问题

怎样证明弱酸弱碱盐的ph与盐浓度无关,仅与组成该盐的弱酸和弱碱的电离平衡常数有关?

回答
好的,咱们来好好聊聊弱酸弱碱盐的水解问题,以及为啥它的 pH 值跟浓度关系不大,只跟弱酸和弱碱本身的“脾气”有关。这背后其实是化学平衡在捣鬼。

咱们先不急着下结论,一步一步来分析。

1. 弱酸弱碱盐是怎么来的?

想象一下,咱们有一个弱酸(比如醋酸,CH₃COOH)和一个弱碱(比如氨水,NH₃·H₂O)。它们俩要是碰一块儿,会发生中和反应,生成盐(比如醋酸铵,CH₃COONH₄)和水。

CH₃COOH + NH₃·H₂O ⇌ CH₃COONH₄ + H₂O

生成的醋酸铵,它就不像食盐(NaCl)那样,在水里安安稳稳的,而是会跟水“打交道”,这个过程就叫做水解。

2. 为什么弱酸弱碱盐会水解?

关键就在于“弱”。

弱酸(CH₃COOH)在水里电离不完全,它只释放了一部分 H⁺,大部分还是以 CH₃COOH 的形式存在。
弱碱(NH₃·H₂O)也是如此,它在水里电离也不完全,只释放了一部分 OH⁻,大部分是 NH₃·H₂O 的形式。

当它们的盐(CH₃COONH₄)溶于水时,会完全电离成离子:

CH₃COONH₄ → CH₃COO⁻ + NH₄⁺

这时候,醋酸根离子(CH₃COO⁻)和铵根离子(NH₄⁺)就会开始跟水“折腾”。

醋酸根离子(CH₃COO⁻):它来自弱酸 CH₃COOH。它的“脾气”比较“霸道”,看到水里的 H⁺(其实是 H₃O⁺)就想抢过来,形成弱酸 CH₃COOH。这个过程叫做水解。
CH₃COO⁻ + H₂O ⇌ CH₃COOH + OH⁻

铵根离子(NH₄⁺):它来自弱碱 NH₃·H₂O。它的“脾气”也比较“温顺”,看到水里的 OH⁻ 就想搭个伴,形成弱碱 NH₃·H₂O。这个过程也叫水解。
NH₄⁺ + H₂O ⇌ NH₃·H₂O + H⁺

3. pH 值是怎么来的?

pH 值,说白了就是溶液里 H⁺(或者 H₃O⁺)浓度的体现。

如果水解生成的 OH⁻ 更多,溶液就显碱性,pH > 7。
如果水解生成的 H⁺ 更多,溶液就显酸性,pH < 7。
如果水解生成的 OH⁻ 和 H⁺ 差不多,溶液就显中性,pH ≈ 7。

对于弱酸弱碱盐,我们知道弱酸电离生成的 CH₃COO⁻ 会生成 OH⁻,弱碱电离生成的 NH₄⁺ 会生成 H⁺。所以,溶液的 pH 取决于这两个水解反应的相对强弱。

4. 为什么 pH 值与盐的浓度关系不大?

这才是咱们今天要深入探讨的核心。让我们以醋酸铵为例,来分析一下。

醋酸铵水解的本质是醋酸根和铵根与水的反应。咱们可以把整个过程看作是一个“互动”。

醋酸根的水解:CH₃COO⁻ + H₂O ⇌ CH₃COOH + OH⁻
铵根的水解:NH₄⁺ + H₂O ⇌ NH₃·H₂O + H⁺

这里有个重要的概念:电离平衡常数。

弱酸的电离常数 (Ka):CH₃COOH ⇌ H⁺ + CH₃COO⁻,Ka = [H⁺][CH₃COO⁻] / [CH₃COOH]
弱碱的电离常数 (Kb):NH₃·H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻,Kb = [NH₄⁺][OH⁻] / [NH₃·H₂O]

