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酸碱溶液[H+]近似计算公式适用范围的数学推导

(2013-07-18 09:35:58)
标签:

氢离子浓度近似计算

代入法

近似计算的条件

教育

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酸碱溶液[H+]近似计算公式适用范围的数学推导。在计算误差不大于2%时,一般认为其适用条件为c / Ka500,且cKa20Kw

误差分析的方法并不复杂。但要从以下两个方面来进行。

1.      c / Ka500的由来

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-,其表达式酸碱溶液[H+]近似计算公式适用范围的数学推导也有足够的精度(其实这就是近似式)。其具体的计算式子为酸碱溶液[H+]近似计算公式适用范围的数学推导

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。这样有式子酸碱溶液[H+]近似计算公式适用范围的数学推导

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%,可以被表述为酸碱溶液[H+]近似计算公式适用范围的数学推导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 a640

可以看出,通常的c / Ka500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,c / K a126通常说的c / Ka100,也不能保证最简式的计算误差都小于或等于5%

2.      cKa20Kw的由来

cKa已很小,处于cKaKw可比较的区域时,最简式实际是由极稀极弱式酸碱溶液[H+]近似计算公式适用范围的数学推导(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,实际是让酸碱溶液[H+]近似计算公式适用范围的数学推导(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9604cKa + Kw =10000 cKa,进而得396cKa=9604KwcKa=24.4Kw

通常的要求cKa20Kw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cKa25Kw较好(也不难记)。

至于cKa10Kw的条件,通过计算可以知道,则是给5%留下了一些余地。

3.      误差分析法的局限性

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 / Ka500cKa20Kw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 / Ka500cKa20Kw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+]Kac的函数关系式。而在任何一个近似计算公式中,[H+]同样也是Kac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aKac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Kac了。当然,这是一个只含有Kac的比较难解的高次方程。

只要解出这个方程,找出Kac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Kac间的关系全面、精细地反映出来。

当然,为减少无谓的计算,在cKa成直线关系的区间内,c的值可以取得稀疏一些。而在cKa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.      误差修正值(a)的取值

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。其表达式为酸碱溶液[H+]近似计算公式适用范围的数学推导

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,上式可写为酸碱溶液[H+]近似计算公式适用范围的数学推导。移项后有酸碱溶液[H+]近似计算公式适用范围的数学推导。最后得:酸碱溶液[H+]近似计算公式适用范围的数学推导

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。所以误差修正值酸碱溶液[H+]近似计算公式适用范围的数学推导

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

b= +5%时,a = 1/1.05

2.      计算公式的导出

一元弱酸中[H+]计算的精确式为酸碱溶液[H+]近似计算公式适用范围的数学推导

最简式为酸碱溶液[H+]近似计算公式适用范围的数学推导

当修正误差用a表示时,最简式求出的[H+](即酸碱溶液[H+]近似计算公式适用范围的数学推导)要乘以a后(得酸碱溶液[H+]近似计算公式适用范围的数学推导),才能与精确式求出的[H+]相等,可以直接代入精确式。

酸碱溶液[H+]近似计算公式适用范围的数学推导直接替换精确式中的[H+]后,精确式就变为:酸碱溶液[H+]近似计算公式适用范围的数学推导……(1

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。可整理得酸碱溶液[H+]近似计算公式适用范围的数学推导……(2

这一式子中的Kw一般取1×10-14a要按我们的需要来取固定的值。所以这还是一个关于Kac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Kw1.0×10-14),同时代入式(2),有:酸碱溶液[H+]近似计算公式适用范围的数学推导……(3  

c = 1.00  mol·L-1代入式(3),有酸碱溶液[H+]近似计算公式适用范围的数学推导.

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

c = 0.100  mol·L-1代入上式(3),可解出Ka = 1.57×10-4

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Kw1.0×10-14一起代入式(2),有:酸碱溶液[H+]近似计算公式适用范围的数学推导

    将不同的c值代入上式,并解方程得出Ka如下表所示:

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 a640cKa=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

 

 


 

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