酸度计算工具使用说明

1、酸度计算工具使用说明（V3.0）酸度计算工具是本工具软件的主体，酸度计算在它的工作表中完成。读者在阅读本说明前，请先阅读“Excel酸度计算简介”。一、酸度计算工具的设置1.计算对象体系与运算程序计算对象体系是由酸碱物质的分类及其组合所构成。酸碱物质的分类如下：首级分类末级分类末级类包含的酸碱物质示 例酸酸一、二、三元强酸HCl H2SO4 H3VO4一、二、三元弱酸HAc NH4Cl H2C2O4 H3PO4碱碱一、二、三元强碱NaOH Ba(OH)2 无三元强碱一、二、三元弱碱NH3 NaCN Ca(OH)2 Na3PO4两性物质去一氢酸盐一元酸无氢盐NaCl NH4Cl二元酸氢盐NaHC

2、O3 NH4HCO3三元酸二氢盐KH2PO4 NH4H2PO4去二氢酸盐二元酸无氢盐Na2CO3 (NH4) 2 CO3三元酸一氢盐K2HPO4 (NH4) 2HPO4去三氢酸盐三元酸无氢盐Na3PO4 (NH4)3PO4共轭对一级共轭对一元酸共轭对HCl-NaCl NH4Cl-NH3二元酸一级共轭对H2SO4-NaHSO4 H2C2O4-KHC2O4三元酸一级共轭对H3PO4- KH2PO4二级共轭对二元酸二级共轭对NaHSO4-Na2SO4 KHC2O4-K2C2O4三元酸二级共轭对KH2PO4- K2HPO4三级共轭对三元酸三级共轭对K2HPO4- K3PO4注：以上两性物质和共额对中所

3、对应的酸和碱，同样包括强弱酸碱。酸碱物质首级分类之间的组合共10种，这是本工具的首级目录。末级分类之间的组合即为计算对象体系（以下简称对象体系）共36种，是末级目录。酸度计算工具按对象体系编写H+准确值运算程序。这是一种通用程序，具体应用范围是很宽的。例如，“酸+碱”下只有“酸+碱”1种末级分类的组合，由于不区分酸碱的强弱和元数，它涵盖了传统分类中，一、二、三元强弱酸6种，一、二、三元强弱碱6种，以及酸碱之间的36种组合，共计48种。换句话说，这48种酸、碱及其它们之间的反应都共用“酸+碱”这个运算程序。同样地，两性物质包含的范围比传统分类有进一步的扩大，它的外延已扩大到了几乎所有正盐，即包括

4、了以“盐”为外形的酸、碱和中性物质。共轭对的情况也与此类似。2.工作簿与工作表酸度计算工具按每个对象体系设一个工作薄，共37个工作薄（因“碱+碱”分别用H+和OH-表示酸度，多了一个工作簿）。工作簿中的“计算工具”工作表用来存放运算程序和界面，供读者计算时使用。另有若干示例工作表提供使用示范，其主要内容是酸碱物质类别的认定、离解常数的输入和各种灵活的计算方式。工作表由参数输入区、组分浓度计算区和酸度计算区三个部分组成。参数输入区包括离解常数、原始浓度和加入体积等项，用于输入参数以及物质的化学式或名称。组分浓度计算区设若干组分浓度行，用于溶液混合后各组分浓度的计算。酸度计算区由“运算状态”、“H

5、+准确值”和“pH准确值”三个行组成，用于运行并显示运算状态与计算结果。组分浓度计算区和酸度计算区又分为当前计算区和扩展计算区。当前计算区只有1列（B列），用于输入参数的当前值计算；扩展计算区有9列（CK列），用于依托于当前值的扩展值计算。“计算工具”工作表页面的组分浓度计算区的缺省显示分别为“当前组浓”和“扩展组浓”，所有页面的当前计算区的B列用粗体字，扩展计算区用正常字体显示，以此提示当前值和扩展值的区别。下图为计算柠檬酸一氢钠-柠檬酸钠+硫酸氢铵的酸度的工作表界面：3.酸碱物质的离解常数酸度计算工具中“计算工具”工作表的离解常数缺省设置为空格。（1）酸碱的离解常数。酸碱的Ka、Kb按文献

