徐志宏

摘要：分析混合與單一溶液的質(zhì)子守恒式的差別，提出可快速書寫混合溶液中質(zhì)子守恒式的方法——校正法，闡述基礎(chǔ)溶液的選擇原則、修正項(xiàng)表達(dá)式的書寫規(guī)律，并結(jié)合試題詳細(xì)介紹校正法的使用方法。

關(guān)鍵詞：質(zhì)子守恒式；混合溶液；校正法；校正項(xiàng)表達(dá)式

文章編號(hào)：1005-6629（2018）1-0087-05 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

質(zhì)子守恒是有關(guān)化學(xué)反應(yīng)原理的重要知識(shí)。溶液中質(zhì)子守恒式的書寫，不僅能考查學(xué)生核心知識(shí)的掌握情況，而且符合高考“以能力測(cè)試為主導(dǎo)”的要求，有效檢測(cè)學(xué)生運(yùn)用核心知識(shí)分析解決實(shí)際問(wèn)題的化學(xué)素養(yǎng)。近年來(lái)，書寫混合溶液的質(zhì)子守恒式，已經(jīng)在全國(guó)各地的高考試卷中頻繁出現(xiàn)，成為能力考查的熱點(diǎn)題型。

1研究現(xiàn)狀

目前，質(zhì)子守恒式的書寫主要采用質(zhì)子參考水準(zhǔn)法。一般做法是先在矩形框中列出溶液中的質(zhì)子參考水準(zhǔn)，然后在其左側(cè)和右側(cè)分別列出得失質(zhì)子產(chǎn)生的各種微粒，再通過(guò)與質(zhì)子參考水準(zhǔn)對(duì)照確定形成每種微粒轉(zhuǎn)移的質(zhì)子數(shù)目，最后根據(jù)“產(chǎn)物得到的質(zhì)子總數(shù)=產(chǎn)物失去的質(zhì)子總數(shù)”寫出質(zhì)子守恒式。也有根據(jù)“水實(shí)際提供的氫離子=水實(shí)際提供的氫氧根”書寫質(zhì)子守恒式的，兩者本質(zhì)相同。要注意的是，在共軛型混合溶液中，計(jì)算產(chǎn)物得失質(zhì)子總數(shù)時(shí)，無(wú)論采取哪種依據(jù)，都要剔除另一種共軛酸（或共軛堿）對(duì)表達(dá)式的影響。因此，無(wú)論選擇哪種質(zhì)子參考水準(zhǔn)，直接寫出的質(zhì)子守恒式中都有一個(gè)常數(shù)項(xiàng)。

例如，在濃度分別為a、b的Na₂CO₃和NaHCO₃混合溶液中，選擇CO^2-₃和H₂O為質(zhì)子參考水準(zhǔn)，得到的質(zhì)子守恒式為：c（H⁺）+[c（HCO^-₃）-b]+2c（HVCO₃）=c（OH^-）①

選擇HCO^-₃和H₂O為質(zhì)子參考水準(zhǔn)，得到的質(zhì)子守恒式為：

c（H⁺）+c（H₂CO₃）=c（OH^-）+[c（CO^2-₃）-a]②

從近年的文獻(xiàn)來(lái)看，研究者主要關(guān)注三個(gè)問(wèn)題：第一，如何選擇質(zhì)子參考標(biāo)準(zhǔn)；第二，應(yīng)該選擇幾個(gè)質(zhì)子參考標(biāo)準(zhǔn)；第三，如何進(jìn)行多個(gè)質(zhì)子守恒式的合并。

其實(shí)，這三個(gè)問(wèn)題早有研究者給出了答案。選擇質(zhì)子參考標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，對(duì)非共軛體系應(yīng)該選擇參與質(zhì)子轉(zhuǎn)移的不同組分和水作為質(zhì)子參考標(biāo)準(zhǔn)，在共軛體系中同一組分每次只要任意選擇一種型體和水作為質(zhì)子參考標(biāo)準(zhǔn)（一般選擇大量存在的型體）。此處，將不能通過(guò)結(jié)合質(zhì)子相互轉(zhuǎn)化的微粒看成不同組分，將能夠通過(guò)結(jié)合質(zhì)子相互轉(zhuǎn)化的微粒看成同一組分的不同型體。

