酸碱溶液[H+]近似计算公式适用范围的数学推导

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分类: 电解质溶液 |
酸碱溶液[H+]近似计算公式适用范围的数学推导
在无机化学和分析化学教学中,关于酸碱溶液中[H+]的计算,通常都用相对更简单一些的近似公式来解决。
与精确式不同,所有近似计算公式都是在忽略某些因素的前提下才能得到的,所以自然都有一定的适用条件。超出其适用范围来选用某近似计算公式,就会产生过大、甚至是不能允许的计算误差。所以在选用某近似计算公式时,一定要先判断清楚,这一体系是否符合该近似计算公式的使用条件。
可惜的是,对众多的酸碱溶液的[H+]近似计算公式来说,对其使用条件的研究还很不够。纠其原因,主要有以下几个方面:
认为在这方面的研究没有意义了。早在30年前计算机就已被用于教学,用计算机可以比较容易地得到酸碱溶液中[H+]的精确数值解。这就让许多人得出了近似计算将过时,这方面研究无用的判断。但事实是,这些近似计算公式现在还出现在教材中,而一些不严谨、甚至是错误的说法还在不断被重复着。
研究的难度大也是一个原因。由于酸碱溶液涉及的物种类别很多(一元酸、多元酸、两性物质等),可变因素变动的范围大(涉及的公式数量多),研究中计算的工作量也大(必须要解高次方程),因而要想把各方面问题都要研究清楚,对一个人、甚至是几个人来说,都是不太可能的事情。但只要每人研究一点,持之以恒、聚沙成塔,这项工作总会有完成的那一天。
更为主要的是,人们还没有找到较好的研究方法。不清楚应该用什么工具来进行这方面的研究。
本文就是针对“工具”问题而写的。只有让更多的人掌握先进的研究工具,“聚沙成塔”的日子才能早日到来。
一、近似计算公式使用条件研究的老方法及其局限性
对近似计算公式使用条件的讨论,一般是从两个方面来进行的。一是用误差分析的方法,一种是用计算机计算出具体数值的归纳统计法。
下面以一元弱酸的最简式为例,看看这两种研究方法是如何进行的。
(一)误差分析的方法及局限性
一元弱酸溶液氢离子浓度计算的最简式为。在计算误差不大于2%时,一般认为其适用条件为c
/ Ka≥500,且cKa≥20Kw。
误差分析的方法并不复杂。但要从以下两个方面来进行。
1.
在酸的解离常数(Ka)不很小,浓度(c)不很稀时,水的电离可以忽略不计。而可以只考虑算酸分子的电离HA=H++A-,其表达式也有足够的精度(其实这就是近似式)。其具体的计算式子为
。
所谓最简式的计算误差,就是用最简式计算出来的[H+],与上面近似式计算出来的[H+],进行比较。这样有式子。
考虑到最简式是用较大的c替代[HA],只能造成正误差。其误差不大于+2%,可以被表述为。这就是讨论最简式计算误差的一个式子。
将上式进行移项、平方等步骤的处理,最终有c / K a≥640。
可以看出,通常的c / Ka≥500的说法,是不严格的,不能保证最简式的计算误差都不大于2%。
同上,不难计算出对误差不大于5%的情况,有c / K a≥126。通常说的c / Ka≥100,也不能保证最简式的计算误差都小于或等于5%。
2.
在cKa已很小,处于cKa与Kw可比较的区域时,最简式实际是由极稀极弱式(这时该式有足够的精度、与精确计算结果相差极小)化简而来的。
当要求计算结果相差正好等于2%时,实际是让(左端分子项是最简式计算出的[H+],比分母要小,右端是相差2%的意思)。
由上式可整理出9604(cKa + Kw )=10000 cKa,进而得396cKa=9604Kw、cKa=24.4Kw。
通常的要求cKa≥20Kw可能是为了好记忆的缘故,但在这一边界实际已有大于2%的误差。其实,对要求误差不大于2%的情况,还是取cKa≥25Kw较好(也不难记)。
至于cKa≥10Kw的条件,通过计算可以知道,则是给5%留下了一些余地。
3.