6、值输入。若强酸碱的Ka、Kb文献值空缺，本工具建议以1.0E+4输入，这时强碱的共轭酸的Ka则为1.0E-18。这样建议是基于在空缺情况下，酸度的计算结果与传统的把强酸碱视为100%地离解的处理方法相同。（2）共轭对的离解常数。共轭对的离解常数就是酸的离解常数，为共轭对双方所共用，共轭碱不再设离解常数。输入方法与酸相同。（3）两性物质的离解常数。去氢酸盐有强碱盐和弱碱盐两类，区别在阳离子上。阳离子是碱的共轭酸，其离解常数在本工具中统一用Ka阳离子表示。去氢酸盐对应的酸的离解常数输入方法与酸相同，对应的碱的阳离子有三种：因强碱（NaOH、KOH）Kb文献值空缺，故强碱的阳离子（Na+、K+）的K

7、a阳离子以1E-18输入，弱碱氨的阳离子（NH4+）的Ka阳离子用Kw/KbNH3输入，弱碱氨基的阳离子（-NH3+）的Ka阳离子按文献值输入。共额酸（碱）的离解常数最好用Kw/Kb（Kw/Ka）输入，或者由本软件酸碱物质离解常数中复制，以便保持共额酸、碱之间计算结果可换算的准确性。例1：酸和碱 酸 Ka1 Ka2 Ka3 碱 Kb1 Kb2 Kb3NH4Cl Kw/1.8E-5 NaOH1.0E+4 H2SO4 1.0E+3 1.2E-2 H2NC2H4NH2 8.5E-5 7.1E-8 H3PO4 7.6E-3 6.3E-8 4.4E-13 Na3PO4 2.3E-2 1.6E-7 1.3

8、E-12例2：两性物质（以去一氢酸盐为例，去二氢酸盐和去三氢酸盐与此同）两性物质 Ka1 Ka2 Ka3 Ka阳离子NH4Cl 1.26E+6 Kw/1.8E-5NH4HSO4 1.0E+3 1.2E-2 Kw/1.8E-5KH2PO4 7.6E-3 6.3E-8 4.4E-13 1.0E-18NH3+CH2COO- 4.5 E-3 2.5E-10从上可以看到，某些酸碱物质可以在不同的类别中出现。例如，NH4Cl既可以作为“酸”，也可以作为“去一氢酸盐”。前者是在对酸的强弱要加区分的情况下，不考虑Cl-参与质子传递反应，也就是说，把HCl的Ka 视为无穷大，它的共额碱Cl-的Kb则趋于0，所以

9、NH4Cl是一种酸；而后者是在对酸的强弱不加区分的情况下，即Cl-被看作参与了质子传递反应，NH4Cl自然在更大的范围内是一种两性物质去一氢酸盐。同样地，中性的NaCl是两性物质也就不难理解了。当然，对两性物质中强碱盐的计算，若把Ka阳离子以“0”输入或默认空格，对计算结果的准确性不会产生影响，区别在于对类别的认定。这种做法没有考虑Na+、K+参与质子传递反应，换句话说，如果这样计算NaCN，相当于是把它作为碱来计算的。4.浓度与体积酸度计算工具设有酸碱物质的原始浓度和加入体积。水也设有体积，这是专为需要加水稀释的情况而设置的。“计算工具”工作表中原始浓度和加入体积的缺省设置为“0”。混合后的

10、组分浓度由公式自动计算，其公式放在该行的B列（即“当前组浓”单元格中），计算的是当前组分浓度。其余9列（CK列）是扩展组分浓度，首个公式放在该行的C列（即第一个“扩展组浓”单元格中），其余公式由填充柄右拖得到。设置扩展组分浓度的目的是，充分挖掘本工具计算结果的数据资源（目前计算结果的数据共10个，读者还可以自行增添），为酸度问题的研究提供数据服务。扩展组分浓度的默认设置有三种：（1）在不含“共额对”的工作表，即酸度计算工具0106号文件的“计算工具（1）”工作表中，前一种物质的组分浓度为等值排列，后一种物质的组分浓度为等差数列的递增排列，公差为该物质B列的数值。这种设置主要应用于计算两组分浓度

