弱酸的pH值计算

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简介

酸性和碱性化合物一直是科学家们感兴趣的话题。使用石蕊试纸进行的颜色变化实验常用于识别酸和碱的强度。但它不能提供关于化学化合物酸度和碱度的准确数据。

准确识别化学化合物的酸度非常必要。1909年，化学家Søren Sørensen根据当时流行的旧理论提出了pH的概念。他还引入了pH值标度，这是对当时某些理论的突破。氢离子浓度的负对数决定了某些化合物的酸度。

pH值到底是什么？

pH值指的是氢离子浓度的负对数，它用来衡量化学物质的酸度和碱度。pH值被用来衡量物质的酸碱性。通过pH值，我们可以很容易地将化学化合物分为两类。pH值的范围代表着化学化合物。当化学化合物的pH值在7-14范围内时，该化合物为碱性。而当pH值在0-7范围内时，它为酸性。

根据pH值，酸和碱也分为强酸或强碱以及弱酸或弱碱。酸度较低的酸是弱酸，其pH值接近7。而pH值在1-4范围内的酸是强酸。同样，pH值接近7的碱是弱碱，而pH值接近14的碱是强碱。

弱酸的pH值计算

与强酸相比，弱酸的pH值计算稍微复杂一些。我们知道强酸完全解离成相应的氢离子，但弱酸不会完全解离。pH值的计算可以通过以下公式进行：

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

Ka值由以下公式确定：

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

其中，

$\mathrm{[H^{+}]\:=\:氢离子浓度}$

$$\mathrm{[B^{-}]\:=\:共轭碱的浓度}$$

$$\mathrm{[HB]\:=\:未解离分子的浓度.}$$

计算弱酸的pH值，以苯甲酸的解离为例

当苯甲酸溶解在水中时，会解离成：

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

通过代入每一项的相应浓度，我们可以计算出Ka值。我们知道，

$\mathrm{[H^{+}]\:=\:[C_{6}H_{5}COO^{-}]}$，这是因为氢离子的解离会导致$\mathrm{C_{6}H_{5}COO^{-}}$的形成

现在将氢离子浓度[𝐻+]替换为x

解离前的浓度为C。将所有这些值代入用于计算Ka的公式。

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

也就是说，

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

现在，

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

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

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

对上述方程进行重新排列，得到二次方程

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

可以使用以下公式求解：

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

也就是说，

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

因此，将得到两个方程，从中可以很容易地计算出氢离子的浓度。然后将其代入计算pH值的通用公式，即可计算出弱酸的pH值：

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

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

因此得到pH值。

酸和相关成分

酸是含有质子的化合物。因此，酸的成分是氢离子，𝐻+。所以酸是𝐻+离子供体。含有𝐻+离子的化学化合物都是酸。这是根据布朗斯台德-劳里理论。根据路易斯酸碱理论，酸是接受其他化学化合物电子对的化学化合物。羧酸和酚类是有机酸的例子，因为它们含有烃。

牛奶中存在的酸，乳酸是有机酸的一个例子。脂肪酸是我们体内脂肪的构成单元，一种羧酸。所有酸性物质都尝起来是酸的。无机酸是无机酸，例如硫酸和硝酸。除此之外，还有一些非水酸。三氧化硫和三氟化硼属于此类。许多成分都是由酸组成的。

如何计算弱酸的pH值？

对于弱酸，需要计算解离常数。这可以通过以下公式获得：

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

如果知道C和Ka的值，就可以很容易地得到x。

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

然后将其代入pH值方程：

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

从而计算出弱酸的pH值。

结论

化学化合物分为酸和碱。酸和碱具有特定的pH值用于区分它们。对于酸，pH值范围为1-7，对于碱，pH值范围为7-14。根据pH值，酸和碱根据其强度分为两类。

强酸的pH值计算比较容易，因为它们会完全解离成相应的离子，而弱酸的pH值测定则比较困难。可以通过适当的方法来完成。为了测定弱酸的pH值，需要一个新的术语，即解离常数。通过使用公式$\mathrm{Ka\:=\:x^{2}\:/\:C\:and\:pH\:=\:-\log\:x}$，可以很容易地得到弱酸的pH值。

常见问题

1. 水的pH值是多少？

水是一种中性化合物，这意味着它既不是酸也不是碱。中性化合物的pH值也不同，为7。因此，水的pH值为7，pH值的计算主要用于检查水的纯度。

2. 举一些弱酸的例子？

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是弱酸吗？

不是，HCl，氯化氢是强酸的例子。

4. 1M苯甲酸的pH值是多少？

1M苯甲酸的pH值为4.5。苯甲酸$\mathrm{(C_{6}H_{5}COOH)}$是弱酸的一个例子。

5. 举一些弱碱的例子？

弱碱是指不完全解离成离子的化合物。氨$\mathrm{(NH_{3})}$、氢氧化锌$\mathrm{(Zn(OH)_{2})}$、甲胺$\mathrm{(CH_{3}NH_{2})}$等都是弱碱的例子。