質子守恆

質子守恆是指酸失去的質子和鹼得到的質子數目相同，質子守恆和物料守恆，電荷守恆一樣同為溶液中的三大守恆關係。

基本介紹

• 中文名：質子守恆
• 外文名：Conservation of proton
• 套用學科：粒子
• 適用領域範圍：化學
• 解釋：酸失去的質子和鹼得到的質子相同
• 相關守恆：電荷守恆 質量守恆
• 實質：從水的電離出發
• 用作：鹽溶液中粒子濃度關係的比較

書寫方法

由電荷守恆和物料守恆關係聯立得到

例如：Na₂CO₃溶液

①電荷守恆： c(Na⁺) +c(H⁺)===c(OH^-) +2c(CO₃^2-) +c(HCO₃^-) 正電荷=負電荷

② 物料守恆： c（Na⁺)= 2c(CO₃^2-) +2c(HCO₃^-) +2c(H₂CO₃)

①-②得 質子守恆： c(OH^-) =c(H⁺) +c(HCO3^-) +2c(H₂CO₃) 水電離出的H⁺=OH^-

NaHCO₃溶液

① c(H⁺)+c(Na⁺)=c(HCO₃^-)+2c(CO3^2-)+c(OH^-)
② c(Na⁺)=c(HCO₃^-)+c(CO₃^2-)+c(H₂CO₃){物料守恆}

方法一：兩式相減①-②得

c(H+)=　c（OH^-）+c（CO₃^2-）-c（H₂CO₃）這個式子叫質子守恆。

方法二：由酸鹼質子理論

原始物種：HCO₃^-，H₂O

消耗質子產物H₂CO₃，產生質子產物CO₃^2-，OH^-

c（H⁺）=c（CO₃^2-）+c(OH^-)-c（H₂CO₃）即c（H⁺）+c（H₂CO₃）=c（CO₃^2-）+c(OH^-)

關係：剩餘的質子數目=產生質子的產物數目-消耗質子的產物數目

直接用酸鹼質子理論求質子平衡關係比較簡單，但要細心；如果用電荷守恆和物料守恆關係聯立得到則比較麻煩，但比較保險。

又如NaH₂PO₄溶液

原始物種：H₂PO₄^-，H₂O

消耗質子產物：H₃PO₄ H+產生質子產物：HPO₄^2-（產生一個質子），PO₄^3-（產生二個質子），OH^-

所以：c（H⁺）=c(HPO₄^2-)+2c(PO₄^3-)+c(OH^-)-c（H₃PO₄）

可以用電荷守恆和物料守恆聯立驗證.快速書寫

快速書寫質子守恆的方法：

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

第二步：看基準物 ，得質子產物和失質子產物相差的質子數。

第三步： 列出質子守恆關係式 得質子數=失質子數。

第四步：用物料守恆和電荷守恆加以驗證。

主要題型

1.單一的酸溶液

例：H₃PO₄溶液中：

基準物：H₂O 和 H₃PO₄.

得質子產物：H₃O⁺（相差1個質子）即H⁺

失質子產物：H₂PO^4- （相差1個質子）

HPO₄^2-（差2個質子）

PO₄^3-（相差3個質子）

OH^- (相差1個質子)

質子守恆關係式為：

c(H+) = c(H₂PO^4-) + 2c(HPO₄^2-) + 3c(PO₄^3-) + c(OH^-)

2.單一的鹼溶液 例：NH₃·H₂O溶液中：

基準物：H₂O NH₃·H2O

得質子產物：H₃O⁺（相差1個質子）即H⁺

NH4⁺ （相差1個質子）

失質子產物：OH^- (相差1個質子)

質子守恆關係式為：c(H⁺) + c(NH₄⁺) = c(OH^-) 不難看出單一的酸溶液或者鹼溶液的質子守恆其實就是電荷守恆。 混合酸的溶液或者混合鹼溶液也是這個樣子滴！

3.單一的正鹽溶液

例(1)：Na₂CO₃溶液

基準物：H₂O CO₃^2-

得質子產物：

H₃O⁺（相差1個質子）即H⁺

HCO^3-（相差1個質子）

H₂CO³（相差2個質子）

失質子產物：OH^- (相差1個質子)

質子守恆關係式為： c(H⁺) + c(HCO^3-) + 2c(H₂CO₃) = c(OH^-)

例(2)：NH₄Cl溶液

基準物：H₂O 、NH₄⁺ 得質子產物：H₃O⁺（相差1個質子）即H⁺

失質子產物：

NH₃·H₂O（相差1個質子）

OH^- (相差1個質子)

質子守恆關係式為 c(H⁺) = c(NH₃·H₂O) + c(OH^-)

例(3)：(NH₄)₃PO₄溶液

基準物：H₂O 、NH₄⁺ 、 PO₄3-

得質子產物：

H₃O⁺（相差1個質子）即H⁺

HPO₄^2-（相差1個質子）

H₂PO^4- （相差2個質子）

H₃PO₄（相差3個質子）

失質子產物：

NH₃·H₂O（相差1個質子）

OH^- (相差1個質子)

