酸、鹼與離子平衡中的 Keq、Ka 和 Kb
了解平衡常數如何應用於弱酸、弱鹼和離子溶液,以及如何比較電離程度。內容包括 HSC 風格的計算例題與具挑戰性的練習題及解答。
兩種溶液可以含有相同濃度的酸,卻有截然不同的 pH 值。以 \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的鹽酸和 \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的乙酸為例。既然每公升加入的莫耳數相同,它們是否應該產生相同的 \([\ce{H3O+}]\)?
不是。鹽酸在水中幾乎完全電離,而乙酸只會部分電離。缺少的資訊並不是一開始有多少酸,而是它與水的反應進行到什麼程度。
平衡常數提供了一種用數值描述這個平衡位置的方法。對酸而言,我們稱它為 \(K_a\)。對鹼而言,則是 \(K_b\)。對其他平衡,我們可能使用 \(K_\mathrm{eq}\),或更專門的常數,例如 \(K_{sp}\)。名稱雖然不同,但核心概念不變:比較平衡時生成物的量與反應物的量。
01從平衡開始,而不是從公式開始
考慮一個一般的可逆反應:
\[ \ce{aA + bB <=> cC + dD} \]
達到平衡時,粒子仍然持續朝兩個方向反應。正反應與逆反應的速率相等,因此各物種的濃度整體上不再改變。
對溶液中的均相反應,平衡常數可寫成:
\[ K_\mathrm{eq} = \frac{[\ce{C}]^c[\ce{D}]^d} {[\ce{A}]^a[\ce{B}]^b} \]
方括號表示平衡濃度。小寫字母 \(a\)、\(b\)、\(c\) 和 \(d\) 是配平化學方程式中的化學計量係數。
一個有用的初步想像,是把可逆反應看成兩個房間之間的一扇雙向門。當人群穩定下來後,如果大多數人都在生成物的房間裡,平衡就偏向生成物;如果大多數人仍留在反應物的房間裡,平衡就偏向反應物。
但這個比喻有其限制。\(K_\mathrm{eq}\) 並不只是簡單的人數比,因為濃度可能要依照反應方程式中的係數取冪。此外,平衡是動態的:粒子仍持續經由那扇門向兩個方向移動。
大致可作以下解讀:
| \(K_\mathrm{eq}\) 的數值 | 平衡位置 |
|---|---|
| \(K_\mathrm{eq} \gg 1\) | 強烈偏向生成物 |
| \(K_\mathrm{eq} \approx 1\) | 兩側物種都有可觀的量 |
| \(K_\mathrm{eq} \ll 1\) | 強烈偏向反應物 |
平衡常數很大並不表示反應很快。它告訴你平衡位於哪一側,而不是系統多快達到平衡。
在固定溫度下,平衡常數具有固定值。改變濃度可以使系統移動至新的平衡狀態,但不會改變 \(K_\mathrm{eq}\)。改變溫度則可能改變它。
02解離與電離彼此相關,但並不相同
這兩個詞常被相當隨意地使用,因此把它們的概念分清楚很有幫助。
當氯化鈉這類可溶性離子化合物進入水中時,原本已存在的離子會彼此分離:
\[ \ce{NaCl(s) -> Na+(aq) + Cl-(aq)} \]
這就是解離。鈉離子和氯離子原本就已存在於離子晶格中。
乙酸這類分子酸中,並沒有自由的 \(\ce{H3O+}\) 離子等著直接脫離。相反地,乙酸分子會把一個質子轉移給水:
\[ \ce{CH3COOH(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + CH3COO-(aq)} \]
離子是透過反應形成的。更精確地說,這稱為電離,雖然在酸鹼化學中使用「解離」一詞也很常見。
當鹽中含有本身可以與水反應的離子時,這項區別就很有用。鹽可能幾乎完全解離,之後其中一種離子再與水建立第二個弱平衡。
我們很快就會用到這個概念。
03相同的 \(K_\mathrm{eq}\) 邏輯也適用於離子平衡
假設某種水溶液中的物種進行以下簡化的離子解離:
\[ \ce{MX(aq) <=> M+(aq) + X-(aq)} \]
它的平衡常數表示式為:
\[ K_\mathrm{eq} = \frac{[\mathrm{M}^{+}][\mathrm{X}^{-}]} {[\ce{MX}]} \]
這個表示式可直接由配平後的方程式得出。
對微溶的離子固體而言,情況略有不同:
\[ \ce{MX(s) <=> M+(aq) + X-(aq)} \]
固體不會出現在平衡常數表示式中,因此:
\[ K_{sp}=[\mathrm{M}^{+}][\mathrm{X}^{-}] \]
這裡的 \(K_{sp}\),即溶度積常數,只是描述溶解平衡的一種專門平衡常數。
不要自動認為 \(K_{sp}\) 較大的化合物一定「溶解度更高」。如果兩種鹽以不同的化學計量比例溶解,它們的 \(K_{sp}\) 表示式也不同。在作這種比較之前,你必須先計算莫耳溶解度。
同樣的提醒也適用於 \(K_a\) 和 \(K_b\):一個數值的意義,必須放在它所描述的平衡中理解。
