三大守恒定律是解决高考大题必不可少的技巧!那么,如何写化学中三大守恒式(电荷守恒,物料守恒,质子守恒)?这三个守恒的最大应用是判断溶液中粒子浓度的大小,或它们之间的关系等式。
即溶液永远是电中性的,所以阳离子带的正电荷总量=阴离子带的负电荷总量
例:NH4Cl溶液:
c(NH+4)+c(H+)= c(Cl-)+ c(OH-)
写这个等式要注意2点:
1、要判断准确溶液中存在的所有离子,不能漏掉。
2、注意离子自身带的电荷数目。
如,
Na2CO3溶液:
c(Na+)+ c(H+)= 2c(CO32-)+ c(HCO3-)+ c(OH-)
NaHCO3溶液:
c(Na+)+ c(H+)= 2c(CO32-) + c(HCO3-)+ c(OH-)
NaOH溶液:
c(Na+) + c(H+) =c(OH-)
Na3PO4溶液:
c(Na+) + c(H+) = 3c(PO43-) + 2c(HPO42-) + c(H2PO4-) + c(OH-)
即元素守恒。加入的溶质组成中存在的某些元素之间的特定比例关系,由于水溶液中一定存在水的H、O元素,所以物料守恒中的等式一定是非H、O元素的关系。
例:
NH4Cl溶液:
化学式中N:Cl=1:1,即得到,c(NH4+)+ c(NH3·H2O) = c(Cl-)
Na2CO3溶液:
Na:C=2:1,即得到,c(Na+) = 2c(CO32-+ HCO3- + H2CO3)
NaHCO3溶液:
Na:C=1:1,即得到,c(Na+) = c(CO32-)+ c(HCO3-) + c(H2CO3)
写这个等式要注意,把所有含这种元素的粒子都要考虑在内,可以是离子,也可以是分子。
即H+守恒,溶液中失去H+总数等于得到H+总数,或者水溶液的由水电离出来的H+总量与由水电离出来的OH-总量总是相等的,也可利用物料守恒和电荷守恒推出。
实际上,有了上面2个守恒就够了,质子守恒不需要背。例如:
NH4Cl溶液:
电荷守恒:c(NH4+) + c(H+) = c(Cl-) + c(OH-)
物料守恒:c(NH4+)+ c(NH3·H2O)= c(Cl-)
处理一下,约去无关的Cl-,得到,c(H+) = c(OH-) + c(NH3·H2O),即是质子守恒。
Na2CO3溶液:
电荷守恒:c(Na+)+ c(H+) = 2c(CO32-) + c(HCO3-) + c(OH-)
物料守恒:c(Na+)= 2c(CO32-+ HCO3- + H2CO3)
处理一下,约去无关的Na+,得到,c(HCO3-)+ 2c(H2CO3) + c(H+) = c(OH-),即是质子守恒。
同样,可以得到其它的。
也可以这么说,质子守恒,即所有提供的质子都由来有去。
如:
NH4Cl溶液,水电离出的,c(H+) = c(OH-),但是部分OH-被NH+ 4结合成NH3·H2O,而且是1:1结合,而H+不变,所以得到:
c(H+) = 原来的总c(OH-) = 剩余c(OH-) + c(NH3·H2O)
Na2CO3溶液,水电离出的,c(H+) = c(OH-),但是部分H+被CO32-结合成HCO3-,而且是1:1结合,还有部分继续被HCO3-3结合成H2CO3,相当于被CO32-以1:2结合,而OH-不变,所以得到:
c(OH-) = 原来总c(H+) = c(HCO3-) + 2c(H2CO3) + 剩余c(H+)
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。
即上面例子介绍的!
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[2],也可称之为校正法[3],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。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。2.1单一溶液 a mol/L NH4HCO3 溶液电荷守恒: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-)图1:a mol/L NH4HCO3 溶液分析框图c(NH3·H2O) + c(CO32-) + c(OH-) = c(H2CO3) + c(H+)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)2CO3 与 b mol/L NH4HCO3溶液电荷守恒式:c(NH4+)+c(H+)=c(HCO3-)+2c(CO32-)+c(OH-)………………………①物料守恒式:(a+b)[c(NH4+)+c(NH3·H2O)] = (2a+b)[c(H2CO3) + c(HCO3-)+c(CO32-)]…②(2a+b) c(H2CO3) + ac(HCO3-)+(a+b)c(H+)=(a+b) c(NH3·H2O) + bc(CO32-)+ (a+b) c(OH-)a c(HCO3-) + 2a c(H2CO3) + a c(H+) = 2a c(NH3·H2O) + a c(OH-)……①图4:b mol/L NH4HCO3溶液 分析框图bc(H2CO3)+b c(H+)=b c(CO32-) + b c(NH3·H2O) + b c(OH-)……② 合并①②得:(2a+b) c(H2CO3) + a c(HCO3-) + (a+b)c(H+) = (a+b)c(NH3·H2O) + (a+b) c(OH-)+ b c(CO32-)c(NH3·H2O) + c(OH-) = c(HCO3-) + 2c(H2CO3) + c(H+) -b/(a+b) [c(CO32-) + c(HCO3-) + c(H2CO3)](a+b) c(NH3·H2O) + (a+b) c(OH-) + bc(CO32-) = a c(HCO3-) + (a+b) c(H+) + (2a+b) c(H2CO3)c(HCO3-) + 2c(H2CO3) + c(H+) -b = c(OH-) + c(NH3·H2O)……………………①c(H2CO3) + c(H+) = c(OH-) + c(NH3·H2O) + c(CO32-) -a……………………②(a+b) c(H+) + a c(HCO3-) + (2a+b) c(H2CO3) = (a+b) c(OH-) +(a+b) c(NH3·H2O) + b c(CO32-)a/(a+b) c(HCO3-)+2a/(a+b) c(H2CO3) +a/(a+b) c(H+) = 2a/(2a+b)c(NH3·H2O) +a/(a+b) c(OH-)图8:b mol/L NH4HCO3溶液 分析框图b/(a+b) c(H2CO3) + b/(a+b) c(H+) = b/(2a+b) c(NH3·H2O) + b/(a+b) c(OH-) +b/(a+b) CO32-(2a+b) c(H2CO3) + ac(HCO3-) +(a+b) c(H+) = (a+b) c(NH3·H2O) + (a+b) c(OH-) + b c(CO32-)图9:a mol/L(NH4)2CO3 与 b mol/L NH4HCO3溶液分析数轴c(OH-)-c(H+) = a/(a+b) c(HCO3-) + (2a+b)/(a+b) c(H2CO3) - b/(a+b)c(CO32-) -c(NH3·H2O)(a+b) c(OH-) + b c(CO32-) + (a+b) c(NH3·H2O) =(a+b) c(H+) + a c(HCO3-) +(2a+b) c(H2CO3)