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[化学]电荷守恒、物料守恒（物料守恒、质子守恒）综述

楼主^#

更多发布于：2016-12-24 13:35

那些不可描述的难点

电荷守恒,物料守恒,质子守恒同为溶液中的三大守恒关系。这三个守恒的最大应用是判断溶液中粒子浓度的大小，或它们之间的关系等式。

电荷守恒：是指溶液中所有阳离子所带的正电荷总数与所有阴离子所带的负电荷总数相等。即溶液永远是电中性的，所以阳离子带的正电荷总量＝阴离子带的负电荷总量

1.溶液必须保持电中性，即溶液中所有阳离子所带的电荷数等于所有阴离子所带的的电荷数

2.除六大强酸，四大强碱外都水解，多元弱酸部分水解。产物中有分步水解产物。

3.这个离子所带的电荷数是多少，离子前就写几。

例如：Na₂CO₃： c(Na⁺)+c(H⁺)=c(OH^-)+c(HCO₃^-)+2c(CO₃^2-)

因为碳酸根为带两个单位负电荷，所以碳酸根前有一个2。

在下列物质的溶液中

CH₃COONa： c(Na⁺)+c(H⁺)=c(CH₃COO^-)+c(OH^-)

Na₂CO₃： c(Na+)+c(H⁺)=c(OH^-)+c(HCO₃^-)+2c(CO₃ ^2-)

NaHCO₃： c(Na+)+c(H⁺)=c(HCO₃^-)+2(CO₃^2-)+c(OH^-)

Na₃PO₄： c(Na+)+c(H⁺)=3c(PO₄ ^3-)+2c(HPO₄ ^2-)+c(H₂PO₄^-)+c(OH^-)

电荷守恒定律：物理学的基本定律之一。它指出，对于一个孤立系统，不论发生什么变化，其中所有电荷的代数和永远保持不变。电荷守恒定律表明，如果某一区域中的电荷增加或减少了，那么必定有等量的电荷进入或离开该区域；如果在一个物理过程中产生或消失了某种符号的电荷，那么必定有等量的异号电荷同时产生或消失。

注意：

1．正确分析溶液中存在的阴、阳离子是书写电荷守恒式的关键，需要结合电解质电离及盐类的水解知识，尤其是对多级电离或多级水解，不能有所遗漏。如Na2CO3溶液中存在如下电离和水解平衡：Na₂CO₃=2Na⁺+CO₃^2-；CO₃^2-+ H₂O= HCO₃^-+OH^-；HCO₃^- +H₂O =H₂CO₃ +OH^-；H₂O = H⁺+OH^- 。

所以溶液中阳离子有：Na⁺、H⁺，阴离子有：CO₃^2-、 HCO₃^-、OH^-。

2．结合阴阳离子的数目及其所带的电荷可以写出：

N(Na⁺) +N(H⁺)= 2N(CO₃^2-) + N( HCO₃^-) + N(OH^-)

3．将上式两边同时除以NA得：n(Na⁺)+n(H⁺)=2n(CO₃^2-)+n(HCO₃^-)+n(OH^-)；
再同时除以溶液体积V得：C(Na⁺)+C(H⁺) = 2C(CO₃^2-)+C( HCO₃^-)+C(OH^-)，
这就是Na₂CO₃溶液的电荷守恒式。

