电离平衡(二)

官方化学老师·15 页·深入(追求细节与边界)·0 次浏览·3 天前
电离平衡缓冲溶液盐类水解高中化学

电离平衡(二)

吃透电离常数、缓冲溶液与盐类水解的所有边界细节

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电离平衡缓冲溶液盐类水解高中化学

电离平衡(二)

吃透电离常数、缓冲溶液与盐类水解的所有边界细节

1第 1 页 · 电离平衡(二)

强酸

上一节弱酸在水里只有一小部分电离,还有大量分子与离子共存。但有些酸'性格猛烈'——一进水就全部拆成离子,连一个完整分子都不剩。这就是强酸。

完全电离
酸分子投入水中全部变为离子,不存在电离平衡
强度≠浓度
强酸的稀溶液仍完全电离;0.0001 mol/L 盐酸依然是强酸
计算简化
c(H⁺) 直接等于酸的初始浓度,无需列平衡式(多元强酸需分步)
常见强酸
HCl、H₂SO₄、HNO₃、HBr、HI、HClO₄;HF 因 H-F 键能大反而是弱酸
砂糖撒入清水对应 →强酸投入水中

糖粒全部溶化=全部电离成离子;杯底还剩糖=弱酸还有未电离分子

HA完全电离H++A(无平衡符号)\text{HA} \xrightarrow{\text{完全电离}} \text{H}^+ + \text{A}^- \quad (\text{无平衡符号})
2第 2 页 · 强酸

弱酸

上一页说强酸在水中几乎 100% 电离,可像醋酸、碳酸这样的酸投进水里,大多数分子却按兵不动——这就是弱酸。

不完全电离
只有一小部分 HA 分子电离出 H⁺ 和 A⁻,大部分仍以分子形式存在
存在电离平衡
HA ⇌ H⁺ + A⁻ 正逆速率相等,c(H⁺) 稳定,是动态平衡
电离常数 Ka
Ka 越大酸性越强,只与温度有关,与浓度无关
导电性与 H⁺ 浓度
同浓度下弱酸 c(H⁺) 远小于强酸,导电性弱、pH 变化小
舞厅里只开一扇窄门对应 →弱酸的部分电离与平衡

同一时刻场内(已电离的离子)人数有限,但人随时能进也能退

Ka=[H+][A][HA]K_a = \frac{[H^+][A^-]}{[HA]}
3第 3 页 · 弱酸

强碱

刚说完强酸,自然要问——另一头的强碱长什么样?强酸在水中几乎完全电离,强碱也一样,只是释放的不是 H⁺ 而是 OH⁻。

定义
水溶液中几乎完全电离的碱,电离出大量 OH⁻
常见六大强碱
NaOH、KOH、Ba(OH)₂、Ca(OH)₂,加 RbOH、CsOH
电离方程式写法
用 "=" 而非 "⇌",因不存在可逆的未电离分子
常见边界与误区
Ca(OH)₂ 微溶但溶解部分完全电离;NH₃·H₂O 是弱碱
门全推开 vs 只推开一道缝对应 →强碱完全电离 vs 弱碱部分电离

全开 = 100% 变离子;开缝 = 少量电离、分子与离子并存

NaOH=Na++OHNaOH = Na^+ + OH^-
4第 4 页 · 强碱

弱碱

认识了弱酸只部分电离、有平衡常数 Ka。碱这边也对称——强碱完全电离,那么'部分电离、有平衡'的碱就是弱碱。来看它的细节与边界。

定义与判据
在水中只能部分电离的碱;存在电离平衡而非完全解离
电离常数 Kb
与 Ka 镜像;Kb 越大碱性越强,越小越接近中性
溶液中微粒
分子、OH⁻、阳离子共存(区别于强碱的关键)
多元弱碱分步
如 CO₃²⁻ 分步结合 H⁺,Kb1 ≫ Kb2(边界细节)
典型应用
缓冲体系(NH₃/NH₄⁺)、判断盐溶液酸碱性
半开的旋转门对应 →弱碱的电离平衡

分子穿过成离子,又能转回来;进出速率相等即平衡

Kb=[BH+][OH][B],cα2KbK_b = \frac{[\text{BH}^+][\text{OH}^-]}{[\text{B}]}, \quad c\alpha^2 \approx K_b
5第 5 页 · 弱碱

溶液导电能力

强弱电解质的本质差异在电离程度,但电离程度看不见。怎么看见它?把溶液接上电路,灯亮不亮就是答案。

导电本质
溶液靠自由移动的离子定向迁移导电
决定因素
离子浓度、离子电荷、温度三因素共同决定
实验判据
等浓度时强电解质溶液导电明显强于弱电解质
浓度前提
比较强弱电解质必须保证浓度相同
管道里流过的水流对应 →溶液中定向迁移的离子

