酸堿分布分?jǐn)?shù)及其應(yīng)用的教學(xué)探討

張澤志，顏 陽

(1.河南教育學(xué)院應(yīng)用化學(xué)重點學(xué)科組，河南鄭州 450046; 2.昆明市第八中學(xué)化學(xué)教研組，云南昆明 650224)

酸堿分布分?jǐn)?shù)及其應(yīng)用的教學(xué)探討

張澤志1，顏 陽2

(1.河南教育學(xué)院應(yīng)用化學(xué)重點學(xué)科組，河南鄭州 450046; 2.昆明市第八中學(xué)化學(xué)教研組，云南昆明 650224)

介紹了分布分?jǐn)?shù)的意義和計算方法，將教材中的δ－pH圖改進(jìn)為型體分布優(yōu)勢圖，給出了分布分?jǐn)?shù)的應(yīng)用實例，使復(fù)雜知識簡單化，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

分布分?jǐn)?shù);δ－pH圖;型體分布優(yōu)勢圖;平衡濃度;分析濃度;pH值

在酸堿化學(xué)分析中，試液中除了含有被測組分型體外，通常同時存在酸堿組分其他型體.當(dāng)溶液酸度變化時，各型體濃度的分布亦隨之變化，因此通過調(diào)節(jié)溶液的酸度以控制組分型體的濃度，使主反應(yīng)進(jìn)行完全或者對某些干擾組分進(jìn)行掩蔽.酸度對弱酸(堿)各型體分布的影響可用分布分?jǐn)?shù)δ描述，在弱酸(堿)溶液中，酸堿以各種型體存在的平衡濃度與其分析濃度的比值，即各型體在總濃度中所占分?jǐn)?shù)［1－2］.以弱酸(堿)各型體的δi為縱坐標(biāo)，溶液pH的變化為橫坐標(biāo)得到弱酸(堿)的δ－pH圖.

1 分布分?jǐn)?shù)δ、δ－pH圖和型體分布優(yōu)勢圖

濃度為cmol·L－1的一元弱酸HAc，解離常數(shù)為Ka，其在水溶液中有2種型體HAc、Ac－，對應(yīng)的平衡濃度分別為［HAc］、［Ac－］，則有

已知型體的分布分?jǐn)?shù)δ和分析濃度c，則可計算出任一型體的平衡濃度，這對于酸堿平衡體系的質(zhì)子平衡和酸堿滴定的處理十分重要［1，3］.δ只與溶液的酸度［H+］有關(guān)，而與其分析濃度c無關(guān).由不同pH值下的HAc型體的δ(HAc)和δ(Ac－)值可以做出δ－pH曲線圖(見圖1).

可見，δ(HAc)值隨pH的增大而減小，δ(Ac－)值隨pH的增大而增大.圖1的繪制較為復(fù)雜，不利于學(xué)生理解和應(yīng)用.因此在教學(xué)實踐中可將其簡化成圖2的形式，即在一條表示溶液pH的直線上，以弱酸HAc的pKa將直線分為兩部分，當(dāng)pH=pKa=4.75時，δ(HAc)=δ(Ac－)=0.5，c(HAc)=c(Ac－);當(dāng)pH＞pKa時，δ(Ac－)＞δ(HAc)，屬于Ac－的優(yōu)勢區(qū);當(dāng)pH＜pKa時δ(Ac－)＜δ(HAc)，屬于HAc的優(yōu)勢區(qū)，這與圖1所示結(jié)論一致.可以看出，圖2簡潔明了，便于繪制，更易于學(xué)生理解.

對于更復(fù)雜的多元酸如H3PO4，其各型體的分布分?jǐn)?shù)δi分別為

容易看出，H3PO4各型體的δ－pH圖(圖3)的繪制更為復(fù)雜，因此在教學(xué)實踐中將其簡化如圖4，在一條表示溶液pH的直線上，以弱酸H3PO4的pKa1(2.12)、pKa2(7.20)、pKa3(12.36)將直線分為4部分(4段5點):

這種分析表述方法與圖3所示結(jié)論一致.但圖4簡潔明了，易于繪制和理解，對解題和處理實際問題有很大的幫助.

