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弱碱

2021-07-16 12:27:51
碱化学
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布朗斯特-劳里酸碱理论中,弱碱指在水溶液中不完全电离的,意即质子化反应不完全。一般碱的pH值范围为7~14,其中7为中性,14则为强碱性,可通过以下公式计算:

pH=−log10⁡[H+]{\displaystyle{\mbox{pH}}=-\log _{10}\left[{\mbox{H}}^{+}\right]}

相对强碱而言,弱碱从水分子接受质子的能力较差,因而溶液中H浓度更高,pH值较低。

碱阴离子的电离平衡不涉及H,通常以OH离子浓度先计算pOH:

pOH=−log10⁡[OH−]{\displaystyle{\mbox{pOH}}=-\log _{10}\left[{\mbox{OH}}^{-}\right]}

共轭酸(如NH4)与共轭碱(如NH3)的酸碱平衡式相乘,得到:

Ka×Kb=[H3O+][NH3][NH4+]×[NH4+][OH−][NH3]=[H3O+][OH−]{\displaystyle K_{a}\times K_{b}={[H_{3}O^{+}][NH_{3}] \over [NH_{4}^{+}]}\times{[NH_{4}^{+}][OH^{-}] \over [NH_{3}]}=[H_{3}O^{+}][OH^{-}]}

由于Kw=[H3O+][OH−]{\displaystyle{K_{w}}=[H_{3}O^{+}][OH^{-}]},因此Ka×Kb=Kw{\displaystyle K_{a}\times K_{b}=K_{w}}

等式两边同时取对数,得:

logKa+logKb=logKw{\displaystyle logK_{a}+logK_{b}=logK_{w}}

最后等式两边同乘-1,结果为:

pKa+pKb=pKw=14.00{\displaystyle pK_{a}+pK_{b}=pK_{w}=14.00}

pH值可由已知的pOH值代入下式计算:

pH = pKw - pOH,pKw = 14.00

弱酸类似,弱碱在水中也存在电离平衡,其反应平衡常数称作Kb,可作为碱强弱的量度。强碱电离过程完全,Kb值也较大。弱碱,如在溶于水时存在下列平衡:

Kb=[NH4+][OH−][NH3]{\displaystyle \mathrm{K_{b}={[NH_{4}^{+}][OH^{-}] \over [NH_{3}]}}}

pH值计算涉及的H浓度与OH浓度通过水的离子积联系起来,Kw = 1.0x10,见水的自偶电离。强碱中H浓度较低,即OH浓度更高,Kb更大。

反应平衡

通常以碱的共轭酸百分比来描述弱碱的碱性强弱。若共轭酸浓度更大,则表明pH值更大,若更小则相反。弱碱的共轭酸浓度通常较低。

酸碱平衡式为:

B(aq)+H2O(l)↔HB+(aq)+OH−(aq){\displaystyle B(aq)+H_{2}O(l)\leftrightarrow HB^{+}(aq)+OH^{-}(aq)},B表示碱Percentage protonated=molarity of HB+ initial molarity of B×100%=[HB+][B]initial×100%{\displaystyle Percentage\ protonated={molarity\ of\ HB^{+}\over \ initial\ molarity\ of\ B}\times 100\%={[{HB}^{+}] \over [B]_{initial}}{\times 100\%}}

式中[B]initial表示假想的反应发生前碱的摩尔浓度。

例子

计算0.20mol/L吡啶水溶液的pH及酸型所占的百分比,吡啶:C5H5N,Kb为1.8 x 10。

首先写出酸碱平衡反应式:

H2O(l)+C5H5N(aq)↔C5H5NH+(aq)+OH−(aq){\displaystyle \mathrm{H_{2}O(l)+C_{5}H_{5}N(aq)\leftrightarrow C_{5}H_{5}NH^{+}(aq)+OH^{-}(aq)}}Kb=[C5H5NH+][OH−][C5H5N]{\displaystyle K_{b}=\mathrm{[C_{5}H_{5}NH^{+}][OH^{-}] \over [C_{5}H_{5}N]}}

浓度列表,单位为mol/L:

C5H5NC5H6NOH
初始浓度0.2000
浓度变化量-x+x+x
平衡浓度0.20 -xxx
将平衡浓度代入Kb计算式Kb=1.8×10−9=x×x0.20−x{\displaystyle K_{b}=\mathrm{1.8\times 10^{-9}}={x\times x \over 0.20-x}}
假设x很小,可以忽略1.8×10−9≈x20.20{\displaystyle \mathrm{1.8\times 10^{-9}}\approx{x^{2}\over 0.20}}
解出xx≈0.20×(1.8×10−9)=1.9×10−5{\displaystyle \mathrm{x}\approx{\sqrt{0.20\times(1.8\times 10^{-9})}}=1.9\times 10^{-5}}
检验 x << 0.20 的假设是否正确1.9×10−5≪0.20{\displaystyle \mathrm{1}.9\times 10^{-5}\ll 0.20};因此近似可行
由pOH = -log [OH],[OH]=x计算pOHpOH≈−log(1.9×10−5)=4.7{\displaystyle \mathrm{p}OH\approx -log(1.9\times 10^{-5})=4.7}
由pH = pKw - pOHpH≈14.00−4.7=9.3{\displaystyle \mathrm{p}H\approx 14.00-4.7=9.3}
由[HB] = x,[B]initial = 0.20计算酸型的百分比percentage protonated=1.9×10−50.20×100%=0.0095%{\displaystyle \mathrm{p}ercentage\ protonated={1.9\times 10^{-5}\over 0.20}\times 100\%=0.0095\%}

即,有0.0095%的吡啶以共轭酸C5H6N的形式存在。

常见的弱碱

  • 丙氨酸——C3H5O2NH2
  • ——NH3
  • 甲胺——CH3NH2
  • 吡啶——C5H5N

参见

参考资料

  • Atkins, Peter, and Loretta Jones. Chemical Principles: The Quest for Insight, 3rd Ed., New York: W.H. Freeman, 2005.

外部链接