普通化學/化學平衡/酸鹼平衡

有用提示！
	強酸/鹼完全解離，因此它們的平衡常數非常大。

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單元: 物質 · 原子結構 · 鍵合 · 反應 · 溶液 · 物質狀態 · 平衡 · 動力學 · 熱力學 · 元素
附錄: 元素週期表 · 單位 · 常數 · 方程式 · 標準還原電位 · 元素及其性質

考慮在水中的一種酸HA。根據布朗斯特-勞裡酸鹼理論，該酸應該質子化水形成水合氫離子和共軛鹼A^-。酸和水、水合氫離子和共軛鹼之間將存在一個平衡。

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

此平衡可用於計算溶液中各物種的濃度。

酸解離常數

與所有平衡一樣，酸鹼解離將具有特定的平衡常數，這將決定反應的程度（是位於方程式的左側還是右側）。當平衡常數接近零時，反應傾向於形成100%的反應物。當平衡常數接近無窮大時，反應傾向於形成100%的產物。平衡常數K=1表示將有50%的產物和50%的反應物。

由於該平衡用於計算弱酸的濃度，因此實際上只有很少的水發生反應。因此，反應過程中的水濃度是一個常數，可以從K的表示式中排除。這產生了一個特殊的平衡常數K_a，稱為酸解離常數。它只是K乘以水的濃度。

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

弱酸的K_a決定了它的酸性，即它的平衡向右偏移的程度。弱酸的K_a值可以透過實驗確定。

當弱鹼溶解在水中時，會存在類似的平衡。該鹼將從水中接受一個質子，形成共軛酸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數K_b，稱為鹼解離常數。與酸解離常數一樣，它被定義為平衡常數乘以水的濃度。

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

普通水分子之間存在一種特殊的平衡。偶爾，一個水分子會充當酸，並將一個質子捐獻給另一個水分子（充當鹼）。這就是水的自電離。

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

根據勒沙特列原理，我們可以看到，如果增加水合氫離子濃度（透過新增酸），平衡將向左移動，並且氫氧根濃度會降低。因此，水合氫離子和氫氧根濃度成反比關係——一個增加會導致另一個減少，反之亦然。

該反應的平衡表示式有一個特殊的名稱，K_w。因為它簡化為水合氫離子和氫氧根濃度的乘積，所以有時被稱為離子積常數。該常數在 25°C 時為 1.0 × 10^-14。

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

該表示式可用於求出純水的 pH 值。回想一下，pH 是水合氫離子濃度的負對數。如果我們將上面表示式中的水合氫離子濃度設為 $x$ ，我們可以推匯出 pH 值。氫氧根離子濃度也必須為 $x$ （因為每個氫氧根分子都是由一個水合氫分子形成的結果）。我們有

{\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}}

如果已知其中一個離子濃度，可以使用此方法確定任何溶液的 pH 值。

弱酸的共軛鹼與其母體酸之間存在關係。考慮弱酸 HA 的共軛鹼 A^- 的平衡表示式。

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

如果我們將酸的表示式乘以其共軛鹼的表示式，酸和共軛鹼的濃度將抵消，我們將得到水的離子積常數！這使我們能夠在知道其共軛酸的 K_a 的情況下計算鹼的 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}}

酸鹼解離常數的定義非常重要，這裡列出供參考。