离子积
化学平衡常数的形式之一
离子积(ion product)指任一条件下,溶液中离子浓度幂的乘积,用符号Q表示。
若在某难溶电解质的溶液中有: ,则离子积可表示为。这一关系式适用于任意状态的溶液,温度一定时,离子积的数值不定,随溶液中离子浓度的改变而变化。
简介
离子积常数化学平衡常数的一种形式,多用于纯液体和难溶电解质的电离
形如这样的一个电离方程式:
其中R为溶质,M和N分别为电离出来的阳离子和阴离子,其离子积可表示为:
与一般的平衡常数表达式相比,离子积常数的表达式少了关于反应物的项。这就限制了离子积常数只适用于反应物是纯液体或纯固体的反应,因为在计算平衡常数时,纯液体和纯固体的浓度视作1。
纯液体
纯液体的离子积一般用于溶剂的自耦电离,如水。水是一种极弱的电解质,它能微弱地电离
通常简写为H。
水的离子积 ,25度时,。温度升高时,水的电离程度加大,K值也随着上升。
液氨、液态二氧化硫等溶剂也可写出离子积表达式。
难溶电解质
难溶电解质的离子积常数能很好地反映电解质的溶解程度,因此这一种常数又叫做 溶度积常数,符号为 K。
氯化银的微弱电离:
即在25℃的AgCl的饱和溶液中,银离子浓度与氯离子浓度的乘积为1.77E-10。根据这一点,可以计算出AgCl的溶解度
在1“分子”溶质电离出离子数相同的情况下,K越小的,溶解度也越小。
在不同温度下,同一物质的K会有不同的数值。
原理
在一定温度下,水中[H ]和[OH-]的乘积(Kw)是一个常数,这个常数叫做水的离子积(曾用名:离子积常数)。水的离子积又叫水的自电离常数,即为水的电离达到平衡后平衡常数。
水是纯液体,可看作是一个常数,所以。Kw值跟温度有关,在25℃,。为了计算简化,常常把这个值作为室温下水的离子积。在物质的稀水溶液中,和纯水的几乎相同,因此Kw也几乎相等。这就是说,在任何酸性(或碱性)溶液中,同时存在H 和OH-,只不过[H ]和[OH-]的相对大小不同而已。在常温下,[H +]和[OH-]的乘积等于。因此,水溶液的酸碱性只要用一种离子(H +或OH-)的浓度表示。
水是一种既能释放质子也能接受质子的两性物质。水在一定程度上也微弱地离解,质子从一个水分子转移给另一个水分子,形成和。
达到平衡时,可得水的离解常数Ki
由于水的离解度极小,数值可以看作是一个常数,令等于另一新常数Kw,则
Kw称为水的离子积常数,简称水的离子积。上式表示在一定温度时,水中氢离子浓度与氢氧根浓度的乘积为一常数(表3-1)。25℃时,由实验测出在纯水中和各为。通常将水合离子简写为H+,这样,在常温时:
离子积随温度变化
表3-1 不同温度时水的离子积
由于水离解时要吸收大量的热,所以温度升高,水的离解度和Kw也相应地增大。
水的离子积原理不仅适用于纯水,也适用于一切稀的水溶液。在任何稀的水溶液中,不论[H+]和[OH-]怎样改变,它们的乘积总是小于等于Kw。
也就意味着有PH14的物质,当然前提是温度足够高。
PH值
PH值的引入
在纯水或中性溶液中,25℃时
当向水中加入酸时,溶液中[H+]就会增大,设达到新的平衡时该溶液的[H+]为,因,则
可见,在酸性溶液中,,而.
