一、電荷守恒
電解質溶液中不論存在多少種離子,溶液總是呈電中性的,就是說陽離子所帶的正電荷總數一定等于陰離子所帶負電荷的總數,這就是電荷守恒規(guī)律。在應用這個定律時,要明確溶液呈電中性和溶液呈中性是兩個不同的概念,因為只有當c(H+)=c(OH-)時,溶液才呈中性。
例如:NaHCO3溶液中存在著:c (Na+) + c (H+) = c (HCO3-) + c (OH-) + 2c (CO32—)
解析:溶液中存在有以下電離:NaHCO3=Na+ + HCO3-、HCO3-H+ + CO32-、H2OH+ + OH-和水解:HCO3- +H2OH2CO3 +OH-,所以溶液中存在Na+、H+、HCO3-、CO32-、OH- 這些離子,陽離子所帶正電荷總數為:c (Na+) + c (H+),由于CO32-帶兩個單位負電荷,故陰離子所帶電荷總數為 c (HCO3-) + c (OH-)+ 2c (CO32—)。根據電荷守恒,必然有如下關系:c (Na+) + c (H+) = c (HCO3-) + c (OH-) + 2c (CO32—)
電荷守恒的應用舉例:
例題1.某地的雨水呈酸性,取其少量進行檢測,其中含各離子的物質的量濃度分別為:c (Na+)=5.0×10-5mol·L-1,c(Cl-)=7.1×10-5mol·L-1, c(SO42-)=4.5×10-6mol·L-1,c (NH4+)=1.0×10-6mol·L-1,則雨水中氫離子的物質的量濃度是多少?
解析:該題可采用電荷守恒法:c (Na+) + c (NH4+)+ c (H+)酸+ c (H+)水 = c (OH-)水 + c(Cl-) +2c (SO42-),由于溶液顯酸性,c (OH-)水 很小,且有:c (H+)水 = c (OH-)水 ,即由水電離出來的氫離子和氫氧根離子的數目相等,故可以略去不計。代入數據有:
5.0×10-5mol·L-1+1.0×10-6mol·L-1+c (H+)
=7.1×10-5mol·L-1+2×4.5×10-6mol·L-1,解得:c (H+) =2.9×10-5mol·L-1
答案:c (H+) =2.9×10-5mol·L-1
點撥:在解答此題時有的學生往往列出:c (Na+) + c (NH4+)+ c (H+)=c(Cl-) +c (SO42-)而導致計算產生錯誤,究其原因是對電荷守恒沒有理解透徹。電荷守恒是用離子的濃度或物質的量來表示電荷關系的,所以不僅要考慮離子的濃度或物質的量,還要考慮離子所帶的電荷。
二、物料守恒
在電解質溶液中,由于某些離子能夠水解,離子的種類可能增多,但原子總是守恒的。例如Na2S溶液中,存在如下電離:Na2S=2Na+ + S2-、H2OH+ + OH-和水解:
S2-+H2OHS- + OH-、HS-+H2OH2S + OH-,因此S元素以S2-、HS-、H2S三種形式存在,但不管如何,Na原子的物質的量總是S原子物質的量的2倍。根據物料守恒,必然有:c (Na+) =2[ c (S2-) + c (HS-) + c (H2S) ]= 2 c (S2-) + 2c (HS-) + 2c (H2S)
例題2. 寫出K3PO4 溶液中存在的物料守恒關系式___________________。
解析:在K3PO4 溶液中,PO43-部分水解成HPO42-、H2PO4-、H3PO4,其物料守恒關系式為:c(K+) =3[c (PO43-) + c (HPO42-) + c (H2PO4-) + c (H3PO4)]
=3c (PO43-)+ 3c (HPO42-) + 3c (H2PO4-) + 3c (H3PO4)
答案:c(K+) =3c(PO43-)+ 3c(HPO42-) + 3c(H2PO4-) + 3c(H3PO4)
三、質子守恒
質子守恒是指電解質溶液中的粒子電離出的H+的總數等于粒子接收的H+的總數再加上游離的H+的總數;蛘呃斫鉃殡娊赓|溶液中的分子或離子得到或失去的質子的物質的量相等。如Na2S溶液中的質子轉移示意圖:
由上圖不難看出質子守恒的關系式為:
c (H3O+) + c (HS-) + 2c (H2S) = c (OH-)或 c (H+) + c (HS-) + 2c (H2S) = c (OH-)
實際上,質子守恒也可根據電荷守恒和物料守恒聯合求出:
在Na2S溶液中的電荷守恒: c (Na+) + c (H+) = c (OH-) + c (HS-) + 2 c (S2-)
在Na2S溶液中的物料守恒: c (Na+) = 2 c (S2-) + 2c (HS-) + 2c (H2S)
將這兩式合起來化簡得: c (OH-) = c (H+) + c(HS-) + 2c (H2S)
例題3. 寫出K3PO4 溶液中存在的質子守恒關系式___________________。
解析:在K3PO4 溶液中,PO43-結合一個質子成HPO42-、結合倆個質子成H2PO4-、結合叁個成H3PO4,而水結合一個質子成H3O+、失去一個質子成OH-,因此質子守恒的關系式是:c (OH-) = c (H+) + c (HPO42-) + 2c (H2PO4-) + 3c (H3PO4)。
答案:c (OH-) = c (H+) + c (HPO42-) + 2c (H2PO4-) + 3c (H3PO4)。
例題4. 在K2CO3溶液中,下列等量關系正確的是:
A. c (OH-) = c (H+) + c (HCO3-) + c (H2CO3)
B. 2c (Na+) = c (CO32-) + c (HCO3-) + c (H2CO3)
C. c (Na+) + c (OH-) = c (H+) + 2c (CO32-) + 3c (HCO3-) + 4c (H2CO3)
D. c (Na+) + c (H+) =c (HCO3-) + c (CO32-) + c (OH-)
解析:由質子守恒知:A項正確的是 c (OH-) = c (H+) + c (HCO3-) + 2c (H2CO3),由物料守恒知:B項正確的是 c (Na+) = 2c (CO32-) + 2c (HCO3-) + 2c (H2CO3),由質子守恒和物料守恒聯合推出C項正確,由電荷守恒知:D項正確的是c (Na+) + c (H+) =c (HCO3-) + 2c (CO32-) + c (OH-)。
答案:C
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