普通化学/化学平衡/酸碱平衡

有用提示！
	强酸/碱完全解离，因此它们的平衡常数非常大。

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封面 · 简介 · v • d • e
单元: 物质 · 原子结构 · 键合 · 反应 · 溶液 · 物质状态 · 平衡 · 动力学 · 热力学 · 元素
附录: 元素周期表 · 单位 · 常数 · 方程式 · 标准还原电位 · 元素及其性质

考虑在水中的一种酸HA。根据布朗斯特-劳里酸碱理论，该酸应该质子化水形成水合氢离子和共轭碱A^-。酸和水、水合氢离子和共轭碱之间将存在一个平衡。

{\hbox{HA}}+{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}\leftrightarrow {\hbox{H}}_{3}{\hbox{O}}^{+}+{\hbox{A}}^{-}

此平衡可用于计算溶液中各物种的浓度。

酸解离常数

与所有平衡一样，酸碱解离将具有特定的平衡常数，这将决定反应的程度（是位于方程式的左侧还是右侧）。当平衡常数接近零时，反应倾向于形成100%的反应物。当平衡常数接近无穷大时，反应倾向于形成100%的产物。平衡常数K=1表示将有50%的产物和50%的反应物。

由于该平衡用于计算弱酸的浓度，因此实际上只有很少的水发生反应。因此，反应过程中的水浓度是一个常数，可以从K的表达式中排除。这产生了一个特殊的平衡常数K_a，称为酸解离常数。它只是K乘以水的浓度。

K_{a}={\hbox{K}}[{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}]={\frac {[{\hbox{H}}_{3}{\hbox{O}}^{+}][{\hbox{A}}^{-}]}{[{\hbox{HA}}]}}

弱酸的K_a决定了它的酸性，即它的平衡向右偏移的程度。弱酸的K_a值可以通过实验确定。

当弱碱溶解在水中时，会存在类似的平衡。该碱将从水中接受一个质子，形成共轭酸BH⁺。

{\hbox{B}}+{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}\leftrightarrow {\hbox{OH}}^{-}+{\hbox{BH}}^{+}

此平衡具有它自己的特殊常数K_b，称为碱解离常数。与酸解离常数一样，它被定义为平衡常数乘以水的浓度。

K_{b}=K[{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}]={\frac {[{\hbox{BH}}^{+}][{\hbox{OH}}^{-}]}{[{\hbox{B}}]}}

普通水分子之间存在一种特殊的平衡。偶尔，一个水分子会充当酸，并将一个质子捐献给另一个水分子（充当碱）。这就是水的自电离。

{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}+{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}\leftrightarrow {\hbox{H}}_{3}{\hbox{O}}^{+}+{\hbox{OH}}^{-}

根据勒沙特列原理，我们可以看到，如果增加水合氢离子浓度（通过添加酸），平衡将向左移动，并且氢氧根浓度会降低。因此，水合氢离子和氢氧根浓度成反比关系——一个增加会导致另一个减少，反之亦然。

该反应的平衡表达式有一个特殊的名称，K_w。因为它简化为水合氢离子和氢氧根浓度的乘积，所以有时被称为离子积常数。该常数在 25°C 时为 1.0 × 10^-14。

K_{w}=[{\hbox{H}}_{3}{\hbox{O}}^{+}][{\hbox{OH}}^{-}]=1.0\times 10^{-14}

该表达式可用于求出纯水的 pH 值。回想一下，pH 是水合氢离子浓度的负对数。如果我们将上面表达式中的水合氢离子浓度设为 $x$ ，我们可以推导出 pH 值。氢氧根离子浓度也必须为 $x$ （因为每个氢氧根分子都是由一个水合氢分子形成的结果）。我们有

{\begin{matrix}x^{2}&=&1.0\times 10^{-14}\\x&=&{\sqrt {1.0\times 10^{-14}}}\\x&=&1.0\times 10^{-7}\\{\hbox{pH}}&=&-\log {1.0\times 10^{-7}}\\{\hbox{pH}}&=&7.0\end{matrix}}

如果已知其中一个离子浓度，可以使用此方法确定任何溶液的 pH 值。

弱酸的共轭碱与其母体酸之间存在关系。考虑弱酸 HA 的共轭碱 A^- 的平衡表达式。

K_{b}={\frac {[{\hbox{HA}}][{\hbox{OH}}^{-}]}{{\hbox{A}}^{-}}}

如果我们将酸的表达式乘以其共轭碱的表达式，酸和共轭碱的浓度将抵消，我们将得到水的离子积常数！这使我们能够在知道其共轭酸的 K_a 的情况下计算碱的 K_b（反之亦然）。

{\begin{matrix}{\frac {[{\hbox{H}}_{3}{\hbox{O}}^{+}][{\hbox{A}}^{-}]}{[{\hbox{HA}}]}}&\times &{\frac {[{\hbox{HA}}][{\hbox{OH}}^{-}]}{[{\hbox{A}}^{-}]}}&=&[{\hbox{H}}_{3}{\hbox{O}}^{+}][{\hbox{OH}}^{-}]\\K_{a}&\times &K_{b}&=&K_{w}\\\end{matrix}}

酸碱解离常数的定义非常重要，这里列出供参考。