张拴军 甘肃省平凉市静宁县第二中学 743400
在高中化学原理的教学过程中，电解质溶液中离子浓度大小的比较是高考的热点题型，涉及的知识点主要包括弱电解质的电离及盐的水解规律等。而电解质溶液中的三大守恒关系，即电荷守恒、物料守恒、质子守恒，能反映出溶液中各种微粒间的定量关系，也是解决这一类问题的重要依据。其中质子守恒的书写是教学的一个难点，质子守恒的常规写法是由电荷守恒和物料守恒合并消元而来，但这种方法比较繁杂，并且在合并的过程中容易出错。
下面介绍如何利用酸碱质子理论快速地书写质子守恒表达式。
一、质子守恒的内涵和表述
根据酸碱质子理论，无论是弱电解质的电离还是中和反应，或是盐类的水解，本质上都是质子的转移过程。在所有的酸碱平衡体系中，各酸失去的质子总数等于各碱得到的质子总数，经常用得质子产物浓度和失质子产物浓度来表示，也可以表述为酸对应的产物减少的质子总数等于碱对应的产物增加的质子总数，衍生出来的表述还有溶液中质子总数等于水提供H+与酸向溶液提供H+的和减去碱消耗溶液中的H+，酸碱平衡体系中的这种关系称为质子守恒又叫作质子条件式。实际上，酸碱平衡体系中转移的质子总数只与建立平衡的有关微粒的始态和终态有关，而与中间复杂的转移过程无关，有点状态函数的味道。这里始态是指溶液中各酸各碱的初始存在型体，也就是发生质子转移的各反应物；终态是指由反应物可能形成的所有共轭酸碱（相对于反应物）。根据各酸碱对始态和终态间质子迁移数与对应的平衡浓度结合起来，即可得出质子守恒表达式，这也是质子守恒为什么用得质子产物浓度和失质子产物浓度来表示的原因所在。
二、运用酸碱质子理论书写质子守恒式
第一步：准确找出溶液中直接参与质子转移的酸、碱（初始存在型体）。这一点很重要，必须从溶液中最起始的组分中去找。
例如在CH3COONa溶液中，CH3COO-是碱，H2O分子既是酸又是碱，Na+不参与质子的转移不予考虑，所以其溶液中与质子得失有关的行为主体是CH3COO-和H2O。同理，在Na2CO3和NaH2PO4溶液中，直接参与质子转移的酸碱粒子分别是CO32-和H2O、H2PO4-和H2O；在（NH4）2CO3溶液中直接参与质子转移的酸碱粒子是NH4+、CO32-和H2O。
第二步：构建状态模型，把第一步中找出的初始酸碱组分写在中间，然后左右分别画出箭头，并表示为“得失nH+”，n为H+个数，将得失质子后形成的终态粒子写在左右剪头的两边。
如在NaH2PO4溶液中状态模型构建为：
第三步：用得到质子所形成的各终态型体粒子的浓度乘以各自形成时所得到的质子数(若为1则省略不写)，诸项之和表示得到质子的总数目；用失去质子所形成的各终态型体粒子的浓度乘以各自形成时所失去的质子数，诸项之和表示失去质子的总数目。
根据质子守恒的含义，各酸失去的质子总数=各碱得到的质子总数，即可得到NaH2PO4溶液中的质子守恒式为：c(H3PO4)+c(H+)=c(HPO42-)+2c(PO43-)+c(OH-)。(H3O+简写为H+，下同)
三、各类溶液质子守恒式的书写
1.单一溶液质子守恒式的书写
（1）一元弱酸弱碱溶液中的质子守恒式。
如CH3COOH溶液：溶液中初始酸碱的存在型体为CH3COOH和H2O，则状态模型为：
所以质子守恒式为：c(H+)=c(CH3COO-)+ c(OH-)。同理，在NH3·H2O溶液中，初始酸碱的存在型体为NH3·H2O和H2O，则状态模型为：
所以质子守恒式为：c(NH4+)+c(H+)= c(OH-)。
（2）多元弱酸溶液中的质子守恒式。
如H3PO4溶液：溶液中酸碱的初始存在型体为H3PO4和H2O，则状态模型为：
溶液中质子守恒式为：c(H+)=c(H2PO4-)+2c(HPO42-)+3c(PO43-)+ c(OH-)。
（3）各种盐溶液的质子守恒式。
正盐如CH3COONH4溶液：溶液中酸碱的初始存在型体为CH3COO-、NH4+和H2O，状态模型构建为：
所以质子守恒式为：c(CH3COOH)+c(H+)=c(NH3·H2O)+ c(OH-)。酸式盐如NaH2PO4溶液，前面已经提到。
2.混合溶液中质子守恒式的书写
对于物质的量比为1∶1的双组分混合溶液，在构建状态模型时，需将H2O的系数翻两倍。
如在浓度相等的CH3COOH和CH3COONa的混合溶液中，直接参与质子转移的酸碱初始存在型体为CH3COOH、CH3COO-和H2O，状态模型构建如下：
所以质子守恒式为：c(CH3COOH)+2c(H+)=c(CH3COO-)+2c(OH-)。
对于两种组分以任意比例存在的混合溶液，情况比较复杂，在构建状态模型时，需将各酸碱的起始组分乘以相应的倍数，组分H2O乘以的倍数是混合溶液比例关系加起来的和。
如在浓度比为2∶3的Na2CO3和NaHCO3的混合溶液中，初始酸碱组分的存在型体为CO32-、HCO3-和H2O，这时，CO32-的系数为2，HCO3-的系数为3，而H2O的系数为5，质子守恒式中各终态组分的系数由得失质子的个数来确定，其状态模型构建如下：
根据“各酸失去的质子总数=各碱得到的质子总数”，得混合溶液中质子守恒式为：2c(HCO3-)+4c(H2CO3)+3c(H2CO3)+5c(H+)=3c(CO32-)+5c(OH-)；整理可得：2c(HCO3-)+7c(H2CO3)+5c(H+)=3c(CO32-)+5c(OH-)。
总之，质子守恒表达式的推导，既是人教版《化学反应原理》模块的教学难点和重点，也是体现化学核心思想方法的重要内容，更是大学阶段计算各类溶液pH的理论基础。正确书写质子守恒式有助于学生加深对电离平衡和水解平衡的理解。目前书写质子守恒的方法很多，如图示法、合并消元法、框图法、参考水准法等等。比较而言，以质子理论为指导，构建状态模型的书写，更能反映质子守恒的内涵，并且操作简单，正确率高，适合于不同层次的学生接受和掌握。
论文作者:张拴军
论文发表刊物:《中小学教育》2016年3月总第236期
论文发表时间:2016/4/22
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