[科普中國]-質(zhì)子守恒

質(zhì)子守恒是指酸失去的質(zhì)子和堿得到的質(zhì)子數(shù)目相同，質(zhì)子守恒和物料守恒，電荷守恒一樣同為溶液中的三大守恒關(guān)系1。

書寫方法由電荷守恒和物料守恒關(guān)系聯(lián)立得到2

例如：Na2CO3溶液

①電荷守恒： c(Na+) +c(H+)===c(OH-) +2c(CO32-) +c(HCO3-) 正電荷=負(fù)電荷

② 物料守恒： c（Na+)= 2c(CO32-) +2c(HCO3-) +2c(H2CO3)

①-②得 質(zhì)子守恒： c(OH-) =c(H+) +c(HCO3-) +2c(H2CO3) 水電離出的H+=OH-

NaHCO3溶液34

① c(H+)+c(Na+)=c(HCO3-)+2c(CO32-)+c(OH-)
② c(Na+)=c(HCO3-)+c(CO32-)+c(H2CO3){物料守恒}

方法一：兩式相減①-②得

c(H+)= c（OH-）+c（CO32-）-c（H2CO3）這個(gè)式子叫質(zhì)子守恒。

方法二：由酸堿質(zhì)子理論

原始物種：HCO3-，H2O

消耗質(zhì)子產(chǎn)物H2CO3，產(chǎn)生質(zhì)子產(chǎn)物CO32-，OH-

c（H+）=c（CO32-）+c(OH-)-c（H2CO3）即c（H+）+c（H2CO3）=c（CO32-）+c(OH-)

關(guān)系：剩余的質(zhì)子數(shù)目=產(chǎn)生質(zhì)子的產(chǎn)物數(shù)目-消耗質(zhì)子的產(chǎn)物數(shù)目

直接用酸堿質(zhì)子理論求質(zhì)子平衡關(guān)系比較簡單，但要細(xì)心；如果用電荷守恒和物料守恒關(guān)系聯(lián)立得到則比較麻煩，但比較保險(xiǎn)。

又如NaH2PO4溶液

原始物種：H2PO4-，H2O

消耗質(zhì)子產(chǎn)物：H3PO4 H+產(chǎn)生質(zhì)子產(chǎn)物：HPO42-（產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)子），PO43-（產(chǎn)生二個(gè)質(zhì)子），OH-

所以：c（H+）=c(HPO42-)+2c(PO43-)+c(OH-)-c（H3PO4）

可以用電荷守恒和物料守恒聯(lián)立驗(yàn)證.快速書寫

快速書寫質(zhì)子守恒的方法：

第一步：定基準(zhǔn)物（能得失氫離子的物質(zhì)，若為溶液則包括水）利用電離和水解得到得質(zhì)子產(chǎn)物和失質(zhì)子產(chǎn)物。

第二步：看基準(zhǔn)物 ，得質(zhì)子產(chǎn)物和失質(zhì)子產(chǎn)物相差的質(zhì)子數(shù)。

第三步： 列出質(zhì)子守恒關(guān)系式 得質(zhì)子數(shù)=失質(zhì)子數(shù)。

第四步：用物料守恒和電荷守恒加以驗(yàn)證。

主要題型1.單一的酸溶液

例：H3PO4溶液中：

基準(zhǔn)物：H2O 和 H3PO4.

得質(zhì)子產(chǎn)物：H3O+（相差1個(gè)質(zhì)子）即H+

失質(zhì)子產(chǎn)物：H2PO4- （相差1個(gè)質(zhì)子）

HPO42-（差2個(gè)質(zhì)子）

PO43-（相差3個(gè)質(zhì)子）

OH- (相差1個(gè)質(zhì)子)

質(zhì)子守恒關(guān)系式為：

c(H+) = c(H2PO4-) + 2c(HPO42-) + 3c(PO43-) + c(OH-)

2.單一的堿溶液 例：NH3·H2O溶液中：

基準(zhǔn)物：H2O NH3·H2O

得質(zhì)子產(chǎn)物：H3O+（相差1個(gè)質(zhì)子）即H+

NH4+ （相差1個(gè)質(zhì)子）

失質(zhì)子產(chǎn)物：OH- (相差1個(gè)質(zhì)子)

