酸、碱与离子平衡中的 Keq、Ka 和 Kb
了解平衡常数如何应用于弱酸、弱碱和离子溶液,以及如何比较电离程度。内容包括 HSC 风格的计算例题与具挑战性的练习题及解答。
两种溶液可以含有相同浓度的酸,却有截然不同的 pH 值。以 \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的盐酸和 \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的乙酸为例。既然每公升加入的莫耳数相同,它们是否应该产生相同的 \([\ce{H3O+}]\)?
不是。盐酸在水中几乎完全电离,而乙酸只会部分电离。缺少的资讯并不是一开始有多少酸,而是它与水的反应进行到什么程度。
平衡常数提供了一种用数值描述这个平衡位置的方法。对酸而言,我们称它为 \(K_a\)。对碱而言,则是 \(K_b\)。对其他平衡,我们可能使用 \(K_\mathrm{eq}\),或更专门的常数,例如 \(K_{sp}\)。名称虽然不同,但核心概念不变:比较平衡时生成物的量与反应物的量。
01从平衡开始,而不是从公式开始
考虑一个一般的可逆反应:
\[ \ce{aA + bB <=> cC + dD} \]
达到平衡时,粒子仍然持续朝两个方向反应。正反应与逆反应的速率相等,因此各物种的浓度整体上不再改变。
对溶液中的均相反应,平衡常数可写成:
\[ K_\mathrm{eq} = \frac{[\ce{C}]^c[\ce{D}]^d} {[\ce{A}]^a[\ce{B}]^b} \]
方括号表示平衡浓度。小写字母 \(a\)、\(b\)、\(c\) 和 \(d\) 是配平化学方程式中的化学计量系数。
一个有用的初步想像,是把可逆反应看成两个房间之间的一扇双向门。当人群稳定下来后,如果大多数人都在生成物的房间里,平衡就偏向生成物;如果大多数人仍留在反应物的房间里,平衡就偏向反应物。
但这个比喻有其限制。\(K_\mathrm{eq}\) 并不只是简单的人数比,因为浓度可能要依照反应方程式中的系数取幂。此外,平衡是动态的:粒子仍持续经由那扇门向两个方向移动。
大致可作以下解读:
| \(K_\mathrm{eq}\) 的数值 | 平衡位置 |
|---|---|
| \(K_\mathrm{eq} \gg 1\) | 强烈偏向生成物 |
| \(K_\mathrm{eq} \approx 1\) | 两侧物种都有可观的量 |
| \(K_\mathrm{eq} \ll 1\) | 强烈偏向反应物 |
平衡常数很大并不表示反应很快。它告诉你平衡位于哪一侧,而不是系统多快达到平衡。
在固定温度下,平衡常数具有固定值。改变浓度可以使系统移动至新的平衡状态,但不会改变 \(K_\mathrm{eq}\)。改变温度则可能改变它。
02解离与电离彼此相关,但并不相同
这两个词常被相当随意地使用,因此把它们的概念分清楚很有帮助。
当氯化钠这类可溶性离子化合物进入水中时,原本已存在的离子会彼此分离:
\[ \ce{NaCl(s) -> Na+(aq) + Cl-(aq)} \]
这就是解离。钠离子和氯离子原本就已存在于离子晶格中。
乙酸这类分子酸中,并没有自由的 \(\ce{H3O+}\) 离子等著直接脱离。相反地,乙酸分子会把一个质子转移给水:
\[ \ce{CH3COOH(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + CH3COO-(aq)} \]
离子是透过反应形成的。更精确地说,这称为电离,虽然在酸碱化学中使用「解离」一词也很常见。
当盐中含有本身可以与水反应的离子时,这项区别就很有用。盐可能几乎完全解离,之后其中一种离子再与水建立第二个弱平衡。
我们很快就会用到这个概念。
03相同的 \(K_\mathrm{eq}\) 逻辑也适用于离子平衡
假设某种水溶液中的物种进行以下简化的离子解离:
\[ \ce{MX(aq) <=> M+(aq) + X-(aq)} \]
它的平衡常数表示式为:
\[ K_\mathrm{eq} = \frac{[\mathrm{M}^{+}][\mathrm{X}^{-}]} {[\ce{MX}]} \]
这个表示式可直接由配平后的方程式得出。
对微溶的离子固体而言,情况略有不同:
\[ \ce{MX(s) <=> M+(aq) + X-(aq)} \]
固体不会出现在平衡常数表示式中,因此:
\[ K_{sp}=[\mathrm{M}^{+}][\mathrm{X}^{-}] \]
这里的 \(K_{sp}\),即溶度积常数,只是描述溶解平衡的一种专门平衡常数。
不要自动认为 \(K_{sp}\) 较大的化合物一定「溶解度更高」。如果两种盐以不同的化学计量比例溶解,它们的 \(K_{sp}\) 表示式也不同。在作这种比较之前,你必须先计算莫耳溶解度。
同样的提醒也适用于 \(K_a\) 和 \(K_b\):一个数值的意义,必须放在它所描述的平衡中理解。
04\(K_a\):酸电离的平衡
考虑一种一般的弱一元酸 \(\ce{HA}\)。「一元酸」表示每个分子可以提供一个质子。
它与水的反应为:
\[ \ce{HA(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + A-(aq)} \]
如果写出完整的平衡常数表示式,水会出现在分母中。不过,液态水是溶剂,其浓度实际上可视为常数,因此会并入平衡常数之中。
