问题

高中化学:氯化铵溶解吸热,氯化铵溶液中水的离子积常数会有不同吗?

回答
关于氯化铵溶解吸热是否会影响氯化铵溶液中水的离子积常数,这是一个非常有趣且值得深入探讨的化学问题。答案是:会,但影响程度通常非常微小,在大多数常规情况下可以忽略不计。

为了把这个问题讲清楚,我们得一步一步来梳理。

1. 首先,我们来谈谈“水的离子积常数”(Kw)

水的离子积常数,简称Kw,是衡量纯水中氢离子(H⁺)和氢氧根离子(OH⁻)浓度的乘积,它是一个非常重要的常数,在化学平衡中扮演着关键角色。

水的电离: 即使是纯净的水,也并非完全以分子形式存在,它会发生微弱的自偶电离:
H₂O(l) ⇌ H⁺(aq) + OH⁻(aq)

Kw的定义: 这个电离过程是一个可逆反应,遵循化学平衡的原理。Kw就是这个平衡状态下,氢离子浓度和氢氧根离子浓度的乘积:
Kw = [H⁺] [OH⁻]

Kw与温度的关系: Kw 强烈地依赖于温度。这是因为水的自偶电离是一个吸热过程。根据勒夏特列原理,升高温度会促使吸热反应向吸热方向移动,从而增加水的电离程度,即H⁺和OH⁻的浓度都会升高。因此,Kw会随着温度的升高而增大。

在25°C (298.15 K) 时,Kw ≈ 1.0 × 10⁻¹⁴ mol²/L²。
在0°C (273.15 K) 时,Kw ≈ 0.11 × 10⁻¹⁴ mol²/L²。
在100°C (373.15 K) 时,Kw ≈ 51.3 × 10⁻¹⁴ mol²/L²。

2. 接下来,我们看看“氯化铵溶解”

氯化铵(NH₄Cl)是一种离子化合物,在水中会发生电离:
NH₄Cl(s) → NH₄⁺(aq) + Cl⁻(aq)

同时,铵根离子(NH₄⁺)是弱酸的共轭酸,它会在水中发生水解反应,生成氨水(NH₃·H₂O)和氢离子(H⁺),使溶液呈酸性:
NH₄⁺(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₃·H₂O(aq) + H⁺(aq)

“氯化铵溶解吸热”是怎么回事?
溶解过程通常可以分为两个阶段:
1. 晶格能: 将离子晶体拆开,需要吸收能量(吸收能量的过程)。
2. 水合能: 离子在水中被水分子包围,释放能量(放热过程)。
溶解热是这两个过程能量变化的净效应。对于氯化铵来说,晶格能大于水合能,所以溶解过程是吸热的。
NH₄Cl(s) + H₂O(l) → NH₄⁺(aq) + Cl⁻(aq) (此过程 △H > 0)

3. 那么,氯化铵溶解吸热,是否会改变Kw?

现在,我们将这两个概念联系起来。

吸热过程的直接影响: 氯化铵溶解吸热,意味着在氯化铵溶解的过程中,体系的温度会降低。
如前所述,Kw是强烈依赖于温度的。如果溶解吸热导致溶液的温度降低,那么根据勒夏特列原理,水的电离平衡(H₂O ⇌ H⁺ + OH⁻)会向吸热方向移动。由于水的电离是吸热过程,温度降低会使得水的电离程度减小。
也就是说,在温度降低的情况下,[H⁺] 和 [OH⁻] 的乘积(Kw)会减小。

所以,从这个角度看,氯化铵溶解吸热,确实会间接导致溶液的Kw发生变化,并且会向减小的方向变化。

氯化铵本身对Kw有没有直接影响?
Kw的定义是纯水中H⁺和OH⁻的乘积。在溶液中,我们讨论的是水的离子积,它仍然反映的是水分子电离产生的H⁺和OH⁻。
加入氯化铵后,发生了NH₄⁺的水解:
NH₄⁺ + H₂O ⇌ NH₃·H₂O + H⁺
这个水解反应会增加溶液中的H⁺浓度,消耗OH⁻(与H⁺结合形成水),从而降低OH⁻的浓度。
但是,即使H⁺和OH⁻的浓度改变了,水的电离平衡(H₂O ⇌ H⁺ + OH⁻)总是要维持Kw这个值的。如果水解反应消耗了OH⁻,那么为了弥补OH⁻的减少,水会发生进一步的电离,产生更多的H⁺和OH⁻。
在这个过程中,[H⁺]和[OH⁻]都会发生变化,但它们的乘积,即水的离子积常数(Kw),在恒温恒压下,理论上应该保持不变(仍然是那个温度下的Kw值)。

