浅析一种书写质子条件式的新方法_赵继阳.pdf

第 51 卷第 2 期2023 年 1 月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.51 No.2Jan.2023浅析一种书写质子条件式的新方法赵继阳1,刘思佳1,杜 攀2,丁文雯1(1 南京晓庄学院环境科学学院,江苏 南京 211171;2 江苏第二师范学院生化学院,江苏 南京 211200)摘 要:在分析化学教学中,质子条件式是酸碱反应重要内容,也是计算体系酸碱度的依据。我们分析了质子条件式教学中常见的书写方式,并提出了一种书写质子条件式新的思路和方法 解离平衡法。本方法以水的解离平衡为基础,代入溶液中氢离子和氢氧根离子的总浓度关系式即可写出质子条件式。此法简单易懂,可以应用于各种复杂的溶液体系,有助于学生理解质子平衡式的原理和提高书写正确率。关键词:解离平衡;质子条件式;质子平衡式中图分类号:O651 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2023)02-0309-04 基金项目:南京晓庄学院2020 年教育教学研究与改革重点项目;南京晓庄学院2021 年教育教学研究与改革项目(“陶行知教育思想研究”主题)。第一作者:赵继阳(1981-),男,副研究员,主要从事化学教学研究。Discussion on A New Method of Proton Equilibrium Formula WritingZHAO Ji-yang1,LIU Si-jia1,DU Pan2,DING Wen-wen1(1 School of Environmental Science,Nanjing Xiaozhuang University,Jiangsu Nanjing 211171;2 School of Life Science and Chemistry,Jiangsu Second Normal University,Jiangsu Nanjing 211200,China)Abstract:In Analytical Chemistry teaching,proton conditional formula is an important content of acid-basereaction,and also the basis to calculate pH of the system.A new way of writing the proton conditional formula waspresented based on the equilibrium of water dissociation,and could be written by substituting the composition of H+and OH-in the solution.This method was easy to understand and could be applied to all kinds of complex solutionsystems,which was helpful for students to understand the principle of proton balance and improve the writing accuracy.Key words:dissociation equilibrium;proton condition formula;proton equilibrium formula质子条件式或质子平衡式(proton balance equation,简称PBE)反映了酸碱溶液中的平衡关系,是计算体系酸碱度的重要步骤。快速正确的书写体系质子条件式是学生必须掌握的技能1-2。目前,通常采用以下三种方法来书写质子条件式:(1)代数法3-7。由体系中的物料平衡式和电荷平衡式结合,联立方程,进行代换推导出质子条件式。这种方法原理简单,学生容易理解,但是较为繁琐,过程中等式多,代换步骤多,对于复杂的体系容易出错。(2)零水准法(图示法)3,5,7-11。此法通过选取零水准物质,用示意图画出它们得失质子的产物,从而写出质子条件式。这种方法简单易理解,普适性强,特别适合初学者。但是每次写质子条件式都需要画出示意图,不够简便。另外,此法需要找到一个或几个物质作为零水准物质,对于复杂的体系,学生容易出现漏选或重复的现象。