因此,我们定义酸解离常数:
\[ K_a = \frac{[\ce{H3O+}][\mathrm{A}^{-}]} {[\ce{HA}]} \]
较大的 \(K_a\) 表示酸的平衡更偏向 \(\ce{H3O+}\) 和 \(\mathrm{A}^{-}\)。这种酸较强。
较小的 \(K_a\) 表示有更多酸仍以 \(\ce{HA}\) 的形式存在。这种酸较弱。

这带出一项重要区别:
- 酸的强度由特定温度下的 \(K_a\) 描述
- 酸的浓度表示在一定体积中加入了多少酸
- 电离百分比表示在特定条件下,有多少比例的酸发生电离
这是三个不同的概念。
浓的弱酸仍然是弱酸。稀的强酸仍然是强酸。
计算例题:弱酸有多少会电离?
一份 \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的乙酸溶液,在题目所述温度下有 \(K_a=1.8\times10^{-5}\)。计算其平衡时的 \([\ce{H3O+}]\)、pH,以及电离百分比。
步骤 1
\[ \ce{CH3COOH(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + CH3COO-(aq)} \]
设有 \(x\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的乙酸发生电离。
| \(\ce{CH3COOH}\) | \(\ce{H3O+}\) | \(\ce{CH3COO-}\) | |
|---|---|---|---|
| 初始 | \(0.100\) | 约为 \(0\) | \(0\) |
| 变化 | \(-x\) | \(+x\) | \(+x\) |
| 平衡 | \(0.100-x\) | \(x\) | \(x\) |
水本身所提供的极少量 \(\ce{H3O+}\) 在这里可以忽略。
步骤 2
\[ K_a = \frac{[\ce{H3O+}][\ce{CH3COO-}]} {[\ce{CH3COOH}]} = \frac{x^2}{0.100-x} \]
因此:
\[ 1.8\times10^{-5} = \frac{x^2}{0.100-x} \]
由于 \(K_a\) 很小,我们预期 \(x\) 会远小于 \(0.100\)。作为第一次近似,可取 \(0.100-x\approx0.100\):
\[ 1.8\times10^{-5} \approx \frac{x^2}{0.100} \]
\[ x^2=1.8\times10^{-6} \]
\[ x\approx1.34\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
精确的二次方程解约为 \(1.33\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),因此这个近似是合理的。
步骤 3
由于 \(x=[\ce{H3O+}]\),
\[ \mathrm{pH} = -\log_{10}[\ce{H3O+}] = -\log_{10}(1.33\times10^{-3}) \approx2.88 \]
步骤 4
\[ \%\text{ 电离} = \frac{\text{已电离的量}}{\text{初始的量}}\times100 \]
使用浓度表示:
\[ \%\text{ 电离} = \frac{1.33\times10^{-3}}{0.100}\times100 \approx1.33\% \]
因此,在平衡时只有约 \(1.33\%\) 的乙酸分子发生电离。
这就解释了文章开头的疑问。\(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的强酸可以产生接近 \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的水合氢离子,而这份 \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的弱酸只产生约 \(1.33\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
两者的初始酸浓度相同,但电离程度不同。
05\(K_b\):碱也遵循相同概念
弱碱会从水接受质子。
对一般的分子碱 \(\ce{B}\) 而言:
\[ \ce{B(aq) + H2O(l) <=> BH+(aq) + OH-(aq)} \]
它的碱解离常数为:
\[ K_b = \frac{[\ce{BH+}][\ce{OH-}]} {[\ce{B}]} \]
较大的 \(K_b\) 表示平衡更偏向生成物。这种碱较强。
相同类型的平衡也可以涉及离子,而不是中性分子。假设 \(\mathrm{A}^{-}\) 是弱酸 \(\ce{HA}\) 的共轭碱:
\[ \ce{A-(aq) + H2O(l) <=> HA(aq) + OH-(aq)} \]
则:
\[ K_b = \frac{[\ce{HA}][\ce{OH-}]} {[\mathrm{A}^{-}]} \]
这解释了一件乍看之下可能很奇怪的事:一种盐的化学式中不需要含有 \(\ce{OH-}\),也能形成碱性溶液。
计算例题:为什么盐溶液可以呈碱性?
