弱酸的pH值計算

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簡介

酸性和鹼性化合物一直是科學家們感興趣的話題。使用石蕊試紙進行的顏色變化實驗常用於識別酸和鹼的強度。但它不能提供關於化學化合物酸度和鹼度的準確資料。

準確識別化學化合物的酸度非常必要。1909年，化學家Søren Sørensen根據當時流行的舊理論提出了pH的概念。他還引入了pH值標度，這是對當時某些理論的突破。氫離子濃度的負對數決定了某些化合物的酸度。

pH值到底是什麼？

pH值指的是氫離子濃度的負對數，它用來衡量化學物質的酸度和鹼度。pH值被用來衡量物質的酸鹼性。透過pH值，我們可以很容易地將化學化合物分為兩類。pH值的範圍代表著化學化合物。當化學化合物的pH值在7-14範圍內時，該化合物為鹼性。而當pH值在0-7範圍內時，它為酸性。

根據pH值，酸和鹼也分為強酸或強鹼以及弱酸或弱鹼。酸度較低的酸是弱酸，其pH值接近7。而pH值在1-4範圍內的酸是強酸。同樣，pH值接近7的鹼是弱鹼，而pH值接近14的鹼是強鹼。

弱酸的pH值計算

與強酸相比，弱酸的pH值計算稍微複雜一些。我們知道強酸完全解離成相應的氫離子，但弱酸不會完全解離。pH值的計算可以透過以下公式進行：

$$\mathrm{pH\:=\:-\log\:[h^{+}]}$$

Ka值由以下公式確定：

$$\mathrm{Ka\:=\:[H^{+}]\times\:[B^{-}]\:/\:[HB]}$$

其中，

$\mathrm{[H^{+}]\:=\:氫離子濃度}$

$$\mathrm{[B^{-}]\:=\:共軛鹼的濃度}$$

$$\mathrm{[HB]\:=\:未解離分子的濃度.}$$

計算弱酸的pH值，以苯甲酸的解離為例

當苯甲酸溶解在水中時，會解離成：

$$\mathrm{C_{6}H_{5}COOH\:\rightarrow\:H^{+}\:+\:C_{6}H_{h}COO^{-}}$$

透過代入每一項的相應濃度，我們可以計算出Ka值。我們知道，

$\mathrm{[H^{+}]\:=\:[C_{6}H_{5}COO^{-}]}$，這是因為氫離子的解離會導致$\mathrm{C_{6}H_{5}COO^{-}}$的形成

現在將氫離子濃度[𝐻+]替換為x

解離前的濃度為C。將所有這些值代入用於計算Ka的公式。

$\mathrm{Ka\:=\:x^{2}\:/\:(C\:-\:x)}$ 因為[𝐻𝐵]變成了$\mathrm{C\:-\:x}$

也就是說，

$$\mathrm{[HB]\:=\:C\:-\:x}$$

現在，

$$\mathrm{(C\:-\:x)\:\times\:Ka\:=\:x^{2}}$$

$$\mathrm{X^{2}\:=\:(C\:-\:x)\times\:Ka}$$

$\mathrm{x^{2}\:=\:(C\times\:Ka\:-\:x\times\:Ka)}$

對上述方程進行重新排列，得到二次方程

$$\mathrm{x^{2}\:+\:Kax\:-\:CKa\:=\:0}$$

可以使用以下公式求解：

$$\mathrm{x\:=\:[-\:b\pm\:(b^{2}\:-\:4ac)]\:/\:4a}$$

也就是說，

$$\mathrm{x\:=\:[-Ka\:+\:(K^a{2}\:+\:4CKa)]\:/\:4}$$

因此，將得到兩個方程，從中可以很容易地計算出氫離子的濃度。然後將其代入計算pH值的通用公式，即可計算出弱酸的pH值：

$$\mathrm{pH\:=\:-\log\:[H^{+}]}$$

$\mathrm{pH\:=\:-\log\:x}$

因此得到pH值。

酸和相關成分

酸是含有質子的化合物。因此，酸的成分是氫離子，𝐻+。所以酸是𝐻+離子供體。含有𝐻+離子的化學化合物都是酸。這是根據布朗斯臺德-勞裡理論。根據路易斯酸鹼理論，酸是接受其他化學化合物電子對的化學化合物。羧酸和酚類是有機酸的例子，因為它們含有烴。

牛奶中存在的酸，乳酸是有機酸的一個例子。脂肪酸是我們體內脂肪的構成單元，一種羧酸。所有酸性物質都嚐起來是酸的。無機酸是無機酸，例如硫酸和硝酸。除此之外，還有一些非水酸。三氧化硫和三氟化硼屬於此類。許多成分都是由酸組成的。

如何計算弱酸的pH值？

對於弱酸，需要計算解離常數。這可以透過以下公式獲得：

$$\mathrm{Ka\:=\:x^{2}\:/\:C}$$

如果知道C和Ka的值，就可以很容易地得到x。

$$\mathrm{x^{2}\:=\:Ka\times\:C}$$

然後將其代入pH值方程：

$$\mathrm{pH\:=\:-\log\:x}$$

從而計算出弱酸的pH值。

結論

化學化合物分為酸和鹼。酸和鹼具有特定的pH值用於區分它們。對於酸，pH值範圍為1-7，對於鹼，pH值範圍為7-14。根據pH值，酸和鹼根據其強度分為兩類。

強酸的pH值計算比較容易，因為它們會完全解離成相應的離子，而弱酸的pH值測定則比較困難。可以透過適當的方法來完成。為了測定弱酸的pH值，需要一個新的術語，即解離常數。透過使用公式$\mathrm{Ka\:=\:x^{2}\:/\:C\:and\:pH\:=\:-\log\:x}$，可以很容易地得到弱酸的pH值。

常見問題

1. 水的pH值是多少？

水是一種中性化合物，這意味著它既不是酸也不是鹼。中性化合物的pH值也不同，為7。因此，水的pH值為7，pH值的計算主要用於檢查水的純度。

2. 舉一些弱酸的例子？

一些弱酸的例子包括乙酸$\mathrm{(CH_{3}COOH)}$、甲酸$\mathrm{(HCOOH)}$、草酸$\mathrm{(C_{2}H_{2}O_{4})}$等。

3. 𝑯𝑪𝒍是弱酸嗎？

不是，HCl，氯化氫是強酸的例子。

4. 1M苯甲酸的pH值是多少？

1M苯甲酸的pH值為4.5。苯甲酸$\mathrm{(C_{6}H_{5}COOH)}$是弱酸的一個例子。

5. 舉一些弱鹼的例子？

弱鹼是指不完全解離成離子的化合物。氨$\mathrm{(NH_{3})}$、氫氧化鋅$\mathrm{(Zn(OH)_{2})}$、甲胺$\mathrm{(CH_{3}NH_{2})}$等都是弱鹼的例子。