张志军;张红医;梁玉环;王子川
【摘 要】近年来高校基础分析化学课程教学时效普遍存在逐渐压缩的趋势,而分析化学的教学内容随着新技术的不断出现而呈现出越来越丰富的趋势.面对这样的矛盾,考虑到计算技术的广泛普及和使用,在此我们在前文的基础上详细阐述了借助PeakMaster软件代替传统的公式法计算溶液pH值的教学思路.杜恒岩
【期刊名称】孙女雇人为爷爷扫墓《广州化工》
【年(卷),期】2013(041)004
【总页数】4页(P191-193,199)
【关键词】教学;pH计算;酸碱溶液;PeakMaster软件
seek benefits【作 者】张志军;张红医;梁玉环;王子川
【作者单位】河北大学化学与环境科学学院,河北保定071002;河北大学化学与环境科学学院,河北保定071002;河北大学化学与环境科学学院,河北保定071002;河北大学化学与环境科学学院,河北保定071002
【正文语种】中 文
【中图分类】O65
溶液的pH值是衡量溶液酸碱性的尺度，在化学化工、生物医学、农业科技、环境保护等领域的科研和实际工作中，经常会遇到有关溶液溶液pH值的计算问题。溶液的pH值的计算长期以来都是大学《无机化学》、《分析化学》课程的重要内容［1－2］，需要学生在掌握相关酸碱平衡、质子条件式等相关知识的基础上，通过熟记相关的公式及其使用范围，还要通过较多的实践练习，才能达到熟练计算的水平。近年来高校基础分析化学课程教学时数普遍存在逐渐压缩的趋势，而分析化学的教学内容随着新技术的不断出现而呈现出越来越丰富的趋势［3－4］。面对这样的矛盾，考虑到计算技术的广泛普及和使用，在此我们在前文的基础上［5］详细阐述了借助PeakMaster软件代替传统的公式法计算溶液pH值的教学思路。
1 计算溶液pH的经典公式法
对于酸碱溶液中H+浓度的计算，目前常用的方法就是所谓的公式法，至少包括27个以上的公式 (我们将主要的公式列于表1)。尽管公式可以在一定程度上减少酸碱溶液中H浓度计算的难度，但是一方面由于不同的公式只能适合不同的类型的酸碱溶液;另一方面，每一种溶液类型的公式还包括所谓的精确式、近似式和最简式。因此，公式类型及溶液类型过多分类给公式法的使用带来很多不便，需要较多的训练才能达到熟练的程度，这些计算对于那些离校已久的在职人员更是一种挑战。所以，在接下来的内容中，我们将向大家介绍如何使用PeakMaster软件 (免费的)实现酸碱溶液pH值的快速计算。
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表1 溶液pH计算的相关公式物质种类 适用条件 pH值的公式强酸溶液(HCl)精确式 ［H+］= Kw［H+］+C(HCl)C(HCl)10－6M ［H+］=C(HCl)强碱溶液(NaOH)精确式 ［H+］=［OH－］－C(NaOH)C(NaOH)10－6M ［OH－］=C(NaOH)精确式 ［H+］= Ka［HA］+K槡w KaC20Kw ［H+］= Ka［HA］一元弱酸(HA)槡Ka/C＜2.5×10－3［H+］=Ka槡KaC20Kw C精确式 ［OH－］= Kb［A－］+K槡w KbC20Kw ［OH－］= Kb［A－一元弱碱(A－)槡］Kb/C＜2.5×10－3［OH－］=Kb槡KbC20Kw C
续表1精确式 ［H+］= Ka2［HA－］+Kw 1+［HA－］/K槡a1 Ka2C20Kw ［H+］= Ka2C 1+C/K两性物质(NaHA)槡a1 Ka2C20Kw C/Ka1＞20 ［H+］= Ka1K槡a2多元弱酸(H2A)精确式 ［H+］=Ka1［H2A］［H+］+2Ka1Ka2［H2A］［H+］2 2Ka2/［H+］1 ［H+］= Ka1［HA槡］［H+］=［HA］［A－］Ka精确式=Ca－［H+］+［OH－］Cb+［H+］－［OH－］K一元弱酸及其共轭碱(HA+A)溶液显酸性 ［H+］=Ca－［H+］Cb+［H+］Ka溶液显碱性 ［H+］=Ca－［OH－］Cb+［OH－］Ka Ca［OH－］－［H+］Cb［H+］－［OH－］［H+］=Ca CKa b强碱和弱碱(NaOH+A－)精确式 ［OH－］= CbKb Kb+［OH－］+C(NaOH)C(NaOH)［HA］［OH－］=C(NaOH)精确式 ［H+］=Ka(HA)［HA］+Ka(HB)［HB槡］两种弱酸(HA+HB)［HA］≈C(HA)［HB］≈C(HB)［H+］=Ka(HA)C(HA)+Ka(HB)C(HB槡)［HA］≈C(HA)［HB］≈C(HB)Ka(HA)≯Ka(HB)［H+］= Ka(HB)C(HA槡)精确式 槡［OH－］=Kb(A－)［A－］+Kb(B－)［B－］两种弱碱(A－+B－)［A－］≈C(A－)［B－］≈C(B－)槡［OH－］=Kb(A－)C(A－)+Kb(B－)C(B－)［A－］≈C(A－)［B－］≈C(B－)Kb(A－)≯Kb(B－)［OH－］= Kb(A－)C(A－槡)