質(zhì)子守恒關(guān)系式為：c(H+) + c(NH4+) = c(OH-) 不難看出單一的酸溶液或者堿溶液的質(zhì)子守恒其實(shí)就是電荷守恒。 混合酸的溶液或者混合堿溶液也是這個(gè)樣子滴！

3.單一的正鹽溶液

例(1)：Na2CO3溶液5

基準(zhǔn)物：H2O CO32-

得質(zhì)子產(chǎn)物：

H3O+（相差1個(gè)質(zhì)子）即H+

HCO3-（相差1個(gè)質(zhì)子）

H2CO3（相差2個(gè)質(zhì)子）

失質(zhì)子產(chǎn)物：OH- (相差1個(gè)質(zhì)子)

質(zhì)子守恒關(guān)系式為： c(H+) + c(HCO3-) + 2c(H2CO3) = c(OH-)

例(2)：NH4Cl溶液

基準(zhǔn)物：H2O 、NH4+ 得質(zhì)子產(chǎn)物：H3O+（相差1個(gè)質(zhì)子）即H+

失質(zhì)子產(chǎn)物：

NH3·H2O（相差1個(gè)質(zhì)子）

OH- (相差1個(gè)質(zhì)子)

質(zhì)子守恒關(guān)系式為 c(H+) = c(NH3·H2O) + c(OH-)

例(3)：(NH4)3PO4溶液

基準(zhǔn)物：H2O 、NH4+ 、 PO43-

得質(zhì)子產(chǎn)物：

H3O+（相差1個(gè)質(zhì)子）即H+

HPO42-（相差1個(gè)質(zhì)子）

H2PO4- （相差2個(gè)質(zhì)子）

H3PO4（相差3個(gè)質(zhì)子）

失質(zhì)子產(chǎn)物：

NH3·H2O（相差1個(gè)質(zhì)子）

OH- (相差1個(gè)質(zhì)子)

質(zhì)子守恒關(guān)系式為 c(H+) + c(HPO42-) + 2c(H2PO4-) + 3c(H3PO4) = c(NH3·H2O) + c(OH-)

4 .單一的酸式鹽溶液

例(1)：NaH2PO4溶液

基準(zhǔn)物：H2O H2PO4-

得質(zhì)子產(chǎn)物：H3O+（相差1個(gè)質(zhì)子）即H+

H3PO4（相差1個(gè)質(zhì)子）

失質(zhì)子產(chǎn)物：

HPO42-（相差1個(gè)質(zhì)子）

PO43-（相差2個(gè)質(zhì)子）

OH- (相差1個(gè)質(zhì)子)

質(zhì)子守恒關(guān)系式為

c(H+) + c(H3PO4) = c(HPO42-) + 2c(PO43-) + c(OH-)

例(2)：NH4HCO3溶液 基準(zhǔn)物：H2O 、 NH4+ 、HCO3- 得質(zhì)子產(chǎn)物：H3O+（相差1個(gè)質(zhì)子）即H+

H2CO3（相差1個(gè)質(zhì)子）

失質(zhì)子產(chǎn)物：

NH3·H2O（相差1個(gè)質(zhì)子）

CO32- （相差1個(gè)質(zhì)子）

OH- (相差1個(gè)質(zhì)子)

質(zhì)子守恒關(guān)系式為 c(H+)+ c(H2CO3) = c(NH3·H2O) + c(CO32-) + c(OH-)

例(3)：(NH4)2HPO4溶液 基準(zhǔn)物：H2O 、 NH4+、HPO42- 得質(zhì)子產(chǎn)物：H3O+（相差1個(gè)質(zhì)子）即H+

H2PO4- （相差1個(gè)質(zhì)子）

H3PO4 （相差2個(gè)質(zhì)子）

失質(zhì)子產(chǎn)物：NH3·H2O（相差1個(gè)質(zhì)子）

PO43- （相差1個(gè)質(zhì)子）

OH- (相差1個(gè)質(zhì)子)

質(zhì)子守恒關(guān)系式為 c(H+) + c(H2PO4-) + 2c(H3PO4) = c(NH3·H2O) + c(PO43-) + c(OH-)

5.多種鹽的混合溶液 例：CH3COONa與NaF的混合液 基準(zhǔn)物：H2O CH3COO- F-

得質(zhì)子產(chǎn)物：

H3O+（相差1個(gè)質(zhì)子）即H+

CH3COOH（相差1個(gè)質(zhì)子）

HF（相差1個(gè)質(zhì)子）

失質(zhì)子產(chǎn)物：OH- (相差1個(gè)質(zhì)子) 質(zhì)子守恒關(guān)系式為 c(H+) + c(CH3COOH) + c(HF) = c(OH-)