此外,杨左海12提出了一种“离解反应式法”求质子平衡式,这种方法需要写出溶液中的离解反应,判断得失质子的产物,进而写出质子条件式,它的实质仍是零水准法。(3)关系式法13-14。此方法依据质子条件式的定义分别列举出得质子项和失质子项,将质子条件式表达为一个公式,思路清晰。但是同学们通过记忆公式书写质子条件式,不利于理解质子条件式的本质及灵活运用知识。而且当溶液中得失质子的物种较多,关系复杂时,容易出现不能正确判断得失质子的产物,导致书写出错。前三种方法在教科书和文献中已普遍提及,能够处理简单体系的质子条件式。但是在处理复杂体系时,溶液中含有多种成分,得失质子关系复杂,不论是选择零水准或者判断得失质子项,都容易出错。而死记硬背公式,不能很好理解解离平衡的本质,在面对复杂实际问题时会无从下手。我们经过多年教学研究,发现了一种新的书写质子条件式的方法,即解离平衡法。此方法只需要根据水的解离平衡式和溶液中H+与OH-的组成,即可快速写出质子条件式。相较于前三种方法更简单易懂,书写步骤少,无需记忆书写规则或公式,或画出示意图等复杂繁琐的步骤。本方法以学生的知识体系为基础,要求简单,引导学生自己创建新知识体系,简单有效。另外,本方法特别适用于复杂体系的质子条件式书写,普适性强,便于学生理解和书写,可以很大程度提高学生书写的正确率。1 方法的导出建立质子条件式的依据是反应中得失质子总量,即质子平衡。无论在什么体系中,水都存在自身的解离平衡,即:H2O=H+H2O+OH-H2O(1)由式(1)可知,水得质子产物H+的总量和其失质子产物310 广 州 化 工2023 年 1 月OH-的总量相等。溶液中的氢离子总量等于各物质解离出来氢离子相加的总和,氢氧根离子的总量也是如此。因此我们可以根据水及其溶质的解离平衡式中氢离子及氢氧根的量,写出该体系中的质子条件式。以 c mol/L 的 HCl 溶液为例,该体系中存在 H2O 的解离平衡,平衡关系式:H+H2O=OH-H2O(2)因为溶液中H+总量来自于水中解离出的氢离子和盐酸解离的氢离子:H+=H+H2O+H+HCl(3)将式(3)代入式(2)中,可得H+-H+HCl=OH-H2O(4)因为溶液中的OH-全部来自于水的电离,所以溶液中OH-总浓度等于OH-H2O。另外,根据题意,H+HCl=c mol/L,式(4)可以转换为:H+-c=OH-(5)式(5)即为 c mol/L 的 HCl 溶液的质子条件式。综上,根据电离平衡书写质子条件式的步骤为:(1)书写溶液中水的解离平衡关系式;(2)书写溶液中H+和OH-的总浓度关系式;(3)将(2)中的关系式代入(1)中的平衡关系式,即可得该体系的质子条件式。2 各类溶液质子条件式2.1 一元弱酸溶液的质子条件式2.1.1 例一:写出一元弱酸 HA 溶液的质子条件式写出水的解离平衡:H2O=H+H2O+OH-H2O根据解离平衡,得平衡关系式:H+H2O=OH-H2O(6)因为溶液中H+总量来自于水中解离出的氢离子和 HA 解离的氢离子:H+=H+H2O+H+HA(7)将式(7)代入式(6)中,可得:H+-H+HA=OH-H2O(8)因为溶液中的OH-全部来自于水的电离,所以溶液中OH-总浓度等于OH-H2O。另外,根据 HA 的解离,H+HA=A-,式(8)可以转换为:H+-A-=OH-(9)式(9)即为一元弱酸 HA 溶液的质子条件式。2.1.2 例二:NH4Cl 溶液的质子条件式写出水的解离平衡:H2O=H+H2O+OH-H2O根据解离平衡,得平衡关系式:H+H2O=OH-H2O(10)因为溶液中H+来自于水中解离出的氢离子和 NH+4解离的氢离子:H+=H+H2O+H+NH+4(11)将式(10)带入(12)中,可得:H+-H+NH+4=OH-H2O(12DK )因为溶液中的OH-全部来自于水的电离,所以溶液中OH-总浓度等于OH-H2O。另外根据 NH+4的解离,H+NH+4=NH3,所以(12)可以转化为:H+-NH3=OH-(13)式(13)即为一元弱酸 NH4Cl 溶液的质子条件式。2.2 一元弱碱溶液的质子条件式2.2.1 例三:写出 NH3溶液的质子条件式写出水的解离平衡:H2O=H+H2O+OH-H2O根据解离平衡,得平衡关系式:H+H2O=OH-H2O(14)因为溶液中OH-来自于水中解离出的氢氧根离子和 NH3解离的氢氧根离子:OH-=OH-H2O+OH-NH3(15)将式(15)带入(16)中,可得:H+H2O=OH-OH-NH3(16)因为溶液中的H+全部来自于水的电离,所以溶液中H+总浓度等于H+H2O。