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15.7:

弱酸溶液

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Weak Acid Solutions

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弱酸,如氢氰酸,是一种 Brønsted 酸,因为它向水分子提供质子 并产生水合氢离子。弱酸根据其酸离解常数 Ka 在水中部分离解,氢氰酸的离解常数 Ka 为 4.9×10⁻¹⁰。对于氢氰酸,Ka 等于 水合氢离子浓度乘以 氰化物离子浓度除以 氢氰酸浓度。酸离解常数 Ka,可用于测定弱酸溶液中的 水合氢离子浓度,从而测定 溶液的 pH 值。0.15M 氢氰酸溶液的 水合氢离子浓度和 pH 值 可以用它的平衡 表达式和 ICE 表来计算。氢氰酸、水合氢和 氰化物的初始浓度和平衡浓度 可以用一个表来表示,该表显示了 每个分子的初始浓度、变化浓度 和平衡浓度。为了达到平衡,反应物的初始浓度 随着产物的初始浓度的 增加而降低,根据它们的 摩尔比。这种反应物和产物浓度的变化 用 x 表示。将平衡浓度代入 Ka 的表达式中得到 x 乘以 x 除以 0.15 减去 x。在许多弱酸中,与 0.15M 的初始浓度 相比,x,离解量,可能非常小。0.15 减去 x 可以假设约为 0.15。当方程求解时,x 等于 8.6 10⁻⁶ M。只有当 x 小于 0.15M 的 5%时,0.15 减去 x 等于 0.15 的近似才有效。这里,x 是 0.15M 的 0.0057%因此这个近似 是有效的。因此,水合氢离子的浓度 为 8.6 10⁻⁶ M。要测定 pH 值,取水合氢离子浓度的 负对数。求解这个值,显示 0.15 M 氢氰酸溶液的 pH 值 为 5.07。溶液的 pH 值可以用来测定 弱酸的 Ka。例如,当醋酸溶解在水中时,它会部分地分解成水合氢离子 和醋酸盐离子。醋酸的 Ka 可以表示为水合氢离子 浓度乘以醋酸盐离子浓度 除以醋酸浓度。如果 0.20M 醋酸溶液的 pH 值为 2.72,则可计算出其水合氢离子浓度,即为 1.9 10⁻³ M。ICE 表可以由醋酸、水合氢离子 和醋酸盐离子的初始浓度 和平衡浓度构成。使用有效数字,0.20 减去 1.9×10⁻³ 基本上等于 0.20。通过将平衡值代入 Ka 表达式,Ka 等于 1.8×10⁻⁵。

15.7:

弱酸溶液

很少有化合物充当强酸。 更多的化合物表现为弱酸,并且只与水发生部分反应,留下大部分溶解分子的原始形式,并产生相对较小的水合氢离子数量。 弱酸在自然环境中常见,是部分导致柑橘果味的物质,昆虫叮咬的刺痛感,以及与身体气味有关的难闻气味。 一个常见的弱酸示例是醋中的主要成分醋酸:

Eq1

在上述方程中使用双箭头表示此过程的部分反应方面。 在典型条件下,当溶解在水中时,只有大约 1% 的乙酸分子以电离形式出现,即 CH3COO

计算水合氢离子浓度, 和一个弱酸溶液的pH值

甲酸 HCO2H 是一种刺激性物质,可导致身体对一些蚂蚁咬和眩目的反应。 什么是水合氢离子的浓度和甲酸 0.534-M 溶液的 pH 值?

Eq2

此系统的 ICE表格 是

0
 HCO2H (AQ) H3O+ (AQ) HCO2− (AQ)
初始浓度 (M) 0.534 ~0
变化 (M) −x +x +x
平衡浓度 (M) 0.534 − x X X

Ka 表达式中用平衡浓度术语代替

Eq3

相对较大的初始浓度和较小的平衡常数允许简化假设:x 将大大低于 0.534 ,因此方程将变为

Eq4

解决方程的 x 产量问题

Eq5

要检查 x 小于 0.534 的假设,可以估计其相对大小:

Eq6

由于x 小于初始浓度的 5% ,因此该假设是有效的。 根据 ICE表格 中的定义,x 等于水合氢离子的平衡浓度:

Eq7

最后, pH 值被计算为

Eq8

从 pH 值中测定Ka

一种 0.0516 M 溶液的亚氮酸 HNO2 的 pH 值为 2.34。 它是什么?

Eq9

所提供的氮酸浓度是一种正式的浓度,它不会对溶液中可能建立的任何化学平衡产生影响。 使用 ICE表格 方法计算平衡时,此类浓度被视为“初始”值。 请注意,水合氢离子的初始值大约为零,因为水的自电离 (水的体积) 导致 H3O+的小浓度存在 (1 × 10−7 M)。 在许多情况下,这种浓度远远低于相关酸 (或碱) 电离所产生的 ,可能会被忽视。

所提供的 pH 值是一种对数测量水合氢离子浓度的方法,该方法是由一氧化二氮酸的酸电离引起的,因此它代表了 ICE表格 的“均衡”值:

Eq1

此时,此系统的 ICE表格 就在

0
 HNO2 (AQ)   H3O+ (AQ) NO2 (AQ)
初始浓度 (M) 0.0516 ~0
变化 (M) −0.0046 +0.0046 +0.0046
平衡浓度 (M) 0.0470 0.0046. 0.0046.

最后,使用下表中的数据计算平衡常数的值:

Eq11

本文改编自 Openstax, 化学 2e, 第 4.2 节:对化学反应和 Openstax, 化学 2e, 第14.3节:酸和碱的相对强度进行分类。