碳酸氫鈉溶液的pH與其濃度關(guān)系探討

朱建民

摘 要 NaHCO3水溶液中存在多個(gè)平衡，且每個(gè)平衡之間既相互聯(lián)系、又相互制約。本文就水溶液pH與溶液濃度的關(guān)系：隨濃度增大pH升高，基本保持不變，又降低；及溶液受熱pH增大的原因是水解增強(qiáng)，還是分解成Na2CO3水解進(jìn)行了相關(guān)探討。

關(guān)鍵詞 平衡 締合作用 分解

中圖分類號(hào)：G633. 8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

NaHCO3是二元弱酸（H2CO3）與強(qiáng)堿（NaOH）形成的酸式鹽，其水溶液中存在多個(gè)平衡，不僅有HCO3—的水解、電離兩個(gè)平衡，還存在著水的電離平衡，且每個(gè)平衡之間既相互聯(lián)系、又相互制約。其水溶液的pH與濃度關(guān)系如何？若是片面（只研究某一個(gè)或某幾個(gè)平衡）、孤立（把其中平衡看成是獨(dú)立體系）地分析易出現(xiàn)錯(cuò)誤。

1常溫下稀溶液時(shí)，隨濃度增大pH升高

設(shè)NaHCO3溶液的濃度為x mol·L-1，其pH=y，同時(shí)設(shè)溶液中除水分子外的其他粒子的濃度分別為a、b、c ……。利用溶液中存在的水的電離平衡，弱電解質(zhì)的電離平衡以及電荷守恒，得出以下關(guān)于x、y的函數(shù)關(guān)系式。

在常溫下，x mol·L-1NaHCO3溶液中存在如下關(guān)系：

電荷守恒：2c（CO32—）+ c（OH—）+ c（HCO3—）= c（H+）+ x

H2CO3一級(jí)電離平衡：

H2CO3二級(jí)電離平衡：

水的電離平衡：c（OH—）譪（H+）=Kw（其中Kw=1.0？0-14）

物料守恒（碳元素守恒）：c（CO32—） + c（HCO3—） + c（H2CO3） = x

基于Wolfram Mathematica 8計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)作圖，可得到有關(guān)pH與NaHCO3溶液濃度的關(guān)系（圖1）。

結(jié)論：從上圖中可以看出，NaHCO3溶液的pH，在較稀時(shí)，隨濃度增大而升高。當(dāng)其濃度大于0.0025 mol·L-1時(shí)，溶液pH基本不變，約為8.31。這時(shí)NaHCO3溶液的堿性不是隨濃度的增大而增大了。基本保持一定值：8.31。即稀溶液的pH區(qū)間為：7.0

2常溫下較濃溶液時(shí)，隨濃度增大pH降低

實(shí)驗(yàn)探究：（1）配制了0.010 、0.050 、0.10 、0.50 、1.0 mol·L-1 等5種標(biāo)準(zhǔn)溶液。

（2）在20℃時(shí)，用筆式pH計(jì)分別測(cè)得其pH值，如表1中數(shù)據(jù)。

解析：在NaHCO3固體中具有不對(duì)稱氫鍵（ O—H…O，261pm ）形成的、無(wú)限的一維HCO3— 鏈狀結(jié)構(gòu)，這些鏈再被Na+橫向連接在一起。隨NaHCO3溶液濃度的增加，HCO3— 間氫鍵的締合作用程度逐漸增大，導(dǎo)致發(fā)生電離與水解的HCO3— 量反而減少，堿性逐漸減弱。即其溶液的堿性強(qiáng)弱受氫鍵、分子結(jié)構(gòu)等作用的影響。在中學(xué)階段，其他常見的物質(zhì)如HF、KH2PO4等，溶液在特定濃度范圍內(nèi)酸堿性的遞變也會(huì)出現(xiàn)反常。

結(jié)論：NaHCO3較濃時(shí)，隨濃度的增大，溶液的pH值減小。

3受熱時(shí)溶液pH升高

實(shí)驗(yàn)1：在盛有1.0 mol·L-1 NaHCO3溶液的試管里滴入1～2滴酚酞試液，溶液顯淺紅色，說明NaHCO3水解，溶液顯堿性，但堿性較弱。

實(shí)驗(yàn)2：當(dāng)加熱盛有NaHCO3飽和溶液的試管時(shí)，溶液紅色加深。實(shí)驗(yàn)測(cè)得該溶液的pH隨溫度升高而升高。關(guān)于這一現(xiàn)象有二種解釋，其一是加熱促進(jìn)HCO3—的水解；其二是由于NaHCO3熱穩(wěn)定性差，受熱分解成Na2CO3，Na2CO3水解程度大，堿性增強(qiáng)，紅色變深；哪種解釋更合理？

實(shí)驗(yàn)3：用NaHCO3（AR）分別配制1.0 mol·L-1和0.1 mol·L-1溶液。每種溶液分別用三支試管各取5mL，滴加1～2滴酚酞。其中一支試管用作對(duì)照，另外兩支試管分別用酒精燈和80℃水浴加熱，并塞上帶導(dǎo)氣管的單孔橡皮塞，將導(dǎo)氣管插入盛澄清石灰水的小試管中。

綜上實(shí)驗(yàn)，加熱飽和NaHCO3溶液時(shí)，堿性增強(qiáng)；加熱NaHCO3溶液濃度為0.1 mol·L-1時(shí)在80℃時(shí)，分解不明顯，溶液的 pH值基本不變。

結(jié)論：只有NaHCO3溶液較濃時(shí)，加熱堿性才會(huì)增強(qiáng)。原因是NaHCO3熱穩(wěn)定性差，受熱分解成Na2CO3，Na2CO3水解程度比NaHCO3大，堿性增強(qiáng)。濃度稀時(shí)，則分解不明顯，溶液的 pH值基本不變。據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，溶液中NaHCO3分解的程度與溫度和濃度有關(guān)。

參考文獻(xiàn)

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