弱碱

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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,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:

\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:

\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:

 K_a \times K_b = {[H_3O^+][NH_3]\over[NH_4^+]} \times {[NH_4^+][OH^-]\over[NH_3]} = [H_3O^+][OH^-]

由于{K_w} = [H_3O^+][OH^-],因此K_a \times K_b = K_w

等式两边同时取对数,得:

logK_a + logK_b = logK_w

最后等式两边同乘-1,结果为:

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:

\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 = 1.0x10−14,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[编辑]

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) + H_2O(l) \leftrightarrow HB^+(aq) + OH^-(aq),B表示碱
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[编辑]

计算0.20 mol/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 10−9

首先写出酸碱平衡反应式:

\mathrm{H_2O(l) + C_5H_5N(aq) \leftrightarrow C_5H_5NH^+ (aq) + OH^- (aq)}
K_b=\mathrm{[C_5H_5NH^+][OH^-]\over [C_5H_5N]}

浓度列表,单位为mol/L:

C5H5N C5H6N+ OH
初始浓度 0.20 0 0
浓度变化量 -x +x +x
平衡浓度 0.20 -x x x
将平衡浓度代入Kb计算式 K_b=\mathrm {1.8 \times 10^{-9}} = {x \times x \over 0.20-x}
假设x很小,可以忽略 \mathrm {1.8 \times 10^{-9}} \approx {x^2 \over 0.20}
解出x \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 \mathrm 1.9 \times 10^{-5} \ll 0.20;因此近似可行
由pOH = -log [OH],[OH]=x计算pOH \mathrm pOH \approx -log(1.9 \times 10^{-5}) = 4.7
由pH = pKw - pOH \mathrm pH \approx 14.00 - 4.7 = 9.3
由[HB+] = x,[B]initial = 0.20计算酸型的百分比 \mathrm percentage \ 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[编辑]

参见[编辑]

参考资料[编辑]

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

外部链接[编辑]