为0.1mol/L的溶液，其CO₃^2-、OH^-、H⁺浓度大小分别为：

C(OH^-)＝2.03×10^-6mol/L

C(H⁺)＝4.92×10^-9mol/L

C(CO₃^2-)＝1.140×10^-3mol/L

支持本发明的结论。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。