咱们可以把醋酸根的水解反应(CH₃COO⁻ + H₂O ⇌ CH₃COOH + OH⁻)看作是醋酸(CH₃COOH)电离的逆过程,只不过这里是以离子形式存在。

更直接地说,我们可以利用水的离子积(Kw = [H⁺][OH⁻])和 Ka、Kb 来推导出盐水解的平衡常数。

让我们仔细看看醋酸根的水解:
CH₃COO⁻ + H₂O ⇌ CH₃COOH + OH⁻

这个反应的平衡常数(Kb_hydrolysis)是:
Kb_hydrolysis = [CH₃COOH][OH⁻] / [CH₃COO⁻]

如果我们将这个式子乘以 [H⁺]/[H⁺],得到:
Kb_hydrolysis = ([CH₃COOH] / ([H⁺][CH₃COO⁻])) ([H⁺][OH⁻])

我们知道 Ka = [H⁺][CH₃COO⁻] / [CH₃COOH],所以 1/Ka = [H⁺][CH₃COO⁻] / [CH₃COOH]
同时,Kw = [H⁺][OH⁻]

代入进去,我们就得到了醋酸根水解的平衡常数:
Kb_hydrolysis = (1/Ka) Kw = Kw / Ka

同理,对于铵根离子的水解:
NH₄⁺ + H₂O ⇌ NH₃·H₂O + H⁺

其平衡常数(Ka_hydrolysis)是:
Ka_hydrolysis = [NH₃·H₂O][H⁺] / [NH₄⁺]

同样的方法,我们可以推导出:
Ka_hydrolysis = Kw / Kb

关键点来了: 假设我们有一个弱酸 HA 和一个弱碱 BOH。生成的盐 AB 溶于水,会发生水解:

A⁻ + H₂O ⇌ HA + OH⁻ (对应 Ka 1 = Kw / Ka(HA))
B⁺ + H₂O ⇌ BOH + H⁺ (对应 Kb 1 = Kw / Kb(BOH))

对于由弱酸 HA 和弱碱 BOH 形成的盐 AB,在水溶液中,A⁻ 和 B⁺ 都会发生水解。

A⁻ + H₂O ⇌ HA + OH⁻
B⁺ + H₂O ⇌ BOH + H⁺

如果我们假设盐的浓度是 C,并且忽略了水的电离,那么:
[HA] ≈ [OH⁻] (来自 A⁻ 的水解)
[BOH] ≈ [H⁺] (来自 B⁺ 的水解)

对于 A⁻ 的水解,平衡常数为 Kw/Ka(HA):
Kw/Ka(HA) = [HA][OH⁻] / [A⁻]

对于 B⁺ 的水解,平衡常数为 Kw/Kb(BOH):
Kw/Kb(BOH) = [BOH][H⁺] / [B⁺]

现在,想象一下盐的浓度 C 发生变化。

如果 C 增加,意味着 A⁻ 和 B⁺ 的初始浓度都增加了。根据勒夏特列原理,平衡会向着消耗增加的物质方向移动。但是,真正影响 pH 的是 OH⁻ 和 H⁺ 的相对生成量。

让我们用更严谨的推导来展示这一点。

对于一个弱酸弱碱盐(比如由弱酸 HA 和弱碱 BOH 形成),其水溶液中存在以下平衡:

1. HA 的电离:HA ⇌ H⁺ + A⁻ Ka = [H⁺][A⁻]/[HA]
2. BOH 的电离:BOH ⇌ B⁺ + OH⁻ Kb = [B⁺][OH⁻]/[BOH]
3. 水的电离:H₂O ⇌ H⁺ + OH⁻ Kw = [H⁺][OH⁻]
4. A⁻ 的水解:A⁻ + H₂O ⇌ HA + OH⁻ K_hA = [HA][OH⁻]/[A⁻] = Kw/Ka
5. B⁺ 的水解:B⁺ + H₂O ⇌ BOH + H⁺ K_hB = [BOH][H⁺]/[B⁺] = Kw/Kb