电荷守恒式即溶液中所有阳离子的物质的量浓度与其所带电荷乘积之和等于所有阴离子的物质的量浓度与其所带电荷的绝对值乘积之和。
写等式注意2点：

1、要判断准确溶液中存在的所有离子，不能漏掉。

2、注意离子自身带的电荷数目。如：

Na₂CO₃溶液：C（Na⁺ ）+ C（H⁺ ）= 2 C（CO₃^2- ）+ C（HCO₃^- ）+ C（OH^-）

NaHCO₃溶液：C（Na⁺ ）+ C（H⁺ ）= 2 C（CO₃^2- ）+ C（HCO₃^- ）+ C（OH^-）

Na₃PO₄溶液：C（Na⁺ ）+ C（H⁺ ）= 3 C（PO₄^3- ）+ 2 C（HPO₄^2- ）+ C（H₂PO₄^- ）+ C（OH^-）

NH₄Cl溶液：C（NH₄⁺ ）+ C（H⁺ ）=C（ Cl^- ）+ C（OH^-）

NaOH溶液：C（Na⁺ ）+C（ H⁺ ）= C（OH^-）
物料守恒：溶液中某一组分的原始浓度应该等于它在溶液中各种存在形式的浓度之和。也就是元素守恒，即变化前后某种元素的原子个数守恒。物料守恒实际属于原子个数守恒和质量守恒。即加入的溶质组成中存在的某些元素之间的特定比例关系，由于水溶液中一定存在水的H、O元素，所以物料守恒中的等式一定是非H、O元素的关系。
物料守恒可以理解为原子守恒的另一种说法。“任一化学反应前后原子种类和数量分别保持不变”，可以微观地应用到具体反应方程式，就是左边带电代数和等于右边。也就是左边（反应物）元素原子（核）个数种类与总数对应相等于右边（生成物）。

含特定元素的微粒（离子或分子）守恒
不同元素间形成的特定微粒比守恒
特定微粒的来源关系守恒

例1 ：NaHCO₃溶液
nNa:nC=1:1，如果HCO₃^-没有电离和水解，那么Na+和HCO₃^-浓度相等。
HCO₃^-会水解成为H₂CO₃，电离为CO₃^2-（都是1：1反应，也就是消耗一个HCO₃^-，就产生一个H₂CO₃或者CO₃^2-），那么守恒式中把Na+浓度和HCO₃^-及其产物的浓度和画等号（或直接看作钠与碳的守恒）：
即c(Na⁺) = c(HCO₃^-)+ c(CO₃^2-) + c(H₂CO₃) 这个式子叫物料守恒

例2 ：Na₂CO₃溶液
电荷守恒 c(Na⁺)+c(H⁺)=2c(CO₃^2-)+c(HCO₃^-)+c(OH^-)
上式中，阴阳离子总电荷量要相等，由于1mol碳酸根电荷量是2mol负电荷，所以碳酸根所带电荷量是其物质的量的2倍。
物料守恒 nNa:nC=2:1，c(Na⁺)是碳酸根离子物质的量的2倍，电离.水解后，碳酸根以三种形式存在,所以： c(Na⁺)=2[c(CO₃^2-)+c(HCO₃^-)+c(H₂CO₃)]
例3：在0.1mol/L的H₂S溶液中存在如下电离过程:
H₂S=H⁺ +HS^- HS^-=H⁺+S^2- H₂O=H⁺+OH^-
H₂S物料守恒式c(S^2-)+c(HS^-)+c(H₂S)=0.1mol/L,
在这里物料守恒就是S元素守恒, 描述出有S元素的离子和分子即可
例4：在0.1mol／L Na₃PO₄溶液中：
根据P元素形成微粒总量守恒有：
c［PO₄^3-］+c［HPO₄^2-］+c［H₂PO₄^-］+c［H₃PO₄］=0.1mol／L
根据Na与P形成微粒的关系有：c［Na+］=3c［PO₄^3-］+3c［HPO₄^2-］+3c［H₂PO₄^-］+3c［H₃PO₄］
根据H₂O电离出的H⁺与OH^-守恒有：
c［OH^-］=c［HPO₄^2-］+2c［H₂PO₄^-］+3c［H₃PO₄］+c［H⁺］