04\(K_a\):酸電離的平衡
考慮一種一般的弱一元酸 \(\ce{HA}\)。「一元酸」表示每個分子可以提供一個質子。
它與水的反應為:
\[ \ce{HA(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + A-(aq)} \]
如果寫出完整的平衡常數表示式,水會出現在分母中。不過,液態水是溶劑,其濃度實際上可視為常數,因此會併入平衡常數之中。
因此,我們定義酸解離常數:
\[ K_a = \frac{[\ce{H3O+}][\mathrm{A}^{-}]} {[\ce{HA}]} \]
較大的 \(K_a\) 表示酸的平衡更偏向 \(\ce{H3O+}\) 和 \(\mathrm{A}^{-}\)。這種酸較強。
較小的 \(K_a\) 表示有更多酸仍以 \(\ce{HA}\) 的形式存在。這種酸較弱。

這帶出一項重要區別:
- 酸的強度由特定溫度下的 \(K_a\) 描述
- 酸的濃度表示在一定體積中加入了多少酸
- 電離百分比表示在特定條件下,有多少比例的酸發生電離
這是三個不同的概念。
濃的弱酸仍然是弱酸。稀的強酸仍然是強酸。
計算例題:弱酸有多少會電離?
一份 \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的乙酸溶液,在題目所述溫度下有 \(K_a=1.8\times10^{-5}\)。計算其平衡時的 \([\ce{H3O+}]\)、pH,以及電離百分比。
步驟 1
\[ \ce{CH3COOH(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + CH3COO-(aq)} \]
設有 \(x\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的乙酸發生電離。
| \(\ce{CH3COOH}\) | \(\ce{H3O+}\) | \(\ce{CH3COO-}\) | |
|---|---|---|---|
| 初始 | \(0.100\) | 約為 \(0\) | \(0\) |
| 變化 | \(-x\) | \(+x\) | \(+x\) |
| 平衡 | \(0.100-x\) | \(x\) | \(x\) |
水本身所提供的極少量 \(\ce{H3O+}\) 在這裡可以忽略。
步驟 2
\[ K_a = \frac{[\ce{H3O+}][\ce{CH3COO-}]} {[\ce{CH3COOH}]} = \frac{x^2}{0.100-x} \]
因此:
\[ 1.8\times10^{-5} = \frac{x^2}{0.100-x} \]
由於 \(K_a\) 很小,我們預期 \(x\) 會遠小於 \(0.100\)。作為第一次近似,可取 \(0.100-x\approx0.100\):
\[ 1.8\times10^{-5} \approx \frac{x^2}{0.100} \]
\[ x^2=1.8\times10^{-6} \]
\[ x\approx1.34\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
精確的二次方程解約為 \(1.33\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),因此這個近似是合理的。
步驟 3
由於 \(x=[\ce{H3O+}]\),
\[ \mathrm{pH} = -\log_{10}[\ce{H3O+}] = -\log_{10}(1.33\times10^{-3}) \approx2.88 \]
步驟 4
\[ \%\text{ 電離} = \frac{\text{已電離的量}}{\text{初始的量}}\times100 \]
使用濃度表示:
\[ \%\text{ 電離} = \frac{1.33\times10^{-3}}{0.100}\times100 \approx1.33\% \]
因此,在平衡時只有約 \(1.33\%\) 的乙酸分子發生電離。
這就解釋了文章開頭的疑問。\(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的強酸可以產生接近 \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的水合氫離子,而這份 \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的弱酸只產生約 \(1.33\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
兩者的初始酸濃度相同,但電離程度不同。
05\(K_b\):鹼也遵循相同概念
弱鹼會從水接受質子。