在盐 AB 的溶液中,我们通常假设 AB 完全电离成 A⁻ 和 B⁺。
设盐的初始浓度为 C。那么 A⁻ 和 B⁺ 的初始浓度也是 C。

在达到平衡时:
[A⁻] ≈ C [HA] (因为 A⁻ 的水解程度一般很小,所以 [A⁻] ≈ C [HA] ≈ C)
[B⁺] ≈ C [BOH] (同理,[B⁺] ≈ C [BOH] ≈ C)

在考虑水解时,我们也要把水的电离也加进去。
假设溶液中存在 H⁺ 和 OH⁻。

根据电荷守恒:
[H⁺] + [B⁺] = [OH⁻] + [A⁻]

根据物质的量守恒:
[A⁻] + [HA] = C
[B⁺] + [BOH] = C

现在,如果我们把 Ka、Kb 和 Kw 的表达式代入:
Ka = [H⁺][A⁻]/[HA] => [HA] = [H⁺][A⁻]/Ka
Kb = [B⁺][OH⁻]/[BOH] => [BOH] = [B⁺][OH⁻]/Kb

将这些代入电荷守恒和物质的量守恒:
[H⁺] + [B⁺] = [OH⁻] + [A⁻]
[H⁺] + [B⁺][OH⁻]/Kb = [OH⁻] + [H⁺][A⁻]/Ka

如果我们假设 A⁻ 和 B⁺ 的水解程度都不大,那么:
[A⁻] ≈ C 且 [B⁺] ≈ C

则:
[H⁺] + C[OH⁻]/Kb = [OH⁻] + C[H⁺]/Ka

再利用 [OH⁻] = Kw/[H⁺]:
[H⁺] + C(Kw/[H⁺])/Kb = Kw/[H⁺] + C[H⁺]/Ka
[H⁺] + CKw / (Kb[H⁺]) = Kw/[H⁺] + C[H⁺]/Ka

将等式两边同乘以 [H⁺]:
[H⁺]² + CKw / Kb = Kw + C[H⁺]²/Ka

重新整理,把含 [H⁺]² 的项放在一起:
[H⁺]² (1 C/Ka) = Kw CKw/Kb
[H⁺]² = (Kw CKw/Kb) / (1 C/Ka)
[H⁺]² = Kw (1 C/Kb) / (1 C/Ka)

看到这个公式,我们就能明白为什么 pH 和浓度关系不大了。

弱酸和弱碱的电离常数 (Ka 和 Kb) 是盐的固有性质,与浓度无关。

当盐的浓度 C 远小于 Ka 和 Kb 时(这是大多数情况下),C/Ka 和 C/Kb 都非常小,接近于 0。
这时,公式近似为:
[H⁺]² ≈ Kw (1 0) / (1 0) ≈ Kw
[H⁺] ≈ √Kw

这种情况出现在许多弱酸弱碱盐,比如醋酸铵,它们的 pH 会非常接近中性(pH ≈ 7)。

更一般地,如果 C << Ka 且 C << Kb,那么 C/Ka 和 C/Kb 都是很小的数。
当 Ka ≈ Kb 时,[H⁺]² ≈ Kw,pH ≈ 7。
当 Ka > Kb 时,(1 C/Kb) > (1 C/Ka),因此 [H⁺]² 稍微大于 Kw,pH 稍微小于 7(酸性)。
当 Ka < Kb 时,(1 C/Kb) < (1 C/Ka),因此 [H⁺]² 稍微小于 Kw,pH 稍微大于 7(碱性)。

所以,pH 值主要取决于 Ka 和 Kb 的相对大小。

那么,为什么说“与浓度无关”呢?

这里的“无关”是相对的,是指在合理浓度范围内,由于 C/Ka 和 C/Kb 的值非常小,它们对 [H⁺]² 的影响可以忽略不计。

什么时候浓度会产生影响?