11、当以相同与等差递增排列相组合时的溶液，在系列浓度或浓度组下的酸度。（2）在不含“共额对”的工作表，即酸度计算工具0106号文件的“计算工具（2）”工作表中，两种物质的组分浓度均为等比数列的降幂排列，公比为0.1。这种设置主要应用于计算两组分浓度当以等比降幂排列相组合时的溶液，在系列数量级浓度或浓度组下的酸度。（3）在含有“共额对”的工作表，即酸度计算工具0710号文件的“计算工具”工作表中，当输入的原始浓度和体积，使酸的组分浓度为共额碱的10倍时，则共额酸、碱的组分浓度比呈互为10倍内的等距排列：101、92 、83 38、 29、110。若该共额对是缓冲溶液，这时所计算的酸度范围就是通常所指

12、的缓冲范围。如果对象体系中还有一种物质，它的组分浓度为等值排列。这种设置主要应用于计算共额对在不同组分比时，以及此时加入相同浓度其它的酸碱物质后，溶液在系列浓度或浓度组下的酸度。5.循环的初始值酸度计算工具使用对象体系的近似式求解值作为首次循环启动的初始值。6.循环的终止值酸度计算工具的循环终止值采用动态终止值，由H+准确值运算程序自动侦查确定。二、使用方法1.酸度的基本计算打开与欲计算对象相同或包含计算对象的工作簿，把“计算工具”工作表复制到新开的工作表中，然后输入离解常数、原始浓度、加入体积等参数，激活后（鼠标移开到另一个单元格或回车）运算便自动进行，直到完成为止。计算结束的标志是：运算状

13、态行显示“已结束”，同时下方H+准确值行的数字停止滚动填充，pH准确值行里填充出数字。当整个计算区的字符停止闪烁，页面状态栏显示的迭代次数消失，这是循环结束的标志。通常这也表示全部计算结束。如果计算两种或多种组分的混合溶液，在输入完第一种组分的参数后，程序就开始运行了，这时如何输入第二种组分的参数？Excel在运行过程中，如果点击一次任何单元格，它会暂时停顿下来，如无其他动作几秒钟后就会自动恢复运行；如果点击两次就会中断运行，需要回车后方可恢复运行。因此，利用Excel在运行过程中的上述特点，对第二种组分的参数单元格点击一次（或二次），就可接着输入参数，Excel会根据新的参数向着新的方向运行

14、。同理，程序在运行的过程中，要想修改参数，亦可照此办理。2.酸度的灵活计算酸度计算工具除了计算完整对象体系的酸度外，还可以以灵活的方式计算体系中任何单一组分溶液、任意组分组合溶液，以及各种溶液加水稀释后的酸度等。这些计算在“计算工具”工作表或已经完成计算的工作表中均可实现。（1）在“计算工具”工作表中计算在空白“计算工具”工作表中，其所有参数处于缺省值。如果只输入一种组分的参数，计算的就是一种组分的酸度。如果输入任意两种或两种以上组分的参数，计算的就是任意组分组合的酸度。若要计算加水稀释后的酸度，只须再输入加水的体积。若要计算水的酸度，只须在水或任意组分的体积单元格中输入非“0”的任何数。（2

15、）在已经完成计算的工作表中计算在已经完成计算的工作表中，则已有输入的参数和计算结果存在。这时只须把不需计算的一种或几种组分的体积改为“0”即可，其计算组分的组合情况及其计算结果与（1）方式完全相同。应注意的是，若只把不需计算的其他组分的原始浓度改为“0”，而没有把体积改为“0”，这时其他组分的溶液实际上就是水，计算结果则变成了欲计算溶液中加入一定量水稀释后的酸度。同理，若只把所有组分的原始浓度改为“0”，得到的就是水的酸度。3.缓冲溶液的酸度计算缓冲溶液是一种功能性溶液。虽然，在理论上共轭对是缓冲溶液酸度计算的基础，但由于它的配制途径较多，实际上由配制途径来选择缓冲溶液的酸度计算工具则更为方便