對一般的分子鹼 \(\ce{B}\) 而言:
\[ \ce{B(aq) + H2O(l) <=> BH+(aq) + OH-(aq)} \]
它的鹼解離常數為:
\[ K_b = \frac{[\ce{BH+}][\ce{OH-}]} {[\ce{B}]} \]
較大的 \(K_b\) 表示平衡更偏向生成物。這種鹼較強。
相同類型的平衡也可以涉及離子,而不是中性分子。假設 \(\mathrm{A}^{-}\) 是弱酸 \(\ce{HA}\) 的共軛鹼:
\[ \ce{A-(aq) + H2O(l) <=> HA(aq) + OH-(aq)} \]
則:
\[ K_b = \frac{[\ce{HA}][\ce{OH-}]} {[\mathrm{A}^{-}]} \]
這解釋了一件乍看之下可能很奇怪的事:一種鹽的化學式中不需要含有 \(\ce{OH-}\),也能形成鹼性溶液。
計算例題:為什麼鹽溶液可以呈鹼性?
在 \(25^\circ\mathrm{C}\) 下配製一份 \(0.0500\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的乙酸鈉溶液。乙酸的 \(K_a\) 為 \(1.8\times10^{-5}\)。計算其近似 pH。
在 \(25^\circ\mathrm{C}\) 下取 \(K_w=1.0\times10^{-14}\)。
步驟 1
乙酸鈉是可溶性離子化合物,因此首先:
\[ \ce{CH3COONa(aq) -> Na+(aq) + CH3COO-(aq)} \]
鈉離子不會顯著影響酸鹼平衡。乙酸根離子則會:
\[ \ce{CH3COO-(aq) + H2O(l) <=> CH3COOH(aq) + OH-(aq)} \]
步驟 2
對 \(25^\circ\mathrm{C}\) 下的一對共軛酸鹼:
\[ K_aK_b=K_w \]
因此:
\[ K_b = \frac{K_w}{K_a} = \frac{1.0\times10^{-14}}{1.8\times10^{-5}} = 5.56\times10^{-10} \]
步驟 3
設有 \(x\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的乙酸根離子與水反應。
\[ K_b = \frac{[\ce{CH3COOH}][\ce{OH-}]} {[\ce{CH3COO-}]} = \frac{x^2}{0.0500-x} \]
由於 \(K_b\) 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:
\[ [\ce{OH-}] \approx5.27\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
步驟 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:
\[ \mathrm{pH} = 14.00-5.28 = 8.72 \]
溶液呈鹼性。
這裡很容易忽略反應的先後順序:乙酸鈉先幾乎完全解離成離子,接著只有少部分乙酸根離子與水反應。第一個過程提供 \(\ce{CH3COO-}\);第二個過程產生 \(\ce{OH-}\)。
06共軛酸與共軛鹼把 \(K_a\) 和 \(K_b\) 連結起來
如果 \(\ce{HA}\) 是酸,那麼 \(\mathrm{A}^{-}\) 就是它的共軛鹼。
它們的常數之間有以下關係:
\[ K_a(\ce{HA})K_b(\mathrm{A}^{-})=K_w \]
在 \(25^\circ\mathrm{C}\) 下:
\[ K_w = [\ce{H3O+}][\ce{OH-}] = 1.0\times10^{-14} \]
這形成了一種有用的蹺蹺板關係。
如果 \(\ce{HA}\) 有較大的 \(K_a\),表示它相對容易提供質子。因此,它的共軛鹼 \(\mathrm{A}^{-}\) 必然相對不容易把這個質子取回,所以 \(K_b\) 很小。
如果 \(\ce{HA}\) 的 \(K_a\) 非常小,它的共軛鹼就較強。
在這裡,用人際關係作比喻其實相當貼切。想像 \(\ce{HA}\) 是一個非常樂意把手機密碼交出去的人。既然他已經很開心地把密碼交出去了,他的伴侶 \(\mathrm{A}^{-}\) 就不會特別急著把它搶回來。如果 \(\ce{HA}\) 一開始就堅決不肯交出密碼,那麼 \(\mathrm{A}^{-}\) 所代表的相反傾向就會更強。
這個比喻的侷限在於,質子轉移是由分子間作用力和平衡熱力學所決定,而不是由可疑的交往決策所決定。真正有用的部分只是這種反向關係:酸越強,其共軛鹼就越弱。
07酸的強度不等於電離百分比
這裡有一個會造成大量平衡題錯誤的陷阱。
假設你稀釋一種弱酸。預測以下兩項會發生什麼變化:
- \([\ce{H3O+}]\)