在 \(25^\circ\mathrm{C}\) 下配制一份 \(0.0500\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的乙酸钠溶液。乙酸的 \(K_a\) 为 \(1.8\times10^{-5}\)。计算其近似 pH。
在 \(25^\circ\mathrm{C}\) 下取 \(K_w=1.0\times10^{-14}\)。
步骤 1
乙酸钠是可溶性离子化合物,因此首先:
\[ \ce{CH3COONa(aq) -> Na+(aq) + CH3COO-(aq)} \]
钠离子不会显著影响酸碱平衡。乙酸根离子则会:
\[ \ce{CH3COO-(aq) + H2O(l) <=> CH3COOH(aq) + OH-(aq)} \]
步骤 2
对 \(25^\circ\mathrm{C}\) 下的一对共轭酸碱:
\[ K_aK_b=K_w \]
因此:
\[ K_b = \frac{K_w}{K_a} = \frac{1.0\times10^{-14}}{1.8\times10^{-5}} = 5.56\times10^{-10} \]
步骤 3
设有 \(x\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的乙酸根离子与水反应。
\[ K_b = \frac{[\ce{CH3COOH}][\ce{OH-}]} {[\ce{CH3COO-}]} = \frac{x^2}{0.0500-x} \]
由于 \(K_b\) 很小,\(x\ll0.0500\),因此:
\[ 5.56\times10^{-10} \approx \frac{x^2}{0.0500} \]
\[ x \approx \sqrt{(5.56\times10^{-10})(0.0500)} = 5.27\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
所以:
\[ [\ce{OH-}] \approx5.27\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
步骤 4
\[ \mathrm{pOH} = -\log_{10}(5.27\times10^{-6}) \approx5.28 \]
在 \(25^\circ\mathrm{C}\) 下:
\[ \mathrm{pH}+\mathrm{pOH}=14.00 \]
因此:
\[ \mathrm{pH} = 14.00-5.28 = 8.72 \]
溶液呈碱性。
这里很容易忽略反应的先后顺序:乙酸钠先几乎完全解离成离子,接著只有少部分乙酸根离子与水反应。第一个过程提供 \(\ce{CH3COO-}\);第二个过程产生 \(\ce{OH-}\)。
06共轭酸与共轭碱把 \(K_a\) 和 \(K_b\) 连结起来
如果 \(\ce{HA}\) 是酸,那么 \(\mathrm{A}^{-}\) 就是它的共轭碱。
它们的常数之间有以下关系:
\[ K_a(\ce{HA})K_b(\mathrm{A}^{-})=K_w \]
在 \(25^\circ\mathrm{C}\) 下:
\[ K_w = [\ce{H3O+}][\ce{OH-}] = 1.0\times10^{-14} \]
这形成了一种有用的跷跷板关系。
如果 \(\ce{HA}\) 有较大的 \(K_a\),表示它相对容易提供质子。因此,它的共轭碱 \(\mathrm{A}^{-}\) 必然相对不容易把这个质子取回,所以 \(K_b\) 很小。
如果 \(\ce{HA}\) 的 \(K_a\) 非常小,它的共轭碱就较强。
在这里,用人际关系作比喻其实相当贴切。想像 \(\ce{HA}\) 是一个非常乐意把手机密码交出去的人。既然他已经很开心地把密码交出去了,他的伴侣 \(\mathrm{A}^{-}\) 就不会特别急著把它抢回来。如果 \(\ce{HA}\) 一开始就坚决不肯交出密码,那么 \(\mathrm{A}^{-}\) 所代表的相反倾向就会更强。
这个比喻的局限在于,质子转移是由分子间作用力和平衡热力学所决定,而不是由可疑的交往决策所决定。真正有用的部分只是这种反向关系:酸越强,其共轭碱就越弱。
07酸的强度不等于电离百分比
这里有一个会造成大量平衡题错误的陷阱。
假设你稀释一种弱酸。预测以下两项会发生什么变化:
- \([\ce{H3O+}]\)
- 发生电离的酸分子百分比
很容易直觉回答「两者都下降」。毕竟,你加入了水。
但只有第一项会下降。
对简单的弱酸平衡:
\[ \ce{HA + H2O <=> H3O+ + A-} \]
稀释会有利于含有较多溶解粒子的一侧。因此,平衡会朝离子方向移动,剩余酸中会有更大的比例发生电离。
对初始浓度为 \(C\) 的弱酸,如果电离量 \(x\) 很小:
\[ K_a\approx\frac{x^2}{C} \]
因此:
\[ x\approx\sqrt{K_aC} \]
由于 \(x\approx[\ce{H3O+}]\),稀释使 \(C\) 降低,也会使 \([\ce{H3O+}]\) 降低。
然而,电离的比例为:
\[ \frac{x}{C} \approx \sqrt{\frac{K_a}{C}} \]
当 \(C\) 变小时,这个比例反而会变大。
因此,稀释可以同时造成:
- \([\ce{H3O+}]\) 降低
- pH 升高
- 电离百分比增加
- \(K_a\) 维持不变
这并不矛盾,因为这些量衡量的是不同的事物。
计算例题:稀释可以增加电离程度吗?
一种弱酸 \(\ce{HA}\) 的 \(K_a=1.0\times10^{-6}\)。比较一份 \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的溶液与一份 \(0.00100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的溶液。计算两者的 \([\ce{H3O+}]\) 和电离百分比。
步骤 1
对 \(C=0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\):
\[ 1.0\times10^{-6} = \frac{x^2}{0.100-x} \]
解得近似值:
\[ x=3.16\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
因此:
\[ [\ce{H3O+}] \approx3.16\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
而:
\[ \%\text{ 电离} = \frac{3.16\times10^{-4}}{0.100}\times100 \approx0.316\% \]
步骤 2
对 \(C=0.00100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\):
\[ 1.0\times10^{-6} = \frac{x^2}{0.00100-x} \]
二次方程的精确解为:
\[ x\approx3.11\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
因此:
\[ [\ce{H3O+}] \approx3.11\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
但是:
\[ \%\text{ 电离} = \frac{3.11\times10^{-5}}{0.00100}\times100 \approx3.11\% \]
稀释后的溶液,其水合氢离子浓度约只有原来的十分之一,但电离百分比却约为原来的十倍。
酸并没有变得更强。它的 \(K_a\) 仍然是 \(1.0\times10^{-6}\)。改变的是平衡组成,原因是浓度发生了改变。
08同离子可以把电离推向相反方向
现在想像向弱酸平衡中加入一种含有 \(\mathrm{A}^{-}\) 的可溶性盐:
\[ \ce{HA + H2O <=> H3O+ + A-} \]
这种盐会提高 \([\mathrm{A}^{-}]\)。
由于 \(\mathrm{A}^{-}\) 本来就是生成物,平衡会借由促进逆反应来回应这项变化。较少的 \(\ce{HA}\) 会发生电离。
这就是同离子效应。
容易让人混淆的地方在于,最终溶液中可能含有更多得多的 \(\mathrm{A}^{-}\),即使酸本身的电离程度其实变小了。新增的大部分 \(\mathrm{A}^{-}\) 是直接由盐提供的。
因此,计算存在多少共轭碱,并不一定等同于测量有多少酸发生电离。
当你之后学习缓冲溶液时,这项区别会变得非常重要。
09选择正确常数的简洁方法
在开始计算之前,先确认你实际描述的是哪一个反应。
| 情况 | 典型平衡 | 常数 |
|---|---|---|
| 一般水溶液平衡 | \(\ce{aA + bB <=> cC + dD}\) | \(K_\mathrm{eq}\) |
| 弱酸在水中 | \(\ce{HA + H2O <=> H3O+ + A-}\) | \(K_a\) |
| 弱碱在水中 | \(\ce{B + H2O <=> BH+ + OH-}\) | \(K_b\) |
| 共轭碱离子在水中 | \(\ce{A- + H2O <=> HA + OH-}\) | \(K_b\) |
| 共轭酸离子在水中 | \(\ce{BH+ + H2O <=> B + H3O+}\) | \(K_a\) |
| 微溶离子固体 | \(\ce{MX(s) <=> M+ + X-}\) | \(K_{sp}\) |
接著套用相同的程序:
- 写出并配平平衡反应方程式。
- 判断哪些物种应该出现在平衡常数表示式中。
- 使用平衡浓度,而不是自动使用初始浓度。
- 将每个浓度提升至其化学计量系数所对应的次方。
- 如果平衡浓度尚未知,就使用 ICE 表。
- 从化学角度解读数值结果,而不是停在计算机显示的答案。
第三步会造成很多问题。如果题目给出初始 \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的弱酸,你不能直接把 \(0.100\) 放进 \(K_a\) 的分母并把它当作平衡浓度,除非你已经合理说明了这个近似。
10最容易让人误判的概念
