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酸碱缓冲溶液[H+]计算教学中的几个问题

2016-01-27 10:16阅读：

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酸碱缓冲溶液[H+]计算教学中的几个问题
在各种无机化学和分析化学教材中，酸碱缓冲溶液[H+]的近似计算，都属于必备的教学内容。计算酸碱缓冲溶液中氢离子浓度，在通常情况下也是没有什么难度的。
但从几种主流教材的编写情况看，对酸碱缓冲溶液[H+]的计算，还有不少细节处理的略显粗超，在这部分内容的教学思路和教学方法上也还存在一些问题。
一、关于缓冲溶液[H+]计算公式及其适用范围的几种正统表述
在不同的教学层次中，对酸碱缓冲溶液的教学要求不同，对[H+]计算方法的处理，也是有一些差别的。
1. 无机化学中的处理方法[1]
从弱HB及其盐NaB溶液中的同离子效应，引入这类缓冲溶液[H+]的计算。
在不考虑水电离的情况下，导出：
对一元弱酸及其盐的混合溶液，有 酸碱缓冲溶液[H+]计算教学中的几个问题
……（1）
对弱碱及其盐的混合溶液，有 酸碱缓冲溶液[H+]计算教学中的几个问题……（2）
并把这两个公式并称为缓冲公式。
受学生知识水平的限制，在基础化学教学中能达到这个理论深度，也应该算是可以的了。学生一般也不会去追究，这些计算公式要在什么条件下才适用。遇到这类问题，一律去套用这两个公式，一般也不会出现什么问题。
2. 分析化学中的处理方法[2]
由于学生对水溶液体系有了更深入地了解，还掌握了分析这类体系中多种关系的利器（如电荷平衡、物料平衡等），所以在教学中通常都是在考虑水要电离的情况下入手、来解决问题的。
在弱酸HB（浓度为cHB）及其共轭碱NaB（浓度为cB-）组成的缓冲溶液中，据体系的电荷平衡和物料平衡，可以得到计算其[H+]的精确式：
酸碱缓冲溶液[H+]计算教学中的几个问题……（3）
当溶液的pH小于6时，有近似式 酸碱缓冲溶液[H+]计算教学中的几个问题……（4）
当溶液的pH大于8时，有近似式 酸碱缓冲溶液[H+]计算教学中的几个问题……（5）
若cHB 酸碱缓冲溶液[H+]计算教学中的几个问题[OH-]-[H+]，cB- 酸碱缓冲溶液[H+]计算教学中的几个问题[H+] - [OH-]，则有最简式。即
酸碱缓冲溶液[H+]计算教学中的几个问题……（6）
对上述这两种表述方法和内容，总觉得还有一些不那么另人完全满意的地方。
二、计算公式的表述形式还不够科学
在教材中出现的计算公式一般要有三个功能。一是，可以直接使用。二是，应简约、不应该有重复。三是，常用的公式要便于学生理解及记忆。
下面就用这三条标准来衡量一下前面所列出的这些公式。
1. 并列两个计算pH的公式是没有必要的
对缓冲溶液pH的计算，在无机化学教学中给出了两个计算公式，即公式（1）与（2）。
其实，对一元弱酸及其盐混合溶液适用的公式（1），对弱碱及其盐混合溶液也是适用的。即公式（2）是多余的，只要给出式（1）就足够了。
对此，可证明如下：
从质子酸碱理论看，弱碱及其盐的混合溶液，其所谓的c盐实际就是c酸。且其Kb与其共轭酸Ka间的关系为Kb·Ka = Kw。
对此，可将式（2）的“ 酸碱缓冲溶液[H+]计算教学中的几个问题”，改写为“ 酸碱缓冲溶液[H+]计算教学中的几个问题”。
然后，将最后一式的两端去同除以Kw，则有 酸碱缓冲溶液[H+]计算教学中的几个问题。整理这个式子，就可以得到与公式（1）对应的 酸碱缓冲溶液[H+]计算教学中的几个问题。即，（2）与（1）是完全等价的，两者的最终计算结果会完全相同。
即，无论是弱酸及其盐组成的缓冲溶液，还是弱碱及其盐的缓冲溶液，只要采用的是它们共轭酸的Ka，就都可以采用统一的计算公式 酸碱缓冲溶液[H+]计算教学中的几个问题，来进行计算。
在教学中，教师有必要给学生证明出，公式（2）与（1）的一致性。
给出两个计算公式，反而容易产生如下的一些后果：
第一，学生要多记一个公式。实际这是在做无用功。
第二，使弱碱及其盐所组成缓冲溶液的pH计算更麻烦。
因为，对一元弱酸及弱碱溶液的pH计算，确实要用到两个公式。教师并要强调：在用最简式计算一元弱酸溶液pH时，一定要用公式 酸碱缓冲溶液[H+]计算教学中的几个问题；而用最简式计算弱碱溶液的pH时，一定要先用公式 酸碱缓冲溶液[H+]计算教学中的几个问题来求溶液的[OH-] ，然后再换算为[H+]。
与此对照，学生就多会以为：对于弱碱及其盐组成的缓冲溶液，也一定要先用式（2），用Kb计算出其pOH，然后再换算成pH。其实，采用这种计算方法，用的步骤数会更多，发生错误的可能性也会更大。
何况，在实际工作中几乎没有计算pOH的必要，所以写出两个缓冲公式，更是没有任何意义。
2. 没有必要将公式写成负对数的形式
在无机化学及分析化学教学中，一律将最简式写成了“ 酸碱缓冲溶液[H+]计算教学中的几个问题”，这类负对数形式的式子。其实这种写法并不好，反而容易给学生造成记忆方面的困难。
一是，等号右端的两项间是“+”号、还是“-”号，容易混淆。因为在不同的教材中，这两种符号就都出现过。
再一点是，最右端分数项的c盐与c酸，究竟哪个在分子项上（实际与取对数项前面的符号有关），在现实中是随公式的写法而变的（对数项的前面变号，就相当与分数中的分子与分母互换）。
考虑到，将公式写为负对数表示式，在计算器已普及的现在，早已没有任何使用方面优势可言。所以，这种只能去死记硬背的表达形式，也无再继续存在的必要了。
学生只要记住，当弱酸的解离平衡是这个体系的主要矛盾时，其解离常数的表达式“ 酸碱缓冲溶液[H+]计算教学中的几个问题

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