对一元弱酸来说,用误差分析法讨论最简式的误差,其可信度是值得怀疑的。一点有二。
一是,用以与最简式进行比较的标准是近似式及极稀极弱式。在所讨论的情况下,这两式都有足够的精确度吗?如果比较的依据还不够精确或有变化,则结论肯定也会是不准确或有局限性的。
其二,最简式在忽略水的电离、会产生负误差的同时,还要同时忽略掉解离的酸分子,会造成正误差。在酸常数及浓度均有很大变化范围的情况下,肯定会有两者共同影响的情况。如上的误差分析法,对此将束手无策。
从最终结论也可以看到一个矛盾。将c / Ka≥500与cKa≥20Kw两直线在pc-pKa图上画出就知道,两直线会相交,而形成一个闭合的区域。而最简式的使用范围,一边既然是有正误差的线、一边是负误差的线,中间就一定有一条可以无限延伸的无误差线。即最简式的适用范围是一个不可能闭合的区域。从数学角度看,通常的c / Ka≥500与cKa≥20Kw条件,也不会是完整和严格的。
(二)统计的方法及局限性
考虑酸常数及浓度均可在很大的范围内变化,如分别用坐标轴表示酸常数和浓度,就可以构成一个很大的平面区域。在这个区域内任取一个点,就是一个酸常数(Ka)及浓度(c)都有定值的酸体系。用计算机根据精确式计算出该点所代表体系的[H+]、再用最简式计算出该点的[H+]。就可以计算出这两个[H+]间误差的确切值。
当取的点很多时(如770个点),其中就会含有足够多的误差为2%的点。将这些点连接起来你,可以得到一条曲线,进而给出其曲线方程。用这样的方法同时还可能得到误差为5%的曲线[1]。
其不足是,虽然取的点很多,但终归其数目是有限的,属于指定误差的点则更有限,计算的效率低下。另外一方面就是,从结果看、误差曲线的一些变化细节并没有被完全表现出来。
总之,这种方法也算不上是可信、细致和最终的解决近似计算公式适用条件的办法。
二、讨论[H+]近似计算公式误差的新方法
其实在已知某溶液[H+]精确计算式及某近似计算式的前提下,再讨论近似公式的计算误差,从数学的角度看,应该是一件很容易的事情。
(一)代入法的提出
由于精确式是说明溶液中[H+]、酸常数Ka,酸溶液分析浓度c,三者关系的一个数学式子,是[H+]、Ka与c的函数关系式。而在任何一个近似计算公式中,[H+]同样也是Ka与c的函数。
这样,只要将某近似计算公式的[H+] 的表达式,乘以一个所讨论的误差修正值(定为a),然后再代入精确式中,就可以得到一个只有a、Ka与c的方程(消掉了精确式中的[H+])。如指定出一个a的值(根据我们所需的误差是2%、还是5%、或其它的误差值)、则方程只含有Ka与c了。当然,这是一个只含有Ka与c的比较难解的高次方程。
只要解出这个方程,找出Ka与c的关系,这一结果就是近视计算公式适用范围边界上的一个点。找出足够多的这样的点,就是近似式适用条件问题的终极解决。所以是值得试一试的。
为此可用如下的方法来解这个方程:规定一个指定的c值,代入高次方程,由这个只有一个未知数Ka的方程就可以解得到一个确定的Ka。再规定另一个的c值,代入高次方程,解出又一个Ka。如此反复。
由一系列c值得到足够多的Ka后,就可以用列表、或作图(如pc-pKa图)的方式,将近似计算公式的误差与Ka、c间的关系全面、精细地反映出来。
当然,为减少无谓的计算,在c与Ka成直线关系的区间内,c的值可以取得稀疏一些。而在c与Ka的关系比较复杂的部位,点可以取得密集一些,使精度进一步提高。
可以将这种确定近似计算式使用范围的方法,称为“代入法”。
(二)一个讨论的实例(以一元弱酸最简式为例)
由于公式推导和计算过程所涉及的代数式都很长,有一个符号或数值弄错了,很可能就会前功尽弃,所以对每一个字母、符号和数值都要十分仔细。
1.