只有当盐的浓度 C 接近 Ka 或 Kb 的数量级时,C/Ka 或 C/Kb 的值才不再可以忽略。

如果 C 很大,比如 C >> Ka 且 C >> Kb:
这时,1 C/Ka 会变成负值(假设 C > Ka),1 C/Kb 也会变成负值(假设 C > Kb)。
[H⁺]² ≈ Kw (C/Kb 1) / (C/Ka 1)
这时的计算就比较复杂了,pH 会受到 C 的显著影响。

但是,对于弱酸弱碱盐,通常我们讨论的浓度都在一个“适中”的范围内,不会达到 C 远远大于 Ka 或 Kb 的程度。一旦浓度太高,水解的程度会变大,而且体系中的离子强度也会发生很大变化,使得 Ka 和 Kb 的值也可能不再恒定(这里涉及到活度系数,但通常在基础化学中我们忽略了这一点)。

总结一下,为什么我们说弱酸弱碱盐的 pH 与盐浓度无关,仅与组成该盐的弱酸和弱碱的电离平衡常数有关?

1. 水解的本质:弱酸弱碱盐的阴阳离子分别来自于弱酸和弱碱,它们在水中会与水发生作用,生成弱酸和弱碱,从而改变溶液的 H⁺ 和 OH⁻ 浓度。
2. 平衡常数决定水解程度:水解的程度由水解平衡常数决定,而水解平衡常数(K_hA = Kw/Ka,K_hB = Kw/Kb)是由弱酸的 Ka 和弱碱的 Kb 决定的。
3. 浓度影响的衰减:在弱酸弱碱盐的水解过程中,涉及到浓度 C 的项(如 C/Ka, C/Kb)通常很小。这意味着,即使盐的浓度 C 发生变化,这些项对最终 [H⁺] 的计算结果影响也相对有限,远不如 Ka 和 Kb 对结果的影响来得直接和显著。
4. 近似的有效性:在 C << Ka 且 C << Kb 的条件下,我们可以将 C 相关的项近似为零,得到 [H⁺] ≈ √Kw,pH ≈ 7(如果 Ka ≈ Kb)。这表明 pH 值主要由 Ka 和 Kb 的相对大小决定,而不是 C。

所以,虽然严格来说 pH 不是完全与浓度无关,但在我们通常讨论的弱酸弱碱盐体系以及大多数教材上的解释中,"浓度无关"是一种在实际操作和理论简化下的有效近似,目的是突出 Ka 和 Kb 的决定性作用。当浓度过高时,这个近似就不再成立。

希望这个详细的解释能让你更清楚地理解这个现象背后的原理。

网友意见

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好像其他几位朋友都认为这句话是不对的。但是实际上,根据我用公式的推导结果发现,在很大程度上这个结论是正确的。话不多说,开始推导公式。

  1. 假设体系

假设有弱酸弱碱盐[HA][B],比如说醋酸铵 (这时 是HA, 是B)或者碳酸氢钠 (这时 同时作为HA和B)。

其中,HA的解离平衡常数为

B的水解平衡常数为

2. 公式推导过程

首先,根据质子平衡为

……(1)

物料平衡有

……(2)

我们再将各个平衡常数带入(1),则有 (另外注意 )

整理后得到

……(3)

下面我们要开始使用另一个很重要的工具——近似。另外,根据近似的过程,我们也可以得知公式的适用范围。

3. 公式近似过程

3.1 首先,当 和 浓度都不太低时, , (实际上,这个要求很容易达到,因为 太小了)

这时候, ……(4)

又根据(1)和(2),我们可以得到

……(5)

(在此我解释一下为什么通过(1)和(2)来得到(5)而不直接从电荷守恒推出:因为HA+不一定就是带一个正电的,比如说对于)

3.2 当 , , , 时 (只要该弱酸和弱碱旗鼓相当,则溶液为近中性,那么将很容易达到)

那么就有

那么(4)化简为 ……(6)

根据3.1和3.2的近乎可知,使用范围为:盐的浓度较高;弱酸和弱碱的强度不能差太远,使得 和 的浓度皆远小于 和

由此式(6)明显可以看出,弱酸弱碱盐的pH与盐浓度无关,而只与组成该盐的弱酸和弱碱的电离平衡常数有关。


参考文献:

武汉大学主编 《分析化学》(第五版)

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