- 發生電離的酸分子百分比
很容易直覺回答「兩者都下降」。畢竟,你加入了水。
但只有第一項會下降。
對簡單的弱酸平衡:
\[ \ce{HA + H2O <=> H3O+ + A-} \]
稀釋會有利於含有較多溶解粒子的一側。因此,平衡會朝離子方向移動,剩餘酸中會有更大的比例發生電離。
對初始濃度為 \(C\) 的弱酸,如果電離量 \(x\) 很小:
\[ K_a\approx\frac{x^2}{C} \]
因此:
\[ x\approx\sqrt{K_aC} \]
由於 \(x\approx[\ce{H3O+}]\),稀釋使 \(C\) 降低,也會使 \([\ce{H3O+}]\) 降低。
然而,電離的比例為:
\[ \frac{x}{C} \approx \sqrt{\frac{K_a}{C}} \]
當 \(C\) 變小時,這個比例反而會變大。
因此,稀釋可以同時造成:
- \([\ce{H3O+}]\) 降低
- pH 升高
- 電離百分比增加
- \(K_a\) 維持不變
這並不矛盾,因為這些量衡量的是不同的事物。
計算例題:稀釋可以增加電離程度嗎?
一種弱酸 \(\ce{HA}\) 的 \(K_a=1.0\times10^{-6}\)。比較一份 \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的溶液與一份 \(0.00100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的溶液。計算兩者的 \([\ce{H3O+}]\) 和電離百分比。
步驟 1
對 \(C=0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\):
\[ 1.0\times10^{-6} = \frac{x^2}{0.100-x} \]
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:
\[ \%\text{ 電離} = \frac{3.16\times10^{-4}}{0.100}\times100 \approx0.316\% \]
步驟 2
對 \(C=0.00100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\):
\[ 1.0\times10^{-6} = \frac{x^2}{0.00100-x} \]
二次方程的精確解為:
\[ x\approx3.11\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
因此:
\[ [\ce{H3O+}] \approx3.11\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
但是:
\[ \%\text{ 電離} = \frac{3.11\times10^{-5}}{0.00100}\times100 \approx3.11\% \]
稀釋後的溶液,其水合氫離子濃度約只有原來的十分之一,但電離百分比卻約為原來的十倍。
酸並沒有變得更強。它的 \(K_a\) 仍然是 \(1.0\times10^{-6}\)。改變的是平衡組成,原因是濃度發生了改變。
08同離子可以把電離推向相反方向
現在想像向弱酸平衡中加入一種含有 \(\mathrm{A}^{-}\) 的可溶性鹽:
\[ \ce{HA + H2O <=> H3O+ + A-} \]
這種鹽會提高 \([\mathrm{A}^{-}]\)。
由於 \(\mathrm{A}^{-}\) 本來就是生成物,平衡會藉由促進逆反應來回應這項變化。較少的 \(\ce{HA}\) 會發生電離。
這就是同離子效應。
容易讓人混淆的地方在於,最終溶液中可能含有更多得多的 \(\mathrm{A}^{-}\),即使酸本身的電離程度其實變小了。新增的大部分 \(\mathrm{A}^{-}\) 是直接由鹽提供的。
因此,計算存在多少共軛鹼,並不一定等同於測量有多少酸發生電離。
當你之後學習緩衝溶液時,這項區別會變得非常重要。
09選擇正確常數的簡潔方法
在開始計算之前,先確認你實際描述的是哪一個反應。
| 情況 | 典型平衡 | 常數 |
|---|---|---|
| 一般水溶液平衡 | \(\ce{aA + bB <=> cC + dD}\) | \(K_\mathrm{eq}\) |
| 弱酸在水中 | \(\ce{HA + H2O <=> H3O+ + A-}\) | \(K_a\) |
| 弱鹼在水中 | \(\ce{B + H2O <=> BH+ + OH-}\) | \(K_b\) |
| 共軛鹼離子在水中 | \(\ce{A- + H2O <=> HA + OH-}\) | \(K_b\) |
| 共軛酸離子在水中 | \(\ce{BH+ + H2O <=> B + H3O+}\) | \(K_a\) |