例5：NH₄Cl溶液，化学式中nN:nCl=1:1，得到c［NH₄⁺ ］+ c［NH₃.H₂O ］= c［ Cl^-］

写等式要注意，把所有含这种元素的粒子都要考虑在内，可以是离子，也可以是分子。

质子守恒：质子守恒就是酸失去的质子和碱得到的质子数目相同。
例1 ：Na₂CO₃溶液
水电离出的c(H⁺)=c(OH^-). 在碳酸钠水溶液中水电离出的氢离子以（H⁺，HCO₃^-,H₂CO₃）三种形式存在，其中1mol碳酸分子中有2mol水电离出的氢离子.所以
c(OH^-)=c(H⁺)+c(HCO₃^-)+2c(H₂CO₃)
例2 ： NaHCO₃溶液
方法一：可以由电荷守恒和物料守恒关系联立得到NaHCO₃ 溶液中存在下列等式
C(H⁺)+C(Na⁺)=C(HCO₃^-)+2C(CO₃^2-)+C(OH^-) ｛电荷守恒｝
C(Na⁺)=C(HCO₃^-)+C(CO₃^2-)+C(H₂CO₃) ｛物料守恒｝
两式相减得C（H⁺）+C（H₂CO₃）=C（CO₃^2-）+C(OH^-) 这个式子叫质子守恒。
方法二：由酸碱质子理论
例1 ：NaHCO₃ 溶液
原始物种：HCO₃^-，H₂O
消耗质子产物H₂CO₃，产生质子产物CO₃^2-，OH^-
C（H⁺）=C（CO₃^2-）+C(OH^-) -C（H₂CO₃）即C（H⁺）+C（H₂CO₃）=C（CO₃^2-）+C(OH^-)
关系：剩余的质子数目等于产生质子的产物数目-消耗质子的产物数目
直接用酸碱质子理论求质子平衡关系比较简单，但要细心；如果用电荷守恒和物料守恒关系联立得到则比较麻烦，但比较保险
例2 ：NaH₂PO₄溶液
原始物种：H₂PO₄^-，H₂O
消耗质子产物：H₃PO₄,
产生质子产物：HPO₄^2-（产生一个质子），PO₄^3-（产生二个质子）
所以：c（H⁺）=c(HPO₄^2-)+2c(PO₄^3-)+c(OH^-)-c（H₃PO₄）

快速书写质子守恒的方法：
第一步：确定溶液的酸碱性，溶液显酸性，把氢离子浓度写在左边，反之则把氢氧根离子浓度写在左边。
第二步：根据溶液能电离出的离子和溶液中存在的离子，来补全等式右边。具体方法是，判断溶液能直接电离出的离子是什么。然后选择能电离产生氢离子或者水解结合氢离子的离子为基准，用它和它电离或者水解之后的离子（这里称为对比离子）做比较，是多氢还是少氢，多N个氢，就减去N倍的该离子（对比离子）浓度。少N个氢离子，就减去N倍的该离子（对比离子）。
如碳酸氢钠溶液（NaHCO₃）:溶液显碱性，所以把氢氧根离子浓度写在左边，其次。判断出该溶液直接电离出的离子是钠离子和碳酸氢根，而能结合氢离子或电离氢离子的是碳酸氢根。其次以碳酸氢根为基准离子（因为碳酸氢钠直接电离产生碳酸根和钠离子，而钠离子不电离也不水解。）减去它电离之后的离子浓度，加上它水解生成的离子浓度。便是：
C（OH^-）=C(H₂CO₃)-C(CO₃^2-)+C(H⁺)

例1：NH₄Cl溶液，

电荷守恒，NH₄⁺ + H⁺ = Cl^- + OH^-

物料守恒，C（NH₄⁺ ）+ C（NH₃.H₂O） = C（Cl^-）

质子守恒，处理一下，约去无关的Cl^-，得到，C（H⁺ ）= C（OH^-）+ C（NH₃.H₂O），

分析, 水电离H⁺ = OH^-，但是部分OH^-被NH₄⁺结合成NH₃.H₂O，而且是1：1结合，而H⁺不变，所以得到，H⁺ = 原来的总OH^- = 剩余OH^- + NH₃.H₂O