| 容易产生的想法 | 实际情况 |
|---|---|
| 「\(0.10\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的酸会产生 \(0.10\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{H3O+}\)。」 | 只有在电离实际上接近完全时才成立。弱酸只会部分电离。 |
| 「酸的浓度越大,酸就越强。」 | 酸的强度由 \(K_a\) 描述,而不是由浓度描述。 |
| 「稀释会使弱酸变得更弱。」 | 在温度不变时,\(K_a\) 保持不变。稀释通常会提高电离百分比。 |
| 「\(\mathrm{A}^{-}\) 越多,就表示一定有更多 \(\ce{HA}\) 发生电离。」 | 如果 \(\mathrm{A}^{-}\) 是由盐加入的,就不一定如此。 |
| 「化学式中没有 \(\ce{OH-}\) 的盐不可能形成碱性溶液。」 | 阴离子可以从水接受质子并产生 \(\ce{OH-}\)。 |
| 「\(K\) 很大表示反应很快。」 | \(K\) 描述的是平衡位置,而不是反应速率。 |
| 「可以随意比较 \(K_a\) 和 \(K_b\),好像它们描述的是同一个反应。」 | 每个常数都属于特定的平衡。应先比较反应和物种。 |
11题目与解答
题目 1
在固定温度下,氢氟酸建立以下平衡:
\[ \ce{HF(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + F-(aq)} \]
其酸解离常数为 \(K_a=6.8\times10^{-4}\)。
a. 写出 \(K_a\) 表示式。
b. 第二种一元酸 \(\ce{HX}\) 在相同温度下的 \(K_a=2.0\times10^{-6}\)。如果比较相同浓度的 \(\ce{HF}\) 和 \(\ce{HX}\),哪一种酸的电离程度较大?
c. 解释为什么液态水不会出现在 \(K_a\) 表示式中。
解答 1
\(\ce{HF}\) 的电离程度较大,而它的平衡表示式为 \(K_a=[\ce{H3O+}][\mathrm{F}^{-}]/[\ce{HF}]\)。
对 a:
\[ K_a = \frac{[\ce{H3O+}][\mathrm{F}^{-}]} {[\ce{HF}]} \]
对 b:
\[ 6.8\times10^{-4}>2.0\times10^{-6} \]
因此,\(\ce{HF}\) 的平衡比 \(\ce{HX}\) 的平衡更偏向离子一侧。在相同初始浓度与相同温度下,\(\ce{HF}\) 因此具有较大的电离程度。
容易犯的错误,是把两种物质都只看成「弱酸」,并假设它们的行为基本相同。不同弱酸的强度可能相差很大。\(K_a\) 提供了定量比较的方法。
对 c,液态水是溶剂,而且在电离过程中其浓度变化可忽略不计。它实际上保持恒定的贡献已被纳入 \(K_a\) 的数值中,因此在实际使用的表示式中省略。
题目 2
一种弱一元酸 \(\ce{HA}\) 的 \(K_a=3.2\times10^{-5}\)。某溶液初始含有 \(0.0800\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{HA}\)。
计算:
a. 平衡时的 \([\ce{H3O+}]\)
b. pH
c. 电离百分比。
假设温度保持不变,而且水本身对 \([\ce{H3O+}]\) 的贡献可以忽略。
解答 2
平衡时的水合氢离子浓度约为 \(1.58\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),相应的 pH 为 \(2.80\),电离百分比约为 \(1.98\%\)。
平衡为:
\[ \ce{HA(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + A-(aq)} \]
设有 \(x\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 发生电离。
则:
\[ [\ce{HA}]=0.0800-x \]
以及:
\[ [\ce{H3O+}]=[\mathrm{A}^{-}]=x \]
代入 \(K_a\) 表示式:
\[ 3.2\times10^{-5} = \frac{x^2}{0.0800-x} \]
整理:
\[ x^2+(3.2\times10^{-5})x-2.56\times10^{-6}=0 \]
解二次方程并取具有物理意义的正根,得到:
\[ x=1.58\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
因此:
\[ [\ce{H3O+}] = 1.58\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
pH 为:
\[ \mathrm{pH} = -\log_{10}(1.58\times10^{-3}) \approx2.80 \]
电离百分比为:
\[ \%\text{ 电离} = \frac{1.58\times10^{-3}}{0.0800}\times100 \approx1.98\% \]
