两性物质NaHA溶液pH近似式的物理意义及使用条件_柳青.pdf
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1、 260 Univ.Chem.2023,38(2),260265 收稿:2022-04-08;录用:2022-04-27;网络发表:2022-05-19*通讯作者,Emails:(王海水);(陈超)基金资助:中央高校基本科研业务费专项资金(2019MS031);国家自然科学基金项目(21773072)自学之友 doi:10.3866/PKU.DXHX202204021 两性物质两性物质NaHA溶液溶液pH近似式的物理意义及使用条件近似式的物理意义及使用条件 柳青1,王海水2,*,陈超3,*1华南理工大学分析测试中心,广州 510640 2华南理工大学化学与化工学院,广州 510640 3华南农
2、业大学生命科学学院,广州 510642 摘要:摘要:两性物质NaHA溶液的pH计算是化学教学的重要内容,当前教科书介绍了各类pH近似公式,但对各近似式的物理意义和使用条件缺少论证,存在物理意义不清晰、使用条件错误等弊端。按照NaHA溶液呈酸性(Ka1Ka2 Kw)或呈碱性(Ka1Ka2 Kw)or alkaline(Ka1Ka2 Kb2,则酸式解离为主,溶液呈酸性。从Ka2 Kb2,即Ka2 KwKa1,可得出Ka1Ka2 Kw。Ka1Ka2 Kw的NaHA称为酸性两性物质。从Ka1Ka2 Kw,也可推得Ka1 KwKa2,即Ka1 Kb1。同理得出,碱性两性物质NaHA中,Ka1Ka2 Ka
3、2和Kb1 Ka1成立。2 HA c条件条件 酸性两性物质NaHA溶液中,H+OH,则由质子条件H+H2A=OH+A2可推出,H2A A2 H2A。从HA A2和分布分数公式可得出,HA A2等同于H+Ka2。c较大和HA解离很少时,c通常大于H+,H+Ka2条件可变换为c Ka2条件。酒石酸氢钾的pKa1=3.04,pKa2=4.37。利用Matlab求得酒石酸氢钾溶液不同浓度的氢离子浓度H+T,并得到不同c时各组分的分布分数,分布分数与pc(lgc)作图,见图1。图1表明,浓度c较大时,酒石酸氢根HC4H4O6是主要型体。对于酒石酸氢钾,只有c 70Ka2(pc 2.52)时,H+x1才满
4、足误差5%要求。262 大 学 化 学 Vol.38 图图1 酒石酸氢钾溶液中各型体分布分数随浓度酒石酸氢钾溶液中各型体分布分数随浓度c变化的曲线变化的曲线 对草酸氢钠,如果H+x1满足相对误差5%,则需要c 113Ka2。本论文采用苛刻条件:c 120Ka2。大量实例计算表明,c 120Ka2时,所有酸性两性物质溶液的pH均可由H+x1式得到。对于碱性两性物质溶液,有H+A2。满足HA H2A A2条件时,HA为溶液主要型体。从HA H2A,可推出Ka1 H+条件,即:KwKb2 KwOH-因此,Ka1 H+条件变换为OH Kb2条件。浓度c较大情形下,HA离解较少,c大于OH,因此,OH
5、Kb2条件变换为c Kb2条件。同样,大量实例计算表明,只要c 120Kb2,H+x1式就满足误差5%要求。容易证明,c 120Kb2等同于cKa1 120Kw。注意,以上讨论,对较浓溶液才有意义(c 1.0 107 molL1时)。3 最简式最简式 HA c条件下,可得:H+x1=Ka1(Ka2c+Kw)Ka1+c 若同时满足cKa2 20Kw和c 20Ka1,忽略H+x1式中Kw和分母中Ka1,可得到最简式3:H+x2=Ka1Ka2 注意,条件c 20Ka1等同于cKb2 20Kw。酸性两性物质溶液中,恒有H+OH和H2A H+OH成立。因此,同时忽略H+和OH条件为H2A H+,即:H2
6、A=H+HA-Ka1 cH+Ka1 H+可得判据c Ka1。利用Matlab求得酒石酸氢钾溶液不同浓度的氢离子浓度H+T,并得到不同c时的pH和pH2A(lgH2A),作图,见图2。图2清楚表明,只有浓度c足够大时,才能保证H2A H+条件。酒石酸氢钾溶液计算表明,c 14Ka1时,最简式满足相对误差5%要求。进一步研究表明,Ka1/Ka2比值越小,要求c/Ka1比值越大。c 20Ka1判据可以满足所有常见酸性两性物质NaHA的pH计算。对于酸性两性物质,恒有Ka1 Kb1和Ka2 Kb2。只要cKb2 20Kw成立,则cKa2 20Kw一定成立。因此,酸性两性物质H+x2使用条件c 120K
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