碳酸氢钠溶液的pH与其浓度关系探讨

朱建民

摘 要 NaHCO3水溶液中存在多个平衡，且每个平衡之间既相互联系、又相互制约。本文就水溶液pH与溶液浓度的关系：随浓度增大pH升高，基本保持不变，又降低；及溶液受热pH增大的原因是水解增强，还是分解成Na2CO3水解进行了相关探讨。

关键词 平衡 缔合作用 分解

中图分类号：G633. 8 文献标识码：A

NaHCO3是二元弱酸（H2CO3）与强碱（NaOH）形成的酸式盐，其水溶液中存在多个平衡，不仅有HCO3—的水解、电离两个平衡，还存在着水的电离平衡，且每个平衡之间既相互联系、又相互制约。其水溶液的pH与浓度关系如何？若是片面（只研究某一个或某几个平衡）、孤立（把其中平衡看成是独立体系）地分析易出现错误。

1常温下稀溶液时，随浓度增大pH升高

设NaHCO3溶液的浓度为x mol·L-1，其pH=y，同时设溶液中除水分子外的其他粒子的浓度分别为a、b、c ……。利用溶液中存在的水的电离平衡，弱电解质的电离平衡以及电荷守恒，得出以下关于x、y的函数关系式。

在常温下，x mol·L-1NaHCO3溶液中存在如下关系：

电荷守恒：2c（CO32—）+ c（OH—）+ c（HCO3—）= c（H+）+ x

H2CO3一级电离平衡：

H2CO3二級电离平衡：

水的电离平衡：c（OH—）譪（H+）=Kw（其中Kw=1.0？0-14）

物料守恒（碳元素守恒）：c（CO32—） + c（HCO3—） + c（H2CO3） = x

基于Wolfram Mathematica 8计算机软件平台作图，可得到有关pH与NaHCO3溶液浓度的关系（图1）。

结论：从上图中可以看出，NaHCO3溶液的pH，在较稀时，随浓度增大而升高。当其浓度大于0.0025 mol·L-1时，溶液pH基本不变，约为8.31。这时NaHCO3溶液的碱性不是随浓度的增大而增大了。基本保持一定值：8.31。即稀溶液的pH区间为：7.0

2常温下较浓溶液时，随浓度增大pH降低

实验探究：（1）配制了0.010 、0.050 、0.10 、0.50 、1.0 mol·L-1 等5种标准溶液。

（2）在20℃时，用笔式pH计分别测得其pH值，如表1中数据。

解析：在NaHCO3固体中具有不对称氢键（ O—H…O，261pm ）形成的、无限的一维HCO3— 链状结构，这些链再被Na+横向连接在一起。随NaHCO3溶液浓度的增加，HCO3— 间氢键的缔合作用程度逐渐增大，导致发生电离与水解的HCO3— 量反而减少，碱性逐渐减弱。即其溶液的碱性强弱受氢键、分子结构等作用的影响。在中学阶段，其他常见的物质如HF、KH2PO4等，溶液在特定浓度范围内酸碱性的递变也会出现反常。

结论：NaHCO3较浓时，随浓度的增大，溶液的pH值减小。

3受热时溶液pH升高

实验1：在盛有1.0 mol·L-1 NaHCO3溶液的试管里滴入1～2滴酚酞试液，溶液显浅红色，说明NaHCO3水解，溶液显碱性，但碱性较弱。

实验2：当加热盛有NaHCO3饱和溶液的试管时，溶液红色加深。实验测得该溶液的pH随温度升高而升高。关于这一现象有二种解释，其一是加热促进HCO3—的水解；其二是由于NaHCO3热稳定性差，受热分解成Na2CO3，Na2CO3水解程度大，碱性增强，红色变深；哪种解释更合理？

实验3：用NaHCO3（AR）分别配制1.0 mol·L-1和0.1 mol·L-1溶液。每种溶液分别用三支试管各取5mL，滴加1～2滴酚酞。其中一支试管用作对照，另外两支试管分别用酒精灯和80℃水浴加热，并塞上带导气管的单孔橡皮塞，将导气管插入盛澄清石灰水的小试管中。

综上实验，加热饱和NaHCO3溶液时，碱性增强；加热NaHCO3溶液浓度为0.1 mol·L-1时在80℃时，分解不明显，溶液的 pH值基本不变。

结论：只有NaHCO3溶液较浓时，加热碱性才会增强。原因是NaHCO3热稳定性差，受热分解成Na2CO3，Na2CO3水解程度比NaHCO3大，碱性增强。浓度稀时，则分解不明显，溶液的 pH值基本不变。据上述实验，溶液中NaHCO3分解的程度与温度和浓度有关。

参考文献

[1] 武汉大学.分析化学（2版）[M].北京：高等教育出版社，1987.

[2] 武汉大学等.无机化学（3版）（上册）[M].北京：高等教育出版社，1994.

[3] 上海师范大学等.物理化学（三版）（上下册）[M].北京：高等教育出版社，1994.