16、。顺便指出，不是所有的共轭对都适合做缓冲溶液，也不是所有的缓冲溶液都由共轭对组成。（1）由共轭酸、碱组分物质溶液混合来配制的，可用含有“共轭对”的工具计算。如醋酸-醋酸钠、氯化铵-氨、磷酸二氢钾-磷酸一氢钾缓冲溶液，以及直接由硼砂、草酸三氢钾水解所得的共轭对缓冲溶液等（有关此类计算还请参见三、1.（2）的说明）。（2）由两级离解常数比较接近的单一酸式盐溶于水来配制的，可用含有“两性物质”的工具计算。如酒石酸氢钾、邻苯二甲酸氢钾缓冲溶液等。（3）由单一强酸或强（或中强）碱来配制的低pH或高pH缓冲溶液，可用含有“酸”或“碱”的工具来计算。例如，盐酸、氢氧化钠和氢氧化钙缓冲溶液等。（4）对于通过酸

17、碱反应来配制的缓冲溶液，就用“酸+碱”、“两性物质+酸（碱）”“共轭对+两性物质”等工具计算。例如，盐酸与六次甲基四胺反应、邻苯二甲酸氢钾与氢氧化钠反应、硼砂（即硼酸-硼酸二氢钠共额对）与磷酸二氢钾反应所得的缓冲溶液等。4.酸度的研究性计算如果只是计算当前浓度（组）下的酸度，则只需从B列得到计算结果。若要想对酸度问题进行研究，一个酸度数据是远远不够的。这时应充分利用扩展计算功能，即一次性计算系列浓度（组）下的酸度数据，如10个甚至更多，其效率将大为提高。现举例说明如下：（1）酸碱物质的酸度随浓度变化的规律。在不含“共额对”的0106号文件中“计算工具2”工作表中，输入较高的原始浓度（如0.1，

18、1.0和10.0mol/L等），这样就一次性计算出10个数量级浓度下的酸度。从所得的酸度数据中，不仅可以发现酸碱物质随稀释程度的增加，酸度变化的走向、幅度、极值等规律，还可以进一步计算出，各级离解对酸度的贡献率。（2）缓冲溶液的缓冲范围和缓冲能力。在含“共额对”的0710号文件的“计算工具”工作表中，输入共额对双方的原始浓度和体积，并使酸的组分浓度为共额碱的10倍，这时共额对双方的组分浓度比将呈互为10:11:10的等距排列，所计算的酸度区间即为通常所指的缓冲范围。在“共额对+酸”或“共额对+碱” 的工作表中，还可以通过加入（或改变）一定量的酸或碱或水，观察共额对的组分浓度在不同比值时pH改变

19、的情况，以了解缓冲能力的大小（受设偶数列的限制，不能显示共额对双方组分浓度比值在11时的酸度，但可在B列重新计算）。也还可以改变共额对总浓度，再做同样的计算，观察缓冲体系总浓度对缓冲能力的影响。这些计算对选择、配制甚至研究新的缓冲溶液会有所帮助。（3）绘制滴定曲线。在“酸+碱”工作表中，输入滴定双方溶液的原始浓度和被滴溶液的体积（如20ml），然后按一定的毫升数分次输入滴入溶液的体积，在B列可得到一组准确的pH数据。但这样比较麻烦，可以把双方溶液的组分浓度公式重新设置为相当于不同的化学计量百分数下的组分浓度公式，即可一次性得到若干个pH数据（计算中的个别问题请见后四、7），用Excel或其他制