容易犯的做法,是直接把初始的 \(0.0800\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 当作水合氢离子浓度。这等同假设完全电离,与很小的 \(K_a\) 相矛盾。平衡常数表示式迫使我们区分酸的初始浓度与实际电离的量。
题目 3
在 \(25^\circ\mathrm{C}\) 下,配制一份 \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的乙酸钠溶液。乙酸的酸解离常数为:
\[ K_a=1.8\times10^{-5} \]
使用 \(K_w=1.0\times10^{-14}\)。
a. 解释为什么乙酸钠的化学式中虽然没有氢氧根离子,溶液仍呈碱性。
b. 计算乙酸根离子的 \(K_b\)。
c. 计算此溶液的近似 pH。
解答 3
溶液呈碱性,是因为 \(\ce{CH3COO-}\) 从水接受质子并产生 \(\ce{OH-}\);\(K_b=5.56\times10^{-10}\),而 pH 约为 \(8.87\)。
首先,乙酸钠发生解离:
\[ \ce{CH3COONa(aq) -> Na+(aq) + CH3COO-(aq)} \]
在此酸碱平衡中,钠离子实际上是旁观离子。乙酸根离子则会与水反应:
\[ \ce{CH3COO-(aq) + H2O(l) <=> CH3COOH(aq) + OH-(aq)} \]
这解释了 a。氢氧根离子不需要存在于原始化学式中;它可以由水发生质子转移而生成。
对 b,乙酸和乙酸根是一对共轭酸碱:
\[ K_aK_b=K_w \]
因此:
\[ K_b = \frac{1.0\times10^{-14}}{1.8\times10^{-5}} = 5.56\times10^{-10} \]
对 c,设平衡时产生的 \(x=[\ce{OH-}]\):
\[ 5.56\times10^{-10} = \frac{x^2}{0.100-x} \]
由于 \(K_b\) 很小:
\[ 0.100-x\approx0.100 \]
因此:
\[ x \approx \sqrt{(5.56\times10^{-10})(0.100)} = 7.46\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
所以:
\[ \mathrm{pOH} = -\log_{10}(7.46\times10^{-6}) \approx5.13 \]
并且:
\[ \mathrm{pH} = 14.00-5.13 = 8.87 \]
容易犯的做法,是认定盐既没有被标示为酸,也不是氢氧化物碱,因此一定是中性的。这忽略了盐解离之后,各个离子本身的行为。离子本身也可以是 Brønsted-Lowry 酸或碱。
题目 4
在 \(25^\circ\mathrm{C}\) 下,一种弱酸 \(\ce{HA}\) 有:
\[ K_a(\ce{HA})=4.0\times10^{-6} \]
一种弱碱 \(\ce{B}\) 有:
\[ K_b(\ce{B})=2.5\times10^{-5} \]
考虑以下质子转移平衡:
\[ \ce{HA(aq) + B(aq) <=> A-(aq) + BH+(aq)} \]
使用 \(K_w=1.0\times10^{-14}\)。
a. 计算 \(\ce{BH+}\) 的 \(K_a\)。
b. 由此求出此质子转移反应的平衡常数。
c. 将等体积溶液混合,使得混合后但尚未反应的瞬间,\(\ce{HA}\) 与 \(\ce{B}\) 的浓度都为 \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。假设此质子转移平衡为主导平衡,估算所有四种物种的平衡浓度。
d. 解释为什么说「酸和碱都是弱的,所以几乎不会反应」是不正确的。
解答 4
质子转移强烈偏向生成物:\(K=1.0\times10^4\),而在题目所述假设下,初始 \(\ce{HA}\) 和 \(\ce{B}\) 约有 \(99.0\%\) 转化为 \(\mathrm{A}^{-}\) 和 \(\ce{BH+}\)。
对 a,\(\ce{B}\) 和 \(\ce{BH+}\) 是一对共轭酸碱:
\[ K_a(\ce{BH+})K_b(\ce{B})=K_w \]
因此:
\[ K_a(\ce{BH+}) = \frac{1.0\times10^{-14}} {2.5\times10^{-5}} = 4.0\times10^{-10} \]
对 b,比较 \(\ce{HA}\) 与生成物中的酸 \(\ce{BH+}\) 提供质子的能力。
总反应的平衡常数为:
\[ K = \frac{K_a(\ce{HA})} {K_a(\ce{BH+})} \]
因此:
\[ K = \frac{4.0\times10^{-6}} {4.0\times10^{-10}} = 1.0\times10^4 \]
同一结果也可写成:
\[ K = \frac{K_a(\ce{HA})K_b(\ce{B})}{K_w} \]
