高中化学质子守恒三种思维模型

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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CO₃^2-、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CO₃^2-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。

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(CO₃^2-) + c(OH^-)

物料守恒：c(NH₄⁺) + c(NH₃·H₂O) = c(HCO₃^-) + c(H₂CO₃) + c(CO₃^2-)

质子守恒：c(H₂CO₃) + c(H⁺) = c(NH₃·H₂O) + c(CO₃^2-) + c(OH^-)

2.1.2框图法：

图1:a mol/L NH₄HCO₃ 溶液分析框图

c(NH₃·H₂O) + c(CO₃^2-) + c(OH^-) = c(H₂CO₃) + c(H⁺)

2.1.3数轴解析法：

图2:a mol/L NH₄HCO₃ 溶液分析数轴

c(NH₃·H₂O) + c(CO₃^2-) + 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

2.2.1代数推演法

电荷守恒式：c(NH₄⁺)+c(H⁺)=c(HCO₃^-)+2c(CO₃^2-)+c(OH^-)………………………①

物料守恒式：(a+b)[c(NH₄⁺)+c(NH₃·H₂O)] = (2a+b)[c(H₂CO₃) + c(HCO₃^-)+c(CO₃^2-)]…②

由①②合并，消去c(NH₄⁺),得：

(2a+b) c(H₂CO₃) + ac(HCO₃^-)+(a+b)c(H⁺)=(a+b) c(NH₃·H₂O) + bc(CO₃^2-)+ (a+b) c(OH^-)

2.2.2框图法：

(1)组分分离法一:

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

图4:b mol/L NH₄HCO₃溶液 分析框图

bc(H₂CO₃)+b c(H⁺)=b c(CO₃^2-) + 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(CO₃^2-)

(2)组分分离法二:

c(NH₃·H₂O) + c(OH^-) = c(HCO₃^-) + 2c(H₂CO₃) + c(H⁺) -b/(a+b) [c(CO₃^2-) + c(HCO₃^-) + c(H₂CO₃)]

即：

(a+b) c(NH₃·H₂O) + (a+b) c(OH^-) + bc(CO₃^2-) = a c(HCO₃^-) + (a+b) c(H⁺) + (2a+b) c(H₂CO₃)

 

(3)组分分离法三:

图5:a mol/L(NH₄)2CO₃ 分析框图

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

c(H₂CO₃) + c(H⁺) = c(OH^-) + c(NH₃·H₂O) + c(CO₃^2-) -a……………………②

①×a + ②×b 得：

(a+b) c(H⁺) + a c(HCO₃^-) + (2a+b) c(H₂CO₃) = (a+b) c(OH^-) +(a+b) c(NH₃·H₂O) + b c(CO₃^2-)

(4)框图统筹法:

图7:a mol/L(NH4)2CO3 分析框图

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) CO₃^2-

合并得：

(2a+b) c(H₂CO₃) + ac(HCO₃^-) +(a+b) c(H⁺) = (a+b) c(NH₃·H₂O) + (a+b) c(OH^-) + b c(CO₃^2-)

2.2.3数轴法

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(CO₃^2-) -c(NH₃·H₂O)

即：

(a+b) c(OH^-) + b c(CO₃^2-) + (a+b) c(NH₃·H₂O) =(a+b) c(H⁺) + a c(HCO₃^-) +(2a+b) c(H₂CO₃)

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