探究碳酸氢钠溶液中碳酸根离子浓度和氢离子浓度的大小关系

探究25℃碳酸氢钠溶液中[CO 32-]和[H +]的大小关系

作者：广西壮族自治区桂林市桂林中学 陈楚

碳酸氢钠溶液中[CO 32-]和[H +]的大小关系是困扰高二学生的一个问题。一般地，老师也会强调：碳酸氢钠溶液中[CO 32-]<[H +]，原因是：

HCO 3−⇌CO 32−+H +

① H 2O ⇌H ++OH - ②

由HCO 3−电离出的H +和CO 32−的量相同，而H +还可以由水的自偶电离产生，所以[CO 32-]<[H +]。但很多学生思考后觉得这样的解释不严谨，原因是：

HCO 3−+H 2O ⇌H 2CO 3+OH - ③

由于③和②的存在，碳酸氢钠溶液中[CO 32-]和[H +]的大小关系还需要通过守恒关系和有关平衡的计算来确定。

设[H 2CO 3]=x ，[HCO 3−]=y ，[CO 32−]=z ，[H +]=p ，[CO 2]=q ，碳酸第一、二步电离的电离平衡常数分别为k 1和k 2，CO 2(aq)+H 2O ⇌H 2CO 3的平衡常数为k h 。由于受到实验数据（见文末）的限制，以下均在25℃条件下讨论。下面分别在不考虑CO 2(aq)+H 2O ⇌H 2CO 3和考虑CO 2(aq)+H 2O ⇌H 2CO 3的情况下进行讨论（高中阶段一般不考虑CO 2(aq)+H 2O ⇌H 2CO 3，但事实上CO 2(aq)+H 2O ⇌H 2CO 3的存在是绝对不可忽略的，这一点也将在下面的讨论中得到证实）。

一、不考虑CO 2(aq)+H 2O ⇌H 2CO 3时

由质子守恒有：

[H 2CO 3]+[H +]=[CO 32−]+[OH -] ④

再由平衡常数定义消元，得到关于p ，z 的方程，解得)

()(212221k k p p p k k k z w --=。由于碳酸氢钠溶液呈碱性所以0

H 2CO 3。

二、考虑CO 2(aq)+H 2O ⇌H 2CO 3时

此时的讨论变复杂了一点，但讨论方法同上。对④式作修正，有

[H 2CO 3]+[H +]+[CO 2]=[CO 32−]+[OH -] ⑤ 最后得到]

)1([)1(212214k k k k p p k k k k k p z p h h w h h -+-+=-，而10-8.31428mol/L ≤p<10-7mol/L ，代入数据后我们发现p 和z 的大小是不能确定的（更进一步的讨论参见相关论文）。

三、参考资料

1、

（以上资料来自：/zh-cn/%E7%A2%B3%E9%85%B8）

（该则资料来自：/thread-102063-1-1.html ）

3、25℃时饱和碳酸氢钠溶液的pH ≈8.31428。

（该则资料来自：/question/159186793.html?quesup1）

4、相关论文：/blog/user1/dwli/archives/2009/2140.html