例2：Na₂CO₃溶液，

电荷守恒，Na⁺ + H⁺ = 2CO₃^2- + HCO₃^- + OH^-

物料守恒，Na⁺ = 2(CO₃^2- + HCO₃^- + H₂CO₃)

质子守恒，处理一下，约去无关的Na⁺，得到，HCO₃^- + 2H₂CO₃ + H⁺ = OH^-，

分析:水电离H⁺ = OH^-，但是部分H+被CO₃^2-结合成HCO₃^-，而且是1：1结合，还有部分继续被HCO₃^-结合成H₂CO₃，相当于被CO₃^2-以1：2结合，而OH^-不变，所以得到---

OH^- = 原来总H⁺ = HCO₃^- + 2H₂CO₃ + 剩余H⁺

若能清楚三个守恒，解题会更快，若质子守恒不能熟悉，只要掌握前两个也足够了。
归纳：
1． Na₂CO₃溶液．

电荷守恒，c(Na⁺)+c(H⁺)=c(OH^-)+c(HCO₃^-)+2c(CO₃ ^2-)

物料守恒，c(Na⁺)=2[c(CO₃^2-)+c(HCO₃^-)+c(H₂CO₃)]
质子守恒，c(OH^-)=c(H⁺)+c(HCO₃^-)+2c(H₂CO₃)
2．NaHCO₃ 溶液

电荷守恒： c(Na⁺)+c(H⁺)=c(HCO₃^-)+2(CO₃^2-)+c(OH^-)

物料守恒，c(Na⁺)= c(HCO₃^-) + c(CO₃^2-) + c(H₂CO₃)
质子守恒，C（H⁺）=C（CO₃^2-）+C(OH^-) -C（H₂CO₃）
即C（H⁺）+C（H₂CO₃）=C（CO₃^2-）+C(OH^-)

3．NH₄Cl溶液，
电荷守恒，C（NH₄⁺ ）+ C（H⁺ ）=C（ Cl^- ）+ C（OH^-）
物料守恒，C（NH₄⁺ ）+ C（NH₃.H₂O） = C（Cl^-）
质子守恒，C（H⁺ ）= C（OH^-）+ C（NH₃.H₂O）
4．Na₃PO₄溶液

电荷守恒： c(Na⁺)+c(H⁺)=3c(PO₄ ^3-)+2c(HPO₄ ^2-)+c(H₂PO₄^-)+c(OH^-)

物料守恒， c［Na⁺］=3c［PO₄^3-］+3c［HPO₄^2-］+3c［H₂PO₄^-］+3c［H₃PO₄］
在0.1mol／L Na₃PO₄溶液中，根据P元素形成微粒总量守恒有：
c［PO₄^3-］+c［HPO₄^2-］+c［H₂PO₄^-］+c［H₃PO₄］=0.1mol／L
质子守恒， c［OH^-］=c［HPO₄^2-］+2c［H₂PO₄^-］+3c［H₃PO₄］+c［H⁺］
5．Na₂S溶液
电荷守恒，c(Na⁺)+c(H⁺)=2c(S^2-)+c(HS^-)+c(OH^-)
物料守恒，c(Na⁺)=2[c(S^2-)+c(HS^-)+c(H₂S)]
质子守恒，c(OH^-)=c(H⁺)+c(HS^-)+2c(H₂S)
6．
电荷守恒，NaOH溶液，C（Na⁺ ）+C（ H⁺ ）=C（OH^-）
CH₃COONa溶液： c(Na⁺)+c(H⁺)=c(CH₃COO^-)+c(OH^-)
物料守恒，H₂S物料守恒式：c(S^2-)+c(HS^-)+c(H₂S)=0.1mol/L,
质子守恒，NaH₂PO₄溶液：c（H⁺）=c(HPO₄^2-)+2c(PO₄^3-)+c(OH^-)-c（H₃PO₄）

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