例如在Na₂CO₃和NaHCO₃混合溶液中，CO^2-₃和HCO^-₃能夠通過(guò)得失1個(gè)質(zhì)子相互轉(zhuǎn)化，應(yīng)該看成是同一組分H_iCO^（2-i）-₃的不同型體，在選擇質(zhì)子參考標(biāo)準(zhǔn)時(shí)只要選擇一個(gè)。在NH4 H2POrt溶液中，NH⁺₄和H₂PO^-₄不能夠通過(guò)得失質(zhì)子相互轉(zhuǎn)化，應(yīng)該看成是兩種不同組分，在選擇質(zhì)子參考標(biāo)準(zhǔn)時(shí)要同時(shí)選中。

第二和第三個(gè)問(wèn)題，本質(zhì)上是同一個(gè)問(wèn)題，即如何消去質(zhì)子守恒式中的常數(shù)項(xiàng)。細(xì)心的研究者可以發(fā)現(xiàn)，與大學(xué)階段不同，中學(xué)階段最終書寫的質(zhì)子守恒式中都沒(méi)有常數(shù)項(xiàng)。這就需要在基于某個(gè)質(zhì)子參考標(biāo)準(zhǔn)直接寫出質(zhì)子守恒式之后，通過(guò)多個(gè)等式的合并來(lái)消去常數(shù)項(xiàng)?；蛟S是由于對(duì)該操作目的性認(rèn)識(shí)的缺失，部分研究者才會(huì)不斷提出“如何書寫濃度不同的混合溶液的質(zhì)子守恒式”這個(gè)偽課題，作出同一溶液中不同質(zhì)子參考標(biāo)準(zhǔn)不等效的錯(cuò)誤論斷，或采取舍棄常數(shù)項(xiàng)而直接乘以濃度進(jìn)行合并的錯(cuò)誤做法。

通常，多數(shù)研究者會(huì)采取選擇不同質(zhì)子參考標(biāo)準(zhǔn)的策略寫出兩個(gè)質(zhì)子守恒式，進(jìn)而合并消去常數(shù)項(xiàng)。值得注意的是，合并不是簡(jiǎn)單的加減，可能還要緊扣消去常數(shù)項(xiàng)這個(gè)目的乘以或除以一定的系數(shù)。

例如，在濃度分別為a、b的Na₂CO₃和NaHCO₃混合溶液中，采?、偈?②式的處理方法就無(wú)法消去常數(shù)項(xiàng)a和b，而應(yīng)該采?、偈健羇+②式×b的做法。處理后的結(jié)果為：

（a+b）×c（H⁺）+a×c（HCO^-₃）+（2a+b）

×c（H₂CO₃）=b×c（CO^2-₃）+（a+b）×c（OH^-）③

此外，消去常數(shù)項(xiàng)也可以通過(guò)物料守恒代人法進(jìn)行處理。文獻(xiàn)“用組分分離法書寫混合溶液的質(zhì)子守恒式”、“雙組分混合溶液中質(zhì)子守恒式的書寫”和“框圖法書寫混合溶液質(zhì)子守恒式的改進(jìn)”本質(zhì)上就是采用該方法來(lái)消去常數(shù)項(xiàng)的。

2校正法書寫混合溶液的質(zhì)子守恒式

校正法是根據(jù)化學(xué)平衡“只與反應(yīng)條件和反應(yīng)物的用量有關(guān)”的特點(diǎn)而首創(chuàng)的一種快速書寫混合溶液中質(zhì)子守恒式的方法。該方法忽略混合溶液中溶質(zhì)之問(wèn)的具體反應(yīng)，直接把溶液看成“不反應(yīng)”的基礎(chǔ)溶液和外加溶液兩部分，通過(guò)校正外加溶液中相關(guān)微粒對(duì)基礎(chǔ)溶液的質(zhì)子守恒式的影響，得出混合溶液的質(zhì)子守恒式。endprint

2.1校正法的原理推導(dǎo)