| 微溶離子固體 | \(\ce{MX(s) <=> M+ + X-}\) | \(K_{sp}\) |
接著套用相同的程序:
- 寫出並配平平衡反應方程式。
- 判斷哪些物種應該出現在平衡常數表示式中。
- 使用平衡濃度,而不是自動使用初始濃度。
- 將每個濃度提升至其化學計量係數所對應的次方。
- 如果平衡濃度尚未知,就使用 ICE 表。
- 從化學角度解讀數值結果,而不是停在計算機顯示的答案。
第三步會造成很多問題。如果題目給出初始 \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的弱酸,你不能直接把 \(0.100\) 放進 \(K_a\) 的分母並把它當作平衡濃度,除非你已經合理說明了這個近似。
10最容易讓人誤判的概念
| 容易產生的想法 | 實際情況 |
|---|---|
| 「\(0.10\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的酸會產生 \(0.10\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{H3O+}\)。」 | 只有在電離實際上接近完全時才成立。弱酸只會部分電離。 |
| 「酸的濃度越大,酸就越強。」 | 酸的強度由 \(K_a\) 描述,而不是由濃度描述。 |
| 「稀釋會使弱酸變得更弱。」 | 在溫度不變時,\(K_a\) 保持不變。稀釋通常會提高電離百分比。 |
| 「\(\mathrm{A}^{-}\) 越多,就表示一定有更多 \(\ce{HA}\) 發生電離。」 | 如果 \(\mathrm{A}^{-}\) 是由鹽加入的,就不一定如此。 |
| 「化學式中沒有 \(\ce{OH-}\) 的鹽不可能形成鹼性溶液。」 | 陰離子可以從水接受質子並產生 \(\ce{OH-}\)。 |
| 「\(K\) 很大表示反應很快。」 | \(K\) 描述的是平衡位置,而不是反應速率。 |
| 「可以隨意比較 \(K_a\) 和 \(K_b\),好像它們描述的是同一個反應。」 | 每個常數都屬於特定的平衡。應先比較反應和物種。 |
11題目與解答
題目 1
在固定溫度下,氫氟酸建立以下平衡:
\[ \ce{HF(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + F-(aq)} \]
其酸解離常數為 \(K_a=6.8\times10^{-4}\)。
a. 寫出 \(K_a\) 表示式。
b. 第二種一元酸 \(\ce{HX}\) 在相同溫度下的 \(K_a=2.0\times10^{-6}\)。如果比較相同濃度的 \(\ce{HF}\) 和 \(\ce{HX}\),哪一種酸的電離程度較大?
c. 解釋為什麼液態水不會出現在 \(K_a\) 表示式中。
解答 1
\(\ce{HF}\) 的電離程度較大,而它的平衡表示式為 \(K_a=[\ce{H3O+}][\mathrm{F}^{-}]/[\ce{HF}]\)。
對 a:
\[ K_a = \frac{[\ce{H3O+}][\mathrm{F}^{-}]} {[\ce{HF}]} \]
對 b:
\[ 6.8\times10^{-4}>2.0\times10^{-6} \]
因此,\(\ce{HF}\) 的平衡比 \(\ce{HX}\) 的平衡更偏向離子一側。在相同初始濃度與相同溫度下,\(\ce{HF}\) 因此具有較大的電離程度。
容易犯的錯誤,是把兩種物質都只看成「弱酸」,並假設它們的行為基本相同。不同弱酸的強度可能相差很大。\(K_a\) 提供了定量比較的方法。
對 c,液態水是溶劑,而且在電離過程中其濃度變化可忽略不計。它實際上保持恆定的貢獻已被納入 \(K_a\) 的數值中,因此在實際使用的表示式中省略。
題目 2
一種弱一元酸 \(\ce{HA}\) 的 \(K_a=3.2\times10^{-5}\)。某溶液初始含有 \(0.0800\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{HA}\)。
計算:
a. 平衡時的 \([\ce{H3O+}]\)
b. pH
c. 電離百分比。
假設溫度保持不變,而且水本身對 \([\ce{H3O+}]\) 的貢獻可以忽略。
解答 2
平衡時的水合氫離子濃度約為 \(1.58\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),相應的 pH 為 \(2.80\),電離百分比約為 \(1.98\%\)。
平衡為:
\[ \ce{HA(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + A-(aq)} \]
設有 \(x\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 發生電離。