另外根据 NH3的解离,OH-NH3=NH+4,所以(16)可以转化为:H+=OH-NH+4(17)式(17)即为一元弱碱 NH4Cl 溶液的质子条件式。2.2.2 例四:写出 NaA 等溶液的质子条件式写出水的解离平衡:H2O=H+H2O+OH-H2O根据解离平衡,得平衡关系式:H+H2O=OH-H2O(18)因为溶液中OH-来自于水中解离出的氢氧根离子和 A-解离的氢氧根离子:OH-=OH-H2O+OH-A-(19)将式(19)带入(18)中,可得:H+H2O=OH-OH-A-(20)因为溶液中的H+全部来自于水的电离,所以溶液中H+总浓度等于H+H2O。另外根据 A-的解离,OH-A-=HA,所以(20)可以转化为:H+=OH-HA(21)式(21)即为一元弱碱 NaA 溶液的质子条件式。2.3 多元弱酸的质子条件式例五:写出 H3PO4溶液的质子条件式写出水的解离平衡:H2O=H+H2O+OH-H2O根据解离平衡,得平衡关系式:H+H2O=OH-H2O(22)因为溶液中H+来自于水中解离出的氢离子和 H3PO4解离的氢离子:H+=H+H2O+H+H3PO4+2H+H2PO-4+3H+HPO2-4(23)将式(23)带入(22)中,可得:H+-H+H3PO4-2H+H2PO-4-3H+HPO2-4=OH-H2O(24)因为溶液中的OH-全部来自于水的电离,所以溶液中OH-总浓度等于 OH-H2O。另外,根据 H3PO4的解离,H+H3PO4=H2PO-4,H+H2PO-4=HPO2-4,H+HPO2-4=PO3-4,式(24)可以转换为:第 51 卷第 2 期赵继阳,等:浅析一种书写质子条件式的新方法311 H+=OH-+H2PO-4+2HPO2-4+3PO3-4(25)式(25)即为多元弱酸 H3PO4溶液的质子条件式。2.4 多元弱碱的质子条件式例六:写出 Na2A 溶液的质子条件式写出水的解离平衡:H2O=H+H2O+OH-H2O根据解离平衡,得平衡关系式:H+H2O=OH-H2O(26)因为溶液中OH-来自于水中解离出的氢氧根离子和 A2-解离的氢氧根离子:OH-=OH-H2O+OH-A2-+2 OH-HA-(27)将式(27)带入(26)中,可得:H+H2O=OH-OH-A2-2 OH-HA-(28)因为溶液中的H+全部来自于水的电离,所以溶液中H+总浓度等于H+H2O。另外根据 A2-的解离,OH-A2-=HA-,OH-HA-=H2A,所以(28)可以转化为:H+=OH-HA-2H2A(29)式(29)即为多元弱碱 Na2A 溶液的质子条件式。2.5 两性物质的质子条件式例七:写出 NaHA 溶液的质子条件式写出水的解离平衡:H2O=H+H2O+OH-H2O根据解离平衡,得平衡关系式:H+H2O=OH-H2O(30)因为溶液中OH-来自于水中解离出的氢氧根离子和 HA-解离的氢氧根离子:OH-=OH-H2O+OH-HA-(31)溶液中H+来自于水中解离出的氢离子和 HA-解离的氢离子:H+=H+H2O+H+HA-(32)将式(31)和(32)带入(30)中,可得:H+-H+HA-=OH-OH-HA-(33)根据 HA-的解离,OH-HA-=H2A,H+HA-=A2-,所以(33)可以转化为:H+-A2-=OH-H2A(34)式(34)即为两性物质 NaHA 溶液的质子条件式。2.6 混合溶液的质子条件式2.6.1 例八:弱碱和强碱(B 和 c mol L-1的 AOH)溶液的质子条件式写出水的解离平衡:H2O=H+H2O+OH-H2O根据解离平衡,得平衡关系式:H+H2O=OH-H2O(35)由于 AOH 是强碱,因此不参与质子转移,该体系只有H2O 和弱碱 B 参与质子转移。因为溶液中OH-来自于水中解离出的氢氧根离子、B 解离的氢氧根离子及溶液中强碱 AOH 的氢氧根离子:OH-=OH-H2O+OH-B+OH-AOH(36)将式(36)带入(35)中,可得:H+H2O=OH-OH-B-OH-AOH(37)因为溶液中的H+全部来自于水的电离,所以溶液中H+总浓度等于H+H2O。另外根据 B 的解离,OH-B=BH+。由于 AOH 是强碱且不参与质子转移,故OH-AOH=c,所以(37)可以转化为:H+=OH-BH+-c(38)式(38)即为混合溶液弱碱和强碱 B 和 AOH 溶液的质子条件式。