2 型體分布優(yōu)勢圖的應(yīng)用

例1 (四川大學(xué)2005年考研試題)用0.050 0 mol·L－1的HCl溶液滴定濃度0.050 0 mol·L－1二元弱酸鹽(Na2A)溶液，當(dāng)pH=10.25時，δ(A2－)=δ(HA－);當(dāng)pH=6.38時，δ(HA－)=δ(H2A).求滴定至第一化學(xué)計量點時，溶液的pH值是多少.

解 由題意，結(jié)合二元弱酸H2A的型體分布優(yōu)勢圖(圖略)可知，=6.38，=10.25;滴定至第一化學(xué)計量點時溶質(zhì)為HA－，即HA－的優(yōu)勢點.故溶液的pH值為

例2 (華南理工大學(xué)2006年、中山大學(xué)2005年考研試題)H3PO4的～分別為2.12，7.20，12.36.當(dāng)H3PO4的pH為7.30時，溶液中主要存在形式為何種?

解 由題意并結(jié)合H3PO4的型體優(yōu)勢圖(圖4)可知，pH=7.30(圖4中*處)有δ()= δ()，溶液中主要存在形式為和

例3 (華中科技大學(xué)2004年考研試題)今欲用H3PO4與Na2HPO4來配制pH=7.20的緩沖溶液，則H3PO4與Na2HPO4的物質(zhì)的量之比n(H3PO4)∶n(Na2HPO4)應(yīng)當(dāng)是多少.已知H3PO4的～分別為2.12，7.20，12.36.

解 由題意并結(jié)合H3PO4的型體優(yōu)勢圖(圖4)可知，pH=7.20時有δ()=δ()，即溶液中n()=n()，由此可列出化學(xué)方程式

兩端同時增加2 Na2HPO4，使

從而可以確定n(H3PO4)∶n(Na2HPO4)=1∶3.

從以上例子可以看出，采用型體分布優(yōu)勢圖代替δ－pH曲線圖避免了繁瑣的繪圖手續(xù)，省去了復(fù)雜的計算步驟，實用性很強(qiáng).如果熟練掌握該優(yōu)勢圖，對一些題目不經(jīng)計算直接就可以給出答案.

3 結(jié)束語

酸堿分布分?jǐn)?shù)δ描述酸堿體系中酸堿各種存在型體的平衡濃度與其分析濃度的函數(shù)關(guān)系，體現(xiàn)酸度對弱酸(堿)各型體分布的影響.弱酸(堿)的δ－pH曲線圖解釋了各型體的分布分?jǐn)?shù)隨pH變化的關(guān)系.教學(xué)過程中該圖繪制復(fù)雜、教學(xué)效果差，將δ－pH圖轉(zhuǎn)化為容易繪制且便于理解應(yīng)用的酸堿型體分布優(yōu)勢圖，能使復(fù)雜知識簡單化，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得良好的教學(xué)效果.

［1］ 華中師范大學(xué)，東北師范大學(xué)，陜西師范大學(xué)，等.分析化學(xué):上冊［M］.3版.北京:高等教育出版社，2006.

［2］ 武漢大學(xué)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，中山大學(xué).分析化學(xué)［M］.4版.北京:高等教育出版社，2006.

［3］ 樊行雪.分析化學(xué)學(xué)習(xí)與考研指津［M］.2008版.上海:華東理工大學(xué)出版社，2007.

Discussion on Acid and Alkali Distribution Coefficient and Its Application in Teaching

ZHANG Ze-zhi1，YAN Yang2

(1.Group of Applied Chemistry Key Discipline，Henan Institute of Education，Zhengzhou450046，China; 2.Group of Chemistry Teaching and Researching，Kunming No.8Middle School，Kunming650224，China)

Introduced significance and computational method of distribution coefficient，improved δ－pH chart to body distribution superiority chart，showed the examples of distribution coefficient application.Simplified the complicated knowledge and stimulated student’s study interest.

distribution coefficient;δ－pH chart;body distribution superiority chart;equilibrium concentration; analytical concentration;pH value

G642.0

A

1007－0834(2011)02－0055－03

10.3969/j.issn.1007－0834.2011.02.020

2010－10－10

河南省教育廳自然科學(xué)研究項目(2009B530004)

張澤志(1971—)，男，河南柘城人，河南教育學(xué)院應(yīng)用化學(xué)重點學(xué)科組講師.