將上述③式變形，有：

仔細(xì)觀察，還會(huì)發(fā)現(xiàn)④式的剩余部分與Na₂CO₃溶液中質(zhì)子守恒式c（H⁺）+c（HCO^-₃）+2c（H₂CO₃）=c（OH^-）相同，⑤式的剩余部分與NaHCO₃溶液中質(zhì)子守恒式c（H⁺）+c（H₂CO₃）=c（CO^2-₃）+c（OH^-）相同。所以，在書寫混合溶液的質(zhì)子守恒式時(shí)，可以先寫出基礎(chǔ)溶液中的質(zhì)子守恒式，再通過(guò)減去外加溶液中相關(guān)粒子的初始濃度進(jìn)行校正，從而得出混合溶液中的質(zhì)子守恒式。此處“外加溶液”既可以是后來(lái)加入的溶液，也可以是選為基礎(chǔ)溶液之外的溶液。而“初始濃度”既可以理解為幾種溶液充分反應(yīng)后，各物質(zhì)在混合溶液中的實(shí)際濃度；也可以理解為暫不考慮物質(zhì)之間的反應(yīng)，而根據(jù)稀釋規(guī)律直接求得的濃度。根據(jù)等效平衡原理，這兩種處理方法最終得到的質(zhì)子守恒式是完全相同的，使用者可根據(jù)自己的習(xí)慣和實(shí)際情況靈活選用。其中，第二種處理方法可以避免學(xué)習(xí)者糾結(jié)于具體的反應(yīng)過(guò)程，減少了大量的計(jì)算和判斷，給解題帶來(lái)了極大便利。

2.2基礎(chǔ)溶液的選擇原則

校正法本質(zhì)上是基于質(zhì)子參考標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)外加溶液提供的型體（或組分）的濃度常數(shù)項(xiàng)進(jìn)行形式上的校正處理，所以選擇基礎(chǔ)溶液的原則與選擇質(zhì)子參考標(biāo)準(zhǔn)的要求相同。例如，在Na₂C₂O₄和H₂C₂O₄混合溶液中，C₂O^2-₄與H₂C₂O₄能夠通過(guò)得失2個(gè)質(zhì)子相互轉(zhuǎn)化，屬于共軛體系，所以可以選擇Na₂C₂O₄為基礎(chǔ)溶液，把H₂C₂O₄看成外加溶液；也可以選擇H₂C₂O₄為基礎(chǔ)溶液，把Na₂C₂O₄看成外加溶液。又如，在Na₂C₂O₄和Na₂CO₃混合溶液中，C₂O^2-₄和CO^2-₃不能夠通過(guò)得失質(zhì)子相互轉(zhuǎn)化，屬于非共軛體系，Na₂C₂O₄和Na₂CO₃必須同時(shí)選為基礎(chǔ)溶液。

2.3校正項(xiàng)表達(dá)式的書寫規(guī)律

根據(jù)化學(xué)平衡移動(dòng)原理，只要沒(méi)有產(chǎn)生氣體或沉淀，平衡時(shí)質(zhì)子守恒式只與投料條件有關(guān)，而與具體投料方式無(wú)關(guān)。所以，濃度分別為a、b的Na₂CO₃和NaHCO₃混合溶液，可以看成是由下列（1）、（2）、（3）三種情況的混合溶液反應(yīng)而成。

2.4校正法書寫混合溶液中質(zhì)子守恒式的步驟

（1）選擇基礎(chǔ)溶液，寫出原始濃度時(shí)的質(zhì)子守恒式。

例如，在10mL0.3moL/L CH₃COOH溶液與20mL0.6mol/L NaOH溶液混合時(shí)，如果考慮CH₃COOH與NaOH的反應(yīng)，得到CH₃COONa與NaOH混合溶液，屬于非共軛型混合溶液，應(yīng)該選擇CH₃COONa溶液為基礎(chǔ)溶液，其質(zhì)子守恒式為c（OH^-）=c（CH₃COOH）+c（H⁺）。如果暫不考慮兩者的反應(yīng)，也屬于非共軛型混合溶液，應(yīng)該選擇CH₃COOH溶液為基礎(chǔ)溶液，其質(zhì)子守恒式⑥為c（OH^-）+c（CH₃COO^-）=c（H⁺）。

接下來(lái)的分析，都以暫不考慮CH3COOH與NaOH的反應(yīng)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。

（2）根據(jù)基礎(chǔ)溶液，求出混合溶液中各組分的原始濃度。

在上例中，第二種情況時(shí)CH₃COOH的原始濃度endprint