2.6.2 例九:缓冲溶液体系(HA 和 A-)的质子条件式写出水的解离平衡:H2O=H+H2O+OH-H2O根据解离平衡,得平衡关系式:H+H2O=OH-H2O(39)根据溶液中H+来自于水中解离出的氢离子和 HA 解离的氢离子:H+=H+H2O+H+HA(40)将式(40)带入(39)中,可得:H+-H+HA=OH-H2O(41)因为溶液中的OH-全部来自于水的电离,所以溶液中OH-总浓度等于OH-H2O。另外根据 HA 的解离,H+HA=A-HA,所以(41)可以转化为:H+-A-HA=OH-(42)溶液中总A-来自于 HA 的解离和原体系中的 A-,A-=A-HA+A-原体系,带入式(42)可得:H+-A-+A-原体系=OH-(43)如果缓冲溶液中原有 A-的浓度为 c mol/L,式(9-5)可以转化为:OH-=H+-A-+c(44)式(44)即为缓冲溶液体系 HA 和 A-的质子条件式。2.7 两种弱酸的质子条件式例十:弱酸 HA 和弱酸 HB 的质子条件式写出水的解离平衡:H2O=H+H2O+OH-H2O根据解离平衡,得平衡关系式:H+H2O=OH-H2O(45)因为溶液中总H+来自于水中解离出的氢离子和 HA、HB解离的氢离子:H+=H+H2O+H+HA+H+HB(46)将式(46)代入式(45)中,可得:H+-H+HA-H+HB=OH-H2O(47)因为溶液中的OH-全部来自于水的电离,所以溶液中OH-总浓度等于OH-H2O。另外,根据 HA 和 HB 的解离,H+HA=A-,H+HB=B-,所以式(47)可以转换为:H+-A-B-=OH-(48)式(48)即为弱酸 HA 和弱酸 HB 的质子条件式。3 书写质子条件式的要点(1)确定参与质子转移的物质。像 HCl 和 NaOH 等这类物质虽然提供了 H+和 OH-,但是却不是因为参与质子转移产生的,只需要考虑他们对 H+和 OH-浓度的影响。(2)同一个解离平衡式,只可以用一次。特别是缓冲溶液体系,例如(HA 和 A-),HA 的解离:HA=H+A-,虽然体系中的 A-也有解离平衡式,但却是 HA 解离平衡式的逆反应,正(下转第 321 页)第 51 卷第 2 期武兰兰,等:综合教学实验设计:NiMoP/FF 复合物的制备及性能研究321 图 5(a)展示了全电解水的实验示意图。以 NiMoP/FF 分别为阳极、阴极探究了其电催化全解水性能。图 5(b)展示了NiMoP/FF|NiMo/FF 和 Ir/C|Pt/C 在 1 M KOH 中电解水的极化曲线。NiMoP/FF|NiMo/FF 的起始电位(68 mV)明显早于Ir/C|Pt/C(240 mV),且在相同电压下 NiMoP/FF|NiMo/FF具有更高的电流密度,表明合成的催化剂具有良好的电解水性能。催化剂的稳定性对实际应用也具有重要意义。为了进一步评价 NiMoP/FF|NiMo/FF 体系的稳定性,采用了计时安培法进行稳定性测试。图 5(c)为 NiMoP/FF 在二电极体系下,1 MKOH 溶液中的计时电流图。实验中施加恒定的 1.88 V 电势,通过观测其电流随时间变化,分析出其全解水过程的稳定性。可以看到,在 24 h 的测试之后,NiMoP/FF 的电流密度并未发生明显变化,表明 NiMoP/FF 具有优异的稳定性。4 结 语本实验介绍了由电沉积和气相沉积方法制备 NiMoP/FF 复合物电催化剂,利用 SEM、XRD、XPS 分析了其形貌、结构与组分,通过 LSV、CV、EIS 等电化学测试研究了其 HER、OER及电解水性能。分析结果表明所制备的 NiMoP/FF 具有优异的OER 和 HER 活性,在电解水应用上具有很好的发展前景。该综合实验设计通过前期的材料制备,中期的材料和性能测试,到最后的结果分析,一步步地引导学生进行实验探索,将理论中所学到的电催化相关知识与实际操作相联系,呈现出相辅相成的良好关系。该实验通过大量的实践操作,培养了学生的动手能力和科研创新意识,为之后从事科学研究打下了良好的基础。参考文献1 衣宝廉.燃料电池-高效,环境友好的发电方式M.北京:化学工业出版社,2000:56-97.2 武兰兰,路璐,李志伟,等.过渡金属硫化物电催化分解水研究进展J.广州化工,2022,50(13):37-39.3 Leona C,Walsh F,Pletcher D,et al.Direct Borohydride Fuel CellsJ.J.Power Sources,2006,155(2):172-181.4 张琳琳,胡永杰,白国栋,等.生物质碳基非贵金属 ORR 催化剂的制备及其性能研究J.