首先要指出的一点是误差修正值,并不就是计算误差。
计算误差是很好理解的,在前面已用过。将其用符号b来表示。其表达式为。
为得出误差修正值与计算误差的关系,要将上式进行适当地整理。去掉百分号,上式可写为。移项后有
。最后得:
。
从最后一个式子可看出,近似值要除以(b+1)后,才能替代精确值。所以误差修正值
对最简式的近似计算误差,要从正误差及负误差这两个方面来讨论。
这样当b= +2%时,a = 1/1.02;当b= -2%时,a = 1/0.98。
当b= +5%时,a = 1/1.05。
2.
当修正误差用a表示时,最简式求出的[H+](即)要乘以a后(得
),才能与精确式求出的[H+]相等,可以直接代入精确式。
将式(1)进行去根号(两端同时平方、这是最麻烦的),合并同类项的操作。可整理得……(2)
这一式子中的Kw一般取1×10-14,a要按我们的需要来取固定的值。所以这还是一个关于Ka及c的高次方程。
3. 计算误差为+2%的情况
将有2%的正误差时的a
= 1/1.02,及将常温下为定值的Kw(1.0×10-14),同时代入式(2),有:……(3)
将这个有关Ka的三次方程进行再整理后,可解出Ka = 1.57×10-3
取c = 0.100
取一系列的c,可得到相应的Ka。结果列表如下:
c |
1.0 |
0.1 |
0.001 |
1.×10-4 |
5×10-5 |
Ka |
1.57×10-3 |
1.57×10-4 |
1.57×10-6 |
1.62×10-7 |
8.83×10-8 |
由于数值间有数量级的差别,可换算为负对数的形式,有:
Pc |
0 |
1 |
3 |
4 |
4.3 |
PKa |
2.80 |
3.80 |
5.80 |
6.79 |
7.05 |
这样就可以可用负对数的数据在pc-pKa图中画出一条最简式适用范围的边界线(在这里不再画)。不难看出在酸的浓度较大时是直线。浓度较小时会弯曲。
4. 计算误差为-2%的情况
当计算误差为2%的负误差时,a
= 1/0.98。将其与Kw的1.0×10-14,一起代入式(2),有:。
c |
1.0 |
0.1 |
0.001 |
1.×10-4 |
Ka |
2.48×10-13 |
2.48×10-12 |
2.49×10-10 |
2.78×10-9 |
由于数值间有数量级的差别,应换算为负对数的形式,有:
Pc |
0 |
1 |
3 |
4 |
PKa |
12.6 |
11.6 |
9.6 |
8.56 |
用负对数的数据也可以在pc-pKa图中画出适用范围的另一边界线。
最终以表、曲线及数学式子的形式来描述,有关最简式适用条件的讨论就彻底进行完了。
5. 对代入法结果的分析
从用代入法讨论最终得到的结果来看,该方法比本文“一”中介绍的误差分析法及统计法都要更成功。
一是,当酸的浓度不很稀、且要求的误差不大于2%时,代入法得到最简式的适用条件的为c / Ka = 637、及cKa=24.8Kw。而误差分析法得到的是c / K a≥640及cKa=24.4Kw。相互间的微小差别,实际是相互验证了方法的可靠性。两相比较,代入法的结果当然会更精确一些。
这一微小的差别、也从另一个角度说明,在满足酸的浓度不很稀等件时,近似式与极稀极弱式也有很好的计算精度,几乎可以替代精确式来使用。
其二是,与统计法相比较,代入法很容易提高计算的精度。为提高精度,代入法只要多取几位有效数字就可以了。而统计法所取的计算点则要成几何级数的增加。
第三是,在酸的浓度较稀时,误差分析法是无能为力的。而代入法可以把边界线精细地描绘出来(实际是一条曲线)。
总之,代入法得到的是最严谨的数学结果,是问题的终极解决。
参考文献
[1] 林树昌、曾泳淮 酸碱溶液氢离子浓度计算公式的使用条件.化学教育.1984年第1期