20、图工具就可绘制出滴定曲线。（4）对复杂体系进行酸度分析。在复杂体系的酸度计算出来后，使用删除某一种或几种组分体积的方法，可以发现决定当前体系酸度的是哪种（或两种）组分，哪些组分对酸度的影响甚小或可忽略不计；改变体系中不同组分的体积或浓度，可观察体系酸度的变化方向。如果对离解常数也进行改变，就相当于从理论上对酸碱体系的酸度进行全面的深入的研究。由于研究问题的不同，读者可以根据需要修改或重写扩展组分浓度公式，以满足对组分浓度组合的要求；也还可以向右增添更多的列数，以增加计算的酸度数据的数目。三、进一步的操作1.减少循环次数，缩短运算时间。在迭代运算法中，循环次数的多少取决于多种因素。循环次数越多，

21、运算的时间越长。为了减少循环次数，除了合理设计对象体系，编写优化的程序外，还可以从使用工具的角度采取下面的措施：（1）选择恰当的计算工具。酸碱溶液是可以在凡包含它的类别的任何一个工具进行计算的。但由于循环次数与对象体系的复杂程度有关，因此宜选择相对简单的对象体系的计算工具。在本工具中，0103号的循环次数是最少的，最适合计算一般的酸、碱溶液；0406号的循环次数也比较少，适合计算两性物质（有些两性物质，如NH4Cl、Na2CO3等，放在“酸+酸”、“碱+碱”中循环次数更少）；0710号是含“共额对”的计算工具，循环次数是最多的，若欲计算的对象中没有共额对，就不要在这类工具中去计算简单的酸碱溶液

22、。（2）变换对象体系。如有可能，把欲计算的对象体系变换为更简单的体系，有可能大幅度地减少循环次数。例如，计算组分浓度为0.1mol/L (NH4)3L（柠檬酸铵）+ 0.3mol/L 的对象，在“去三氢酸盐+酸”中计算的循环次数有几百次，而把它变换0.3mol/L NH4Cl + 0.1mol/L H3L（柠檬酸），在“酸+酸”中计算则只需循环9次。又如，有关共额对的计算次数是是很多的，若是单对共额对且只计算当前酸度值，则可在“两性物质+两性物质”、“两性物质+酸”和“两性物质+碱”中计算，循环次数将会从几千次减少为几十次。变换对象体系的方法在实际应用中非常有效。（3）删除不需要的计算。如果经

23、常只需计算当前组分浓度下的酸度，可以把其余9列酸度计算删除，这样可以减少因不需要计算的项目而多出来的循环次数。2.增添组分浓度计算区、酸度计算区的列数。选定组分浓度计算区、酸度计算区的最后一列，按住填充柄向右拖动至需要增添的列数，然后将列宽调为一致。如果新增添列的格式与原来不合，可用格式刷工具处理。3.改变组分浓度之间的关系。在酸度问题的研究中，经常需要各种组分浓度之间的关系。本工具已提供了三种组分浓度之间的关系，但这是不够的。读者可以自行创建组分浓度之间的关系。一是改动组分的原始浓度或加入体积，可以使组分之间浓度数值的大小关系发生变化（但组分浓度的序列和组合没有改）；二是修改扩展组分浓度公式

24、，彻底改变组分浓度的序列和组合的相对关系，以获得新的浓度序列和组合。修改应在组分浓度计算区的C列单元格里进行，然后按住填充柄右拖覆盖即可。B列单元格里放的是当前组分浓度公式，这是不需要修改的。4.单元格的修复。如果误删、损坏了组分浓度计算区中的扩展组分浓度、酸度计算区的个别单元格的运算程序，可在左右完好的单元格上按住填充柄拖动回填，即可修复。如果损坏的范围较大，最好从同工作薄的其他工作表中把对应项目复制过来。此外，如果“计算工具”工作表严重损坏，可用示例工作表拷贝重新创建。四、重要提示1.计算时应将“计算工具”复制到新开的工作表中进行，请不要直接在“计算工具”中计算。操作中点击组分浓度计算区和酸度计算区的任何单元格，都将打开编辑框内的运算程序，如无修改的需要，请不要在编辑框内有任何操作。建议备份本工具。2.在“计算工具”工作表上写有该工具组分浓度设置的“说明”，另外，一些单元格还挂有“标注”，请留意阅读。3.使用本工具时应注意欲计算对象的类别应与选用工具一致