现代化工,2022,42(1):151-156.5 Steele B,Heinzel A.Materials for Fuel-Cell TechnologiesJ.Nature,2001,414(6861):345-352.6 李玲玲,刘宇,宋术岩,等.配位环境可调的 Cu 单原子的合成及催化加氢性能研究J.化学学报,2022,80(1):16-21.7 Wu H,Feng C,Zhang L,et al.Non noble metal electrocatalysts for thehydrogen evolution reaction in water electrolysis J.ElectrochemicalEnergy Reviews,2021,2(23):1-35.8 Zou Y J,Xiao B,Shi J W,et al.3D hierarchical heterostructureassembled by NiFe LDH/(NiFe)SXon biomass derived hollow carbonmicrotubes as bifunctional electrocatalysts for overall water splittingJ.Electrochimica Acta,2020,348(136):339-347.9Li R Q,Xu C Y,Jiang X F,et al.Porous monolithic electrode of NisFeN on 3D graphene for efficient oxygen evolution J.Journal ofNanoscience and Nanotechnology,2020,20(8):5175-5181.10 Fang Z Q,Hao Z M,Dong Q S,et al.Bimetallic NiFe2O4synthesized viaconfined carburization in NiFe-MOFs for efficient oxygen evolutionreactionJ.Journal of Nan-oparticle Research,2018,20(4):1-10.11 Hu H S,Si S,Liu R J,et al.Iron nickel hydroxide nano flake arrayssupported on nickel foam with dramatic catalytic properties for theevolution of oxygen at high current densitiesJ.International Journal ofEnergy Research,2020,44(11):9222-9232.(上接第 311 页)逆反应任选一个作为参与质子转移的依据。当然,应用不同的解离平衡式得到的质子条件式表面上是不同的,但是本质上是一致的。参考文献1 华中师范大学.分析化学上册.第四版M.北京:高等教育出版社,2011.2 武汉大学.分析化学上册.第五版M.北京:高等教育出版社,2006.3 华东理工大学分析化学教研组,四川大学工科化学基础课程教学基地.分析化学.第六版M.北京:高等教育出版社,2009.4 王华.关于酸碱滴定中质子条件的教学J.昭通师专学报,1998,20(1):147-150.5 李永红.快速确定质子平衡式的方法J.大学化学,2002(5):45-46.6 贾利侠.探讨酸碱溶液质子条件式书写方法J.吉林省教育学院学报,2011,27(2):134-135.7 刘洁.小议质子条件式的书写J.湖北科技学院学报,2016,36(3):76-77.8 申金山,周清泽,苑向莉.对书写质子等衡式的一点意见J.河北师范大学学报(自然科学版),1992(4):76-79,85.9 王嘉霖.书写质子条件式的最简方法-图示法J.川北教育学院学报(自然科学版),1994(4):34-38.10 洪莉,史月平.导出某些体系质子条件的改进方法J.松辽学刊(自然科学版),1995(1):58-61.11 赵冉,李荣华,杨正亮.关于质子条件式的书写J.大学化学,2013,28(1):70-73.12 杨左海.“离解反应式法”列质子等衡式J.海南大学学报自然科学版,1996,14(4):299-302.13 聂孝珍.质子条件式的一种书写方法J.昆明师专学报(自然科学版),1988,5(1):62-67.14 肖开提阿布力孜,彭秧.本科分析化学教学中溶液质子条件式列出方法探讨J.科技信息,2008(25):199,131.