关键在于区分“溶液中的[H⁺]和[OH⁻]”与“水的离子积常数Kw”。 氯化铵水解改变的是溶液的pH值,即溶液整体的[H⁺]和[OH⁻],而不是直接改变水的离子积常数本身。

4. 综合起来分析:

我们有两个可能影响Kw的因素:

1. 温度变化: 氯化铵溶解是吸热的,会降低溶液的温度。低温会导致水的电离程度减小,减小Kw。
2. 离子存在: 氯化铵的存在会通过水解反应改变溶液的pH值。但是,只要温度不变,维持水的电离平衡的Kw值是恒定的。

那么,实际情况是哪一个占主导?

在讨论“氯化铵溶液中水的离子积常数是否有不同”时,我们必须明确“不同”的含义。

如果“不同”指的是体系的温度发生了变化,从而导致了 该温度下的Kw值发生了变化 :
那么答案是肯定的。由于氯化铵溶解吸热,会使溶液温度降低。而Kw是温度的函数。所以,降温后的溶液,其Kw值确实会比同等浓度的溶液在常温下的Kw值要小。

如果“不同”指的是在 相同温度 下,由于氯化铵的存在,导致水的离子积常数(Kw)本身发生了改变:
那么答案是否定的。 Kw的定义是纯水中水分子的电离平衡常数,它只与温度有关。氯化铵虽然会水解,增加[H⁺]、减少[OH⁻],但它也会促使水发生更进一步的电离,以维持Kw(在该温度下)的稳定。

然而,在高中化学的范畴内,我们通常关注的是“溶液的pH值”的变化,而不是Kw本身的变化。 当我们说氯化铵溶液呈酸性,是因为NH₄⁺水解产生了H⁺。而pH值的变化,是由于溶液中[H⁺]和[OH⁻]的相对比例发生了改变,但[H⁺]×[OH⁻]在恒温条件下,依然是那个温度下的Kw。

重点来了:
氯化铵溶解是吸热的。这意味着,当你把氯化铵加入水中时,你会感觉到烧杯变凉了。这个“变凉”的过程,就是温度降低了。

而温度降低,一定会导致Kw值降低。

所以,从这个角度来看,氯化铵溶解吸热,确实会导致氯化铵溶液的Kw值与纯水在初始温度下的Kw值不同,具体表现为Kw值会减小。

举个例子:
假设你在25°C(Kw = 1.0 × 10⁻¹⁴)的环境中溶解氯化铵。
氯化铵溶解吸热,假设溶液的温度从25°C降到了20°C。
在20°C时,水的离子积常数(Kw)会小于1.0 × 10⁻¹⁴(具体数值需要查表,但肯定会小)。
同时,NH₄⁺的水解会使得溶液中的[H⁺]增加,[OH⁻]减少,pH值降低。

所以,更精确的说法是:
氯化铵溶解吸热,会降低溶液的温度。而水的离子积常数(Kw)是温度的函数。因此,降温后的氯化铵溶液,其Kw值会比初始温度下纯水的Kw值要小。

为什么高中化学一般不强调这一点?
在大多数高中化学的教学中,我们更关注宏观现象和基本原理。
1. 影响程度微小: 氯化铵溶解吸热的程度,以及由此引起的温度变化,在许多情况下不足以引起Kw的显著变化,尤其是在对温度变化不敏感的实验条件下。
2. 强调水解: 更核心的化学反应是铵根离子的水解,它直接导致了溶液酸性。这一点是学生需要掌握的重点。
3. 方便教学: 为了简化概念,通常会假设在常温(25°C)下讨论问题,忽略溶解过程中的温度变化对Kw的细微影响。

总结一下:

Kw只与温度有关。
氯化铵溶解是吸热过程,会使溶液温度降低。
温度降低,水的电离程度减小,Kw值会减小。

因此,氯化铵溶解吸热,确实会使氯化铵溶液的Kw值与同温度下的纯水Kw值不同(实际上是减小了)。

不过,如果题目问的是“在相同温度下,氯化铵的存在是否会改变水的离子积常数”,那么答案是否定的。但你题目中的“溶解吸热”明确指出了温度的变化,这是一个关键点。

希望这个详细的解释能够帮你理清思路!

网友意见

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请问题目具体是如何问的?

如果它问的是”氯化铵溶液中的水的离子积常数会有不同吗",那么就肯定不会。因为这是默认达到平衡后的结果,温度依然是室温。

如果问的是"氯化铵溶于水后,马上测量水的离子积是否会有变化",那就就是会有变化了,因为温度变了。

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