則:
\[ [\ce{HA}]=0.0800-x \]
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:
\[ x^2+(3.2\times10^{-5})x-2.56\times10^{-6}=0 \]
解二次方程並取具有物理意義的正根,得到:
\[ x=1.58\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
因此:
\[ [\ce{H3O+}] = 1.58\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
pH 為:
\[ \mathrm{pH} = -\log_{10}(1.58\times10^{-3}) \approx2.80 \]
電離百分比為:
\[ \%\text{ 電離} = \frac{1.58\times10^{-3}}{0.0800}\times100 \approx1.98\% \]
容易犯的做法,是直接把初始的 \(0.0800\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 當作水合氫離子濃度。這等同假設完全電離,與很小的 \(K_a\) 相矛盾。平衡常數表示式迫使我們區分酸的初始濃度與實際電離的量。
題目 3
在 \(25^\circ\mathrm{C}\) 下,配製一份 \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的乙酸鈉溶液。乙酸的酸解離常數為:
\[ K_a=1.8\times10^{-5} \]
使用 \(K_w=1.0\times10^{-14}\)。
a. 解釋為什麼乙酸鈉的化學式中雖然沒有氫氧根離子,溶液仍呈鹼性。
b. 計算乙酸根離子的 \(K_b\)。
c. 計算此溶液的近似 pH。
解答 3
溶液呈鹼性,是因為 \(\ce{CH3COO-}\) 從水接受質子並產生 \(\ce{OH-}\);\(K_b=5.56\times10^{-10}\),而 pH 約為 \(8.87\)。
首先,乙酸鈉發生解離:
\[ \ce{CH3COONa(aq) -> Na+(aq) + CH3COO-(aq)} \]
在此酸鹼平衡中,鈉離子實際上是旁觀離子。乙酸根離子則會與水反應:
\[ \ce{CH3COO-(aq) + H2O(l) <=> CH3COOH(aq) + OH-(aq)} \]
這解釋了 a。氫氧根離子不需要存在於原始化學式中;它可以由水發生質子轉移而生成。
對 b,乙酸和乙酸根是一對共軛酸鹼:
\[ K_aK_b=K_w \]
因此:
\[ K_b = \frac{1.0\times10^{-14}}{1.8\times10^{-5}} = 5.56\times10^{-10} \]
對 c,設平衡時產生的 \(x=[\ce{OH-}]\):
\[ 5.56\times10^{-10} = \frac{x^2}{0.100-x} \]
由於 \(K_b\) 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:
\[ \mathrm{pOH} = -\log_{10}(7.46\times10^{-6}) \approx5.13 \]
並且:
\[ \mathrm{pH} = 14.00-5.13 = 8.87 \]
容易犯的做法,是認定鹽既沒有被標示為酸,也不是氫氧化物鹼,因此一定是中性的。這忽略了鹽解離之後,各個離子本身的行為。離子本身也可以是 Brønsted-Lowry 酸或鹼。
題目 4
在 \(25^\circ\mathrm{C}\) 下,一種弱酸 \(\ce{HA}\) 有:
\[ K_a(\ce{HA})=4.0\times10^{-6} \]
一種弱鹼 \(\ce{B}\) 有:
\[ K_b(\ce{B})=2.5\times10^{-5} \]
考慮以下質子轉移平衡:
\[ \ce{HA(aq) + B(aq) <=> A-(aq) + BH+(aq)} \]
使用 \(K_w=1.0\times10^{-14}\)。
a. 計算 \(\ce{BH+}\) 的 \(K_a\)。
b. 由此求出此質子轉移反應的平衡常數。
c. 將等體積溶液混合,使得混合後但尚未反應的瞬間,\(\ce{HA}\) 與 \(\ce{B}\) 的濃度都為 \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。假設此質子轉移平衡為主導平衡,估算所有四種物種的平衡濃度。
d. 解釋為什麼說「酸和鹼都是弱的,所以幾乎不會反應」是不正確的。
解答 4