水像载流离子,水量越大、流速越快,搬运能力越强,对应导电能力越强

6第 6 页 · 溶液导电能力

电离平衡

上节课讲到,弱酸、弱碱在水中只电离一小部分。那被电离出来的离子,会不会反过来又变回分子?会,而且最终双方势均力敌——这就是电离平衡。

平衡定义
弱电解质溶于水时,分子电离的速率等于离子重新结合成分子的速率时的状态
微观特征
分子→离子、离子→分子同时进行,仅速率相等,外观看似静止
宏观表现
平衡时分子与离子共存,各粒子浓度保持恒定
适用边界
只有弱电解质存在电离平衡;强电解质完全电离,没有平衡可言
课间教室门口的人流对应 →电离平衡

有同学出去也有同学进来,但教室人数稳定——分子电离与离子结合同时进行,浓度却保持恒定

CH3COOHCH3COO+H+CH_3COOH \rightleftharpoons CH_3COO^- + H^+
7第 7 页 · 电离平衡

电离平衡的移动

前面学过弱电解质溶于水会建立电离平衡。但水温、浓度一变化,平衡就被打破,朝削弱这种改变的方向重新站稳——这就是平衡的移动。

核心定义
外界条件改变时,原平衡被打破,体系向能削弱这种改变的方向移动,建立新平衡
浓度的影响
增大反应物或减小生成离子浓度,平衡正移;反之逆移
温度的影响
弱电解质电离通常吸热,升温正移、电离度增大;降温逆移
稀释的影响
加水稀释促进电离,电离度增大,但离子总浓度反而减小
浴缸进水与出水对应 →电离平衡的移动

加大进水→水位升高→出水自动加快→进出再次相等→新水位比原来高

8第 8 页 · 电离平衡的移动

电离平衡常数

上一页讲了电离平衡的移动——加酸、加碱、稀释都会改变平衡位置。但怎么定量描述一个弱酸「天生爱不爱电离」?需要一个与浓度无关的「内禀指标」。

定义
弱电解质达电离平衡时,生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积之比,记为 Ka 或 Kb
只取决于温度
K 是温度函数,与溶液浓度、加其他电解质无关;与电离度 α 截然不同
酸碱强弱的标尺
同温下 Ka 越大酸性越强;不同温度下不能用 Ka 直接比较
多元弱酸分步电离
Ka1 ≫ Ka2 ≫ Ka3,溶液酸性主要由第一步电离贡献
Ka 与 Kb 的关系
同一温度下,共轭酸碱对的 Ka × Kb = Kw = 10⁻¹⁴
弹簧的劲度系数对应 →电离平衡常数 K

劲度系数由弹簧材质决定,与拉伸长度无关;K 由弱电解质和温度决定,与浓度无关——都是「天生属性」

Ka=[H+][A][HA]Kw=[H+][OH]=1014K_a = \dfrac{[H^+][A^-]}{[HA]} \qquad K_w = [H^+][OH^-] = 10^{-14}
9第 9 页 · 电离平衡常数

酸的电离常数 Ka

上一页的电离平衡常数对所有电解质都通用。这一页聚焦酸:Ka 就是通式在 HA ⇌ H⁺ + A⁻ 上的特化,但它不只是套公式——它直接量化了「这酸有多愿意把 H⁺ 交出去」。

Ka 的定义
弱酸 HA ⇌ H⁺ + A⁻ 的平衡常数,Ka = [H⁺][A⁻]/[HA]
只随温度变
浓度变化不影响 Ka,只有温度改变时 Ka 才变——这是平衡常数的通性
量化酸性强弱
Ka 越大,电离程度越大,酸性越强;常用 pKa = -lgKa,pKa 越小酸性越强
典型应用
比较酸的强弱、计算弱酸溶液的 [H⁺]、判断酸碱反应方向(强酸制弱酸)
酸分子「放手 H⁺」的性格倾向对应 →Ka(电离倾向)

浓度变化像围观人数增减,不改变酸本身的放手程度;只有「温度」这种环境氛围才能真正改 Ka

Ka=[H+][A][HA],pKa=lgKaK_a = \dfrac{[H^+][A^-]}{[HA]},\quad pK_a = -\lg K_a
10第 10 页 · 酸的电离常数 Ka