質子守恆關係式為 c(H⁺) + c(HPO₄^2-) + 2c(H₂PO₄^-) + 3c(H₃PO₄) = c(NH₃·H₂O) + c(OH^-)

4 .單一的酸式鹽溶液

例(1)：NaH₂PO₄溶液

基準物：H₂O H₂PO₄^-

得質子產物：H₃O+（相差1個質子）即H+

H₃PO₄（相差1個質子）

失質子產物：

HPO₄^2-（相差1個質子）

PO₄^3-（相差2個質子）

OH^- (相差1個質子)

質子守恆關係式為

c(H⁺) + c(H₃PO₄) = c(HPO₄^2-) + 2c(PO₄^3-) + c(OH^-)

例(2)：NH₄HCO₃溶液 基準物：H₂O 、 NH₄⁺ 、HCO₃^- 得質子產物：H₃O⁺（相差1個質子）即H⁺

H₂CO₃（相差1個質子）

失質子產物：

NH₃·H₂O（相差1個質子）

CO₃^2- （相差1個質子）

OH^- (相差1個質子)

質子守恆關係式為 c(H⁺)+ c(H₂CO₃) = c(NH₃·H₂O) + c(CO₃^2-) + c(OH^-)

例(3)：(NH₄)₂HPO₄溶液 基準物：H₂O 、 NH₄⁺、HPO₄^2- 得質子產物：H₃O⁺（相差1個質子）即H⁺

H₂PO₄^{- （}相差1個質子）

H₃PO₄ （相差2個質子）

失質子產物：NH₃·H₂O（相差1個質子）

PO₄^3- （相差1個質子）

OH^- (相差1個質子)

質子守恆關係式為 c(H⁺) + c(H₂PO₄^-) + 2c(H₃PO₄) = c(NH₃·H₂O) + c(PO4^3-) + c(OH^-)

5.多種鹽的混合溶液 例：CH₃COONa與NaF的混合液 基準物：H₂O CH₃COO^- F^-

得質子產物：

H₃O⁺（相差1個質子）即H⁺

CH₃COOH（相差1個質子）

HF（相差1個質子）

失質子產物：OH^- (相差1個質子) 質子守恆關係式為 c(H⁺) + c(CH₃COOH) + c(HF) = c(OH^-)

6.酸鹼反應後的混合溶液：此類型混合溶液，應運用物料守恆和電荷守恆聯立消去強酸或強鹼離子後得到質子守恆變式。質子守恆關係式特殊。

例(1)：同濃度同體積的CH₃COONa與CH₃COOH混合液

物料守恆：c(CH₃COO^-)+ c(CH₃COOH) = 2c(Na⁺)

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

質子守恆關係式為：2c(H⁺)+c(CH₃COOH)=2c(OH^-)+c(Na⁺)

例(2)：同濃度同體積的CH₃COONa與NaOH混合液

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

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

質子守恆關係式為：c(H⁺) + 2c(CH₃COOH) + c(CH₃COO^-) = c(OH^-)

例(3)：同濃度同體積的NH₄Cl與NH₃·H₂O混合液

物料守恆： c(NH₄⁺)+ c(NH₃·H₂O) =2 c(Cl^-)

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

質子守恆關係式為：2c(H⁺) +c(NH₄⁺) = c(NH₃·H₂O) + 2c(OH^-)

例(4)：同濃度同體積的NH₄Cl與HCl混合液

物料守恆：2[ c(NH₄⁺)+ c(NH₃·H₂O) ]= c(Cl^-)

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

質子守恆關係式為：c(H⁺) = c(NH₄⁺) + 2c(NH₃·H₂O) + c(OH^-)

解讀

一般情況下，很少單獨考慮質子守恆，實際上在鹽（水）溶液中存在的質子守恆可看作是物料守恆與電荷守恆的疊加項

所謂的質子守恆，實質是從水的電離出發，考慮弱酸根離子結合水電離出的H⁺或弱鹼陽離子結合水電離出的OH^-，然後在溶液中尋找H⁺和OH^-的“藏身”之所，而列出的等式關係。常用於鹽溶液中粒子濃度關係的比較

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子守恆關係。

1、Na₂CO₃溶液

在不考慮CO₃^2-水解時，水電離出的H⁺與OH^-的物質的量是相等的，但當CO₃^2-水解結合部分水電離出的H⁺後，分別生成了HCO₃^-（結合一個H⁺）和H₂CO₃(結合兩個H⁺)，而OH^-未被消耗，因此可列出等式關係：c(OH^-)=c(H⁺)+c(HCO₃^-)+2c(H₂CO₃)，即Na₂CO₃溶液中的質子守恆

2、NH₄Cl溶液

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

3、(NH₄)₂CO₃溶液

NH₄⁺水解結合的是由水電離出的部分OH^-，生成了NH₃·H₂O；CO₃^2-水解結合部分水電離出的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係：

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