6.酸堿反應(yīng)后的混合溶液：此類型混合溶液，應(yīng)運(yùn)用物料守恒和電荷守恒聯(lián)立消去強(qiáng)酸或強(qiáng)堿離子后得到質(zhì)子守恒變式。質(zhì)子守恒關(guān)系式特殊。

例(1)：同濃度同體積的CH3COONa與CH3COOH混合液

物料守恒：c(CH3COO-)+ c(CH3COOH) = 2c(Na+)

電荷守恒：c(Na+)+ c(H+) = c(CH3COO-) + c(OH-)

質(zhì)子守恒關(guān)系式為：2c(H+)+c(CH3COOH)=2c(OH-)+c(Na+)

例(2)：同濃度同體積的CH3COONa與NaOH混合液

物料守恒：2[c(CH3COO-)+ c(CH3COOH) ]= c(Na+)

電荷守恒：c(Na+) + c(H+) = c(CH3COO-) + c(OH-)

質(zhì)子守恒關(guān)系式為：c(H+) + 2c(CH3COOH) + c(CH3COO-) = c(OH-)

例(3)：同濃度同體積的NH4Cl與NH3·H2O混合液

物料守恒： c(NH4+)+ c(NH3·H2O) =2 c(Cl-)

電荷守恒： c(NH4+) + c(H+) = c(Cl-) + c(OH-)即2c(NH4+) +2 c(H+) = 2c(Cl-) + 2c(OH-)

質(zhì)子守恒關(guān)系式為：2c(H+) +c(NH4+) = c(NH3·H2O) + 2c(OH-)

例(4)：同濃度同體積的NH4Cl與HCl混合液

物料守恒：2[ c(NH4+)+ c(NH3·H2O) ]= c(Cl-)

電荷守恒： c(NH4+) + c(H+) = c(Cl-) + c(OH-)

質(zhì)子守恒關(guān)系式為：c(H+) = c(NH4+) + 2c(NH3·H2O) + c(OH-)

解讀一般情況下，很少單獨(dú)考慮質(zhì)子守恒，實(shí)際上在鹽（水）溶液中存在的質(zhì)子守恒可看作是物料守恒與電荷守恒的疊加項(xiàng)

所謂的質(zhì)子守恒，實(shí)質(zhì)是從水的電離出發(fā)，考慮弱酸根離子結(jié)合水電離出的H+或弱堿陽離子結(jié)合水電離出的OH-，然后在溶液中尋找H+和OH-的“藏身”之所，而列出的等式關(guān)系。常用于鹽溶液中粒子濃度關(guān)系的比較

下面以Na2CO3溶液、NH4Cl溶液和(NH4)2CO3溶液為例，來確定它們的溶液中各自存在的質(zhì)子守恒關(guān)系。

1、Na2CO3溶液

在不考慮CO32-水解時(shí)，水電離出的H+與OH-的物質(zhì)的量是相等的，但當(dāng)CO32-水解結(jié)合部分水電離出的H+后，分別生成了HCO3-（結(jié)合一個(gè)H+）和H2CO3(結(jié)合兩個(gè)H+)，而OH-未被消耗，因此可列出等式關(guān)系：c(OH-)=c(H+)+c(HCO3-)+2c(H2CO3)，即Na2CO3溶液中的質(zhì)子守恒

2、NH4Cl溶液

NH4+水解結(jié)合的是由水電離出的部分OH-，生成了NH3·H2O，而H+未被消耗，因此可列出等式關(guān)系：c(H+)=c(OH-)+c(NH3·H2O)，即為NH4Cl溶液中的質(zhì)子守恒

3、(NH4)2CO3溶液

NH4+水解結(jié)合的是由水電離出的部分OH-，生成了NH3·H2O；CO32-水解結(jié)合部分水電離出的H+，分別生成了HCO3-和H2CO3，H+、OH-都有一部分被消耗，分別尋找H+、OH-在溶液中的“藏身”之所，即可列出下列等式關(guān)系：

c(H+)+c(HCO3-)+2c(H2CO3)=c(OH-)+c(NH3·H2O)，即為(NH4)2CO3溶液中的質(zhì)子守恒。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

陳偉 - 副教授 - 武漢工程大學(xué)