2 计算溶液pH的PeakMaster软件法
2.1 PeakMaster的下载、安装
登陆PeakMaster软件官方网址web./～gas/，在这个界面上就可以看到下载的网址，点击下载之后，将压缩包解压后，直接点击扩展名为.exe的文件夹即可立即使用，并且不用安装。此软件目前最新的版本是PeakMaster 5.3，最早的版本还有PeakMaster 5.0、PeakMaster 5.1和PeakMaster 5.2，可以在网站上根据自己的需求任意免费下载。这个软件不仅可用于溶液pH的计算，还可以用于毛细管电泳分离实验的模拟和优化。
2.2 PeakMaster的使用
2.2.1 PeakMaster的基本使用
这款软件使用起来也特别方便，其操作步骤如下:
双击运行软件→单击中的→单击→从数据库中出待计算的物质，双击即可添加物质，然后在浓度栏中添加浓度 (默认的浓度是mM，注意单位换算)，如图1(a)所示→单击最下面中的进入下一个界面→单击第一行的，在整个页面的左下角即可出现此溶液的各种性质，如图1(b)所示，比如pH值、离子强度、电阻率、电导率等等各种性质。
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2.2.2 PeakMaster中物质的添加
对于那些PeakMaster数据库不到的酸性或碱性化合物，可以通过添加的方法更新数据库，主要是这些化合物的pKa和u值两个量。因此首先要搞清楚PeakMaster软件中各符号的意义。在PeakMaster中，pKa(－1)，pKa(－2)，pKa(－3)相当于传统意义上的 pKa1，pKa2，pKa3;pKb(+1)，pKb(+2)，pKb(+3)相当于传统意义上的pKb1，pKb2，pKb3。所以，我们只需将pKa(－1)，pKa(－2)，pKb(+1)……填入到相应的空格内，我们在填入pKa(－1)，pKa(－2)，pKb(+1)……的同时，还需要填入相应的淌度值，即u(－1)，u(－2)，u(+1)……
网闸pKa值可以从《兰氏化学手册》中查到，pKb值是由“pKb=14－pKa”得来的。u可以查《兰氏化学手册》，从中得到极限离子当量电导值λ，根据u=λ/F，算出对应的u值。
下面以NaH2PO4为例来展示物质的添加过程:
磷酸为三元酸，因此磷酸有三级解离常数，分别为:
H2PO－4既可以作为碱结合氢离子，也可以作为酸电离出氢离子。作为酸，从《兰氏化学
手册》查出它的pKa1=7.21，pKa2=12.67;作为碱，可以算出它的pKb1=14－pKa2=1.33。另外，从《兰氏化学手册》中可查得H2PO4－、HPO24－和PO34－的极限离子当量电导值分别为33、57和69，代入u=λ/F中，即可得到相应离子的淌度。
添加步骤:
单击→单击第一行的→单击下拉菜单中的“Modify database…”→单击左上角的→在Name栏填入物质的名字，然后填入相应的淌度值和pKa值→单击→点击右下角的“OK”→关闭此界面，进入正常的计算界面，计算方法如2.2.1中所述。将相应的数值填入其中即可，如图2所示。
2.3 PeakMaster计算溶液的pH值
2.3.1 单一弱酸 (碱)pH值的计算
例如计算0.10 M HAC(pKa=4.76)溶液的pH。计算步骤如2.2.1所述，从图1中，可以看出，用PeakMaster算出来的结果与传统的计算方法算出来的结果一样，然而，用传统的计算方法，会将大量的时间花费在计算上，如果采用PeakMaster来计算，不仅简单而且准确。
2.3.2 混合酸(碱)pH值的计算
为了与现行的公式法相对照，将混合酸碱pH值的软件计算法分三种类型来讨论:
类型一:简单混合酸(碱)混合物。两种或多种同类的物质的pH计算，比如两种或多种弱酸、两种或多种弱碱等，对于这类物质，需要在添加完一种物质后继续按添加另外的几种物质，添加完之后，单击，即可得出混合溶液的pH值。
类型二:一般缓冲溶液 (包括弱酸和强碱弱酸盐)pH的计算。例如计算0.040 M HAc－0.060 M NaAc溶液的pH。需要通过化学方程式的反应来进行相关计算，步骤如下:
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