\(10^4\) 的数值表示平衡强烈偏向生成物。
对 c,设有 \(x\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 发生反应:
| \(\ce{HA}\) | \(\ce{B}\) | \(\mathrm{A}^{-}\) | \(\ce{BH+}\) | |
|---|---|---|---|---|
| 初始 | \(0.100\) | \(0.100\) | \(0\) | \(0\) |
| 变化 | \(-x\) | \(-x\) | \(+x\) | \(+x\) |
| 平衡 | \(0.100-x\) | \(0.100-x\) | \(x\) | \(x\) |
因此:
\[ 1.0\times10^4 = \frac{x^2}{(0.100-x)^2} \]
取正平方根:
\[ 100 = \frac{x}{0.100-x} \]
所以:
\[ 100(0.100-x)=x \]
\[ 10.0-100x=x \]
\[ x=\frac{10.0}{101} =0.0990\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
因此近似有:
\[ [\ce{HA}] = [\ce{B}] = 0.100-0.0990 = 9.90\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
以及:
\[ [\mathrm{A}^{-}] = [\ce{BH+}] \approx0.0990\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
d 中容易出现的论点是:「弱酸」表示不太愿意反应,「弱碱」也表示不太愿意反应,因此两者混合后应该几乎不发生反应。这是错误的比较方式。
平衡取决于反应两侧的相对强弱。反应物中的酸 \(\ce{HA}\) 有 \(K_a=4.0\times10^{-6}\),比生成物中的酸 \(\ce{BH+}\)(\(K_a=4.0\times10^{-10}\))强得多。因此,质子转移会形成较弱的酸碱对,反应会受到强烈促进。
「弱」并不是「不反应」的另一种说法。
题目 5
一种弱一元酸 \(\ce{HA}\) 在 \(25^\circ\mathrm{C}\) 下的 \(K_a=1.0\times10^{-5}\)。
配制三种溶液:
- 溶液 P 只含 \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{HA}\)。
- 溶液 Q 只含 \(0.00100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{HA}\)。
- 溶液 R 初始含有 \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{HA}\) 和 \(0.0500\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{NaA}\)。假设 \(\ce{NaA}\) 完全解离,而且不会显著改变体积。
对三种溶液,都假设水本身对 \([\ce{H3O+}]\) 的贡献可以忽略。
a. 求出每种溶液的近似平衡 \([\ce{H3O+}]\) 与 \(\ce{HA}\) 的电离百分比。
b. 将 P、Q 和 R 的 pH 由高至低排列。
c. 将它们的电离百分比由大至小排列。
d. 将它们的总平衡 \([\mathrm{A}^{-}]\) 由大至小排列。
e. 有学生认为,在电离百分比最大的溶液中,这种酸「最强」。解释这个结论有什么问题。
解答 5
三种溶液都含有相同的酸,而且 \(K_a\) 完全相同,因此这种酸在 P、Q 和 R 中具有相同的内在强度。即使如此,由于浓度和同离子效应会改变平衡组成,pH、电离百分比和总 \([\mathrm{A}^{-}]\) 却会呈现三种不同的排序。
对溶液 P:
\[ \ce{HA + H2O <=> H3O+ + A-} \]
设有 \(x\) 发生电离:
\[ 1.0\times10^{-5} = \frac{x^2}{0.100-x} \]
正根近似为:
\[ x=9.95\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
因此:
\[ [\ce{H3O+}]_\mathrm{P} = 9.95\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
以及:
\[ \%\text{ 电离}_\mathrm{P} = \frac{9.95\times10^{-4}}{0.100}\times100 = 0.995\% \]
pH 为:
\[ \mathrm{pH_P} = -\log_{10}(9.95\times10^{-4}) \approx3.00 \]
由于酸是唯一显著的 \(\mathrm{A}^{-}\) 来源:
\[ [\mathrm{A}^{-}]_\mathrm{P} \approx9.95\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