質子轉移強烈偏向生成物:\(K=1.0\times10^4\),而在題目所述假設下,初始 \(\ce{HA}\) 和 \(\ce{B}\) 約有 \(99.0\%\) 轉化為 \(\mathrm{A}^{-}\) 和 \(\ce{BH+}\)。
對 a,\(\ce{B}\) 和 \(\ce{BH+}\) 是一對共軛酸鹼:
\[ K_a(\ce{BH+})K_b(\ce{B})=K_w \]
因此:
\[ K_a(\ce{BH+}) = \frac{1.0\times10^{-14}} {2.5\times10^{-5}} = 4.0\times10^{-10} \]
對 b,比較 \(\ce{HA}\) 與生成物中的酸 \(\ce{BH+}\) 提供質子的能力。
總反應的平衡常數為:
\[ K = \frac{K_a(\ce{HA})} {K_a(\ce{BH+})} \]
因此:
\[ K = \frac{4.0\times10^{-6}} {4.0\times10^{-10}} = 1.0\times10^4 \]
同一結果也可寫成:
\[ K = \frac{K_a(\ce{HA})K_b(\ce{B})}{K_w} \]
\(10^4\) 的數值表示平衡強烈偏向生成物。
對 c,設有 \(x\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 發生反應:
| \(\ce{HA}\) | \(\ce{B}\) | \(\mathrm{A}^{-}\) | \(\ce{BH+}\) | |
|---|---|---|---|---|
| 初始 | \(0.100\) | \(0.100\) | \(0\) | \(0\) |
| 變化 | \(-x\) | \(-x\) | \(+x\) | \(+x\) |
| 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 中容易出現的論點是:「弱酸」表示不太願意反應,「弱鹼」也表示不太願意反應,因此兩者混合後應該幾乎不發生反應。這是錯誤的比較方式。
平衡取決於反應兩側的相對強弱。反應物中的酸 \(\ce{HA}\) 有 \(K_a=4.0\times10^{-6}\),比生成物中的酸 \(\ce{BH+}\)(\(K_a=4.0\times10^{-10}\))強得多。因此,質子轉移會形成較弱的酸鹼對,反應會受到強烈促進。
「弱」並不是「不反應」的另一種說法。
題目 5
一種弱一元酸 \(\ce{HA}\) 在 \(25^\circ\mathrm{C}\) 下的 \(K_a=1.0\times10^{-5}\)。
配製三種溶液:
- 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 \(\ce{NaA}\)。假設 \(\ce{NaA}\) 完全解離,而且不會顯著改變體積。
對三種溶液,都假設水本身對 \([\ce{H3O+}]\) 的貢獻可以忽略。
a. 求出每種溶液的近似平衡 \([\ce{H3O+}]\) 與 \(\ce{HA}\) 的電離百分比。
b. 將 P、Q 和 R 的 pH 由高至低排列。
c. 將它們的電離百分比由大至小排列。
d. 將它們的總平衡 \([\mathrm{A}^{-}]\) 由大至小排列。
e. 有學生認為,在電離百分比最大的溶液中,這種酸「最強」。解釋這個結論有什麼問題。
解答 5
三種溶液都含有相同的酸,而且 \(K_a\) 完全相同,因此這種酸在 P、Q 和 R 中具有相同的內在強度。即使如此,由於濃度和同離子效應會改變平衡組成,pH、電離百分比和總 \([\mathrm{A}^{-}]\) 卻會呈現三種不同的排序。
對溶液 P:
\[ \ce{HA + H2O <=> H3O+ + A-} \]
設有 \(x\) 發生電離:
\[ 1.0\times10^{-5} = \frac{x^2}{0.100-x} \]
正根近似為:
\[ x=9.95\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
因此:
\[ [\ce{H3O+}]_\mathrm{P} = 9.95\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
以及:
\[ \%\text{ 電離}_\mathrm{P} = \frac{9.95\times10^{-4}}{0.100}\times100 = 0.995\% \]
pH 為:
\[ \mathrm{pH_P} = -\log_{10}(9.95\times10^{-4}) \approx3.00 \]
由於酸是唯一顯著的 \(\mathrm{A}^{-}\) 來源:
\[ [\mathrm{A}^{-}]_\mathrm{P} \approx9.95\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