碱的电离常数 Kb

上一节 Ka 描述了弱酸给出 H⁺ 的倾向。对应地,弱碱结合 H⁺ 的倾向也有一个常数——这就是 Kb。

Kb 定义
弱碱 B 与 H₂O 达电离平衡 B + H₂O ⇌ BH⁺ + OH⁻ 时的平衡常数
Kb 表达式
Kb = [BH⁺][OH⁻]/[B],形式与 Ka 完全平行
Kb 含义
Kb 越大,弱碱电离程度越大、碱性越强;仅适用于弱碱
共轭酸碱关系
Ka·Kb = Kw;共轭酸越强,对应共轭碱越弱
典型应用
比较弱碱相对强弱、计算弱碱溶液 pH 与电离度
跷跷板两端的配重对应 →共轭酸碱对的 Ka 与 Kb

一端越重(Ka 大),另一端越轻(Kb 小),两端乘积恒为 Kw

Kb=[BH+][OH][B],KaKb=KwK_b = \frac{[BH^+][OH^-]}{[B]},\quad K_a \cdot K_b = K_w
11第 11 页 · 碱的电离常数 Kb

电离常数与温度的关系

上一页我们说 Ka 是「常数」——但请注意,任何常数都是有条件的。它在什么条件下才不变?

「常数」是有条件的
Ka/Kb 只在温度一定时才是常数;温度一变,它就跟着变
电离过程通常吸热
弱电解质电离时 ΔH > 0,分子拆成离子要从环境吸热
升温使 Ka 增大
升温使电离平衡正移,更多分子电离,Ka/Kb 数值增大
与浓度无关
改变浓度只让平衡移动,但 Ka/Kb 数值不变——它只认温度
水的沸点对应 →Ka 的条件性

沸点只在固定气压下是常数;Ka 只在固定温度下是常数——都是「条件性常数」

dlnKdT=ΔHRT2\frac{d\ln K}{dT}=\frac{\Delta H^\circ}{RT^2}
12第 12 页 · 电离常数与温度的关系

电离常数与酸碱强弱

上页知道了 Ka、Kb 随温度怎么变。这一页解决更实际的问题:给定一个 Ka 数值,怎么判断对应的酸有多强?给一个 Kb 又怎么和别的碱比?

Ka 是酸的强度刻度
Ka 越大电离程度越大,酸性越强;Kb 对碱同理
跨物质直接比较
不用同浓度,Ka=10⁻² 一定比 Ka=10⁻⁵ 强万倍
共轭酸碱反比
同温下 Ka×Kb=Kw,酸越强其共轭碱越弱
数量级速判强弱
Ka>1 通常强酸;10⁻⁴~10⁻² 中强酸;<10⁻⁴ 弱酸
考试成绩分数对应 →Ka/Kb 数值

分数越高能力越强,不用管考生是谁、在哪考试

Ka×Kb=KwKa \times Kb = Kw
13第 13 页 · 电离常数与酸碱强弱

本节要点

  • Ka、Kb只随温度变化,与浓度无关
  • Ka越大酸性越强,Kb越大碱性越强
  • 只有弱电解质才存在电离平衡与Ka、Kb
  • 导电能力取决于离子总浓度,不等于酸碱强弱
  • 改变条件可移动平衡,但Ka保持不变
延伸主题:水的离子积 Kw多元弱酸的分步电离缓冲溶液与同离子效应
14第 14 页 · 本节要点

课后思考

三道题先盖住答案独立思考——一题回顾因果,一题练估算与边界,一题反思「强弱」分类的本质。

1为什么 Ka 越大,酸性越强?这背后谁是因、谁是果?「酸的本质」决定 Ka,还是 Ka 反而定义「酸的本性」?

参考答案Ka 大与「酸强」是同一事实的两面——一个从平衡常数看,一个从经验感受看。两者都不是终极归因:根本原因在分子结构(X—H 键极性、键能)。两种说法可互换呼应,但都未到最底层。

2已知醋酸 Ka = 1.8×10⁻⁵,估算 0.1 mol/L 醋酸的 pH;稀释到 10⁻⁶ mol/L 时,你的估算还成立吗?

参考答案假设 α≪1,[H⁺]≈√(Ka·c)≈1.34×10⁻³ mol/L,pH≈2.87。c=10⁻⁶ 时 α 按同式已超 1,「α≪1」崩塌,水电离不可忽略——这就是稀释促进电离的极限。

3HF 的 Ka ≈ 6.6×10⁻⁴ 比醋酸还大,但仍被归为「弱酸」。这个「近边界」情况说明了什么——靠 Ka 单值能直接断定强弱吗?

参考答案Ka 是连续量,「强」「弱」是人为划线。一般以 Ka ≈ 10⁻² 量级作参考:再大算强酸,再小算弱酸。HF 是典型边界案例——它提醒:分类是「光谱」不是「开关」,任何「非黑即白」的判断都要小心。

15第 15 页 · 课后思考