对溶液 Q:
\[ 1.0\times10^{-5} = \frac{x^2}{0.00100-x} \]
在这里,假设 \(x\ll0.00100\) 并不十分准确,因此直接解二次方程较可靠。可得:
\[ x=9.51\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
因此:
\[ [\ce{H3O+}]_\mathrm{Q} = 9.51\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
以及:
\[ \%\text{ 电离}_\mathrm{Q} = \frac{9.51\times10^{-5}}{0.00100}\times100 = 9.51\% \]
pH 为:
\[ \mathrm{pH_Q} = -\log_{10}(9.51\times10^{-5}) \approx4.02 \]
并且:
\[ [\mathrm{A}^{-}]_\mathrm{Q} = 9.51\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
现在考虑溶液 R。
钠盐首先发生解离:
\[ \ce{NaA(aq) -> Na+(aq) + A-(aq)} \]
因此,在弱酸建立平衡之前:
\[ [\mathrm{A}^{-}]_\text{初始}=0.0500\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
设另有 \(x\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{HA}\) 发生电离:
\[ [\ce{HA}]=0.100-x \]
\[ [\ce{H3O+}]=x \]
\[ [\mathrm{A}^{-}]=0.0500+x \]
则:
\[ 1.0\times10^{-5} = \frac{x(0.0500+x)} {0.100-x} \]
解得近似:
\[ x=2.00\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
因此:
\[ [\ce{H3O+}]_\mathrm{R} \approx2.00\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
电离百分比为:
\[ \%\text{ 电离}_\mathrm{R} = \frac{2.00\times10^{-5}}{0.100}\times100 \approx0.0200\% \]
其 pH 为:
\[ \mathrm{pH_R} = -\log_{10}(2.00\times10^{-5}) \approx4.70 \]
总平衡共轭碱浓度为:
\[ [\mathrm{A}^{-}]_\mathrm{R} = 0.0500+2.00\times10^{-5} \approx0.05002\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
对 b,pH 由高至低的排序为:
\[ \boxed{\mathrm{R>Q>P}} \]
R 的 \([\ce{H3O+}]\) 最低,因此 pH 最高。
对 c,电离百分比的排序为:
\[ \boxed{\mathrm{Q>P>R}} \]
稀释使 Q 中较大比例的酸发生电离。在 R 中,共同存在的 \(\mathrm{A}^{-}\) 离子会强烈抑制电离。
对 d,总 \([\mathrm{A}^{-}]\) 的排序为:
\[ \boxed{\mathrm{R>P>Q}} \]
这是本题的关键。R 的总 \(\mathrm{A}^{-}\) 浓度远高于另外两者,但它的 \(\ce{HA}\) 电离百分比却最小。R 中大部分的 \(\mathrm{A}^{-}\) 来自钠盐 \(\ce{NaA}\),而不是来自酸的电离。
对 e,电离百分比并不能定义酸的内在强度。酸在特定温度下的强度由 \(K_a\) 表示,而在三种溶液中,\(K_a\) 都是 \(1.0\times10^{-5}\)。
容易犯的错误,是把「电离得更多」自动理解成「酸更强」。溶液 Q 显示了问题所在:稀释提高了它的电离百分比,但酸分子本身并没有改变。溶液 R 则从相反方向再次说明这点:加入同离子抑制了电离百分比,但并没有使 \(\ce{HA}\) 变成较弱的酸。
平衡常数属于该化学反应本身。平衡组成则同时取决于条件。
12这个概念接下来会延伸到哪里
一旦你把 \(K_\mathrm{eq}\)、\(K_a\) 和 \(K_b\) 看成同一个核心概念的不同版本,之后的几个主题就会容易得多。
缓冲溶液本质上是刻意加入同离子的弱酸或弱碱平衡。\(K_{sp}\) 使用相同的平衡定律推理,判断离子固体会溶解还是沉淀。反应商则把目前的浓度比与 \(K_\mathrm{eq}\) 比较,以预测系统必须朝哪个方向移动。
真正有用的问题不再只是「这种酸是不是弱酸?」而是:目前存在的是哪一个平衡、哪个常数描述它,以及哪些浓度实际上应该放进那个表示式中?