對溶液 Q:
\[ 1.0\times10^{-5} = \frac{x^2}{0.00100-x} \]
在這裡,假設 \(x\ll0.00100\) 並不十分準確,因此直接解二次方程較可靠。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:
\[ \%\text{ 電離}_\mathrm{Q} = \frac{9.51\times10^{-5}}{0.00100}\times100 = 9.51\% \]
pH 為:
\[ \mathrm{pH_Q} = -\log_{10}(9.51\times10^{-5}) \approx4.02 \]
並且:
\[ [\mathrm{A}^{-}]_\mathrm{Q} = 9.51\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
現在考慮溶液 R。
鈉鹽首先發生解離:
\[ \ce{NaA(aq) -> Na+(aq) + A-(aq)} \]
因此,在弱酸建立平衡之前:
\[ [\mathrm{A}^{-}]_\text{初始}=0.0500\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
設另有 \(x\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{HA}\) 發生電離:
\[ [\ce{HA}]=0.100-x \]
\[ [\ce{H3O+}]=x \]
\[ [\mathrm{A}^{-}]=0.0500+x \]
則:
\[ 1.0\times10^{-5} = \frac{x(0.0500+x)} {0.100-x} \]
解得近似:
\[ x=2.00\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
因此:
\[ [\ce{H3O+}]_\mathrm{R} \approx2.00\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
電離百分比為:
\[ \%\text{ 電離}_\mathrm{R} = \frac{2.00\times10^{-5}}{0.100}\times100 \approx0.0200\% \]
其 pH 為:
\[ \mathrm{pH_R} = -\log_{10}(2.00\times10^{-5}) \approx4.70 \]
總平衡共軛鹼濃度為:
\[ [\mathrm{A}^{-}]_\mathrm{R} = 0.0500+2.00\times10^{-5} \approx0.05002\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
對 b,pH 由高至低的排序為:
\[ \boxed{\mathrm{R>Q>P}} \]
R 的 \([\ce{H3O+}]\) 最低,因此 pH 最高。
對 c,電離百分比的排序為:
\[ \boxed{\mathrm{Q>P>R}} \]
稀釋使 Q 中較大比例的酸發生電離。在 R 中,共同存在的 \(\mathrm{A}^{-}\) 離子會強烈抑制電離。
對 d,總 \([\mathrm{A}^{-}]\) 的排序為:
\[ \boxed{\mathrm{R>P>Q}} \]
這是本題的關鍵。R 的總 \(\mathrm{A}^{-}\) 濃度遠高於另外兩者,但它的 \(\ce{HA}\) 電離百分比卻最小。R 中大部分的 \(\mathrm{A}^{-}\) 來自鈉鹽 \(\ce{NaA}\),而不是來自酸的電離。
對 e,電離百分比並不能定義酸的內在強度。酸在特定溫度下的強度由 \(K_a\) 表示,而在三種溶液中,\(K_a\) 都是 \(1.0\times10^{-5}\)。
容易犯的錯誤,是把「電離得更多」自動理解成「酸更強」。溶液 Q 顯示了問題所在:稀釋提高了它的電離百分比,但酸分子本身並沒有改變。溶液 R 則從相反方向再次說明這點:加入同離子抑制了電離百分比,但並沒有使 \(\ce{HA}\) 變成較弱的酸。
平衡常數屬於該化學反應本身。平衡組成則同時取決於條件。
12這個概念接下來會延伸到哪裡
一旦你把 \(K_\mathrm{eq}\)、\(K_a\) 和 \(K_b\) 看成同一個核心概念的不同版本,之後的幾個主題就會容易得多。
緩衝溶液本質上是刻意加入同離子的弱酸或弱鹼平衡。\(K_{sp}\) 使用相同的平衡定律推理,判斷離子固體會溶解還是沉澱。反應商則把目前的濃度比與 \(K_\mathrm{eq}\) 比較,以預測系統必須朝哪個方向移動。
真正有用的問題不再只是「這種酸是不是弱酸?」而是:目前存在的是哪一個平衡、哪個常數描述它,以及哪些濃度實際上應該放進那個表示式中?