如果向纯水中加入碱时,溶液中[OH-]就会增大,设达到新的平衡时该溶液的[OH-]为,同理计算出。可见,在碱性溶液中,而。由上述三种情况可知:
在纯水或中性溶液中
在酸性溶液中
在碱性溶液中
当然,[H+]或[OH-]都可用来表示溶液中的中性、酸性或碱性,但实际应用中多采用[H+]来表示。但是,在生物学与医学上许多重要溶液的[H+]往往是一个很小的数值,而且带有负指数,用[H+]表示溶液的酸碱性不方便。例如,人的血液[H+]为0.0000000398摩尔L-1,即,血液究竟是酸性还是碱性,不容易看清楚。索仑生(Sorensen)首先提出用PH值表示水溶液的酸碱性。
PH值的定义
溶液的PH值是氢离子浓度的负对数值。
它的数学表示式为:
即 严格地说,考虑活度时:
必须注意,PH值每相差一个单位时,其[H+]相差10倍;PH值相差二个单位时,[H+]相差100倍;依此类推。
用PH值表示稀的水溶液的酸碱性,则有“
在纯水或中性溶液中,
在酸性溶液中, ,PH越小,则酸性越强。
在碱性溶液中,,PH越大,则碱性越强。
定义和二者关系
和PH相仿,[OH-]和KW也可用它们的负对数来表示,即
由于在25℃时,
方程两边取负对数,则得
所以
水溶液中[H+],[OH-],PH,POH值与溶液酸碱性的关系如表3-2。
表3-2 [H+],[OH-],PH,POH值与溶液酸碱性的关系
由左到右酸性逐渐减弱 碱性逐渐增强
在实际应用中,PH值一般只限于0-14范围内。当 [H+]或[OH-]大于1时,就不再采用PH值,而仍用[H+]或[OH-]表示溶液的酸碱性。
必须注意,用PH值表示的是溶液的酸度或有效酸度而不是酸的浓度。酸度或有效酸度是指溶液中H+浓度,严格地说是指H+的活度,是指已离解部分酸的浓度。酸的浓度也称总酸度或分析浓度,它是指在1升溶液中所含酸的物质的量,包括已离解和未离解两部分酸的总浓度,其大小要用滴定分析来确定。酸度或有效酸度则用PH试纸或PH计来测定。潜在酸度是指未离解部分的浓度,即总酸度与有效酸度之差。例如,HCL和HOAc的浓度相同,但有效酸度不同。HCL溶液总酸度为,其有效酸度[H+]也是相同数值,25℃时,总酸度为的HOAc溶液,其有效酸度[H+]则仅为。
试题举例
例1 分别求出HCl溶液和HOAc溶液(注:Ac是乙酰(结构为,完整的单词为acetyl))的pH值,已知其[H+]分别为和。
解:HCl溶液的
HOAc溶液的
例2 已知某溶液的,计算该溶液的氢离子浓度。
解:
查0.4的反数为2.512,故
弱酸弱碱常数
弱酸
甲酸
醋酸;
磷酸
(注:与的积是)
弱碱
注:10-X及 表示10的负X次幂
与溶度积区别
1、固体物质的溶解度是指在一定的温度下,某物质在100克溶剂里达到饱和状态时所溶解的克数。在未注明的情况下,通常溶解度指的是物质在水里的溶解度。气体的溶解度通常指的是该气体(其压强为1标准大气压)在一定温度时溶解在1体积水里的体积数。
2、难溶电解质在水中会建立一种特殊的动态平衡。尽管难溶电解质无法溶解,但仍有一部分阴阳离子进入溶液,同时进入溶液的阴阳离子又会在固体表面沉积下来。当这两个过程的速率相等时,难溶电解质的溶解就达到平衡状态,固体的量不再减少。这样的平衡状态叫沉淀溶解平衡,其平衡常数叫溶度积。
3、浓度指某物种在总量中所占的分量。
参考资料
目录
概述
简介
纯液体
难溶电解质
原理
离子积随温度变化
PH值
PH值的引入
PH值的定义
定义和二者关系
试题举例
弱酸弱碱常数
弱酸
弱碱
与溶度积区别
参考资料