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介绍一张教学用的弱酸（碱）电离常数数据表

2013-11-10 13:04阅读：

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介绍一张教学用的弱酸（碱）电离常数数据表
化学工作者在分析和讨论一些化学问题时，有时必须要顾及到弱酸或弱碱电离常数的数值是多少，而需要查阅相关的“弱酸弱碱电离常数表”。
在一般化学手册的这类表中，罗列出的酸碱种类都比较多。为查阅方便，都从囊括酸的体系大小及类别多少出发，而各自设定一个排序原则。如，按成酸原子的英文字母顺序排列，有的还按酸的种类分成一元酸、二元酸、更多元酸、水合离子等。在有的化学教材中，也简单沿用上述原则，按一元酸、多元酸分别设表，将酸及其电离常数按成酸原子的英文字母顺序排列开来[1][2] [3]。
在由些化学教材中，则在照顾到酸碱共轭的前提下，将这张表按弱酸碱强度的大小来排列（形式如下表、中间略去了一部分）。本文也只针对这种按弱酸碱强度大小排列出来的表，来进行分析和讨论[4]。
介绍一张教学用的弱酸（碱）电离常数数据表

一、用按弱酸（碱）强度排列出的电离常数表查找数据时的不足
一般人都认为，这张表的唯一优点在于，它能够将酸
碱强度的大小一目了然地表示出来，使初学者对一些弱酸碱的强度大小顺序有一个大概地了解。
但缺点更明显。因为用它来查找某酸（碱）及电离常数数据时，并不方便。只有那些已掌握有较多酸碱强度相对大小概念的化学工作者，才能用上下数据比较的方法，从表中较快地找到目标酸碱及其数据。而对化学知识不多的学生来说，则要耐着性子、从上到下、逐个地查下去，直到找到所需的物种为止。可以想见，难免有学生查完后会感叹一番，幸亏要找的数据就在这个表内，幸亏这个表不是很长。
对于比较酸碱强度大小的问题，用该表并无任何优势可言。因为解决问题的难点不在哪个酸的位置更直观地是在上面还是下面，而是要先找出这两个目标酸碱。如果找到了目标酸碱，其电离常数的数值大小也直接反映出了酸碱性的强弱。所以解题的速度完全取决于找到目标酸碱的速度。无疑，用字母顺序来找目标酸碱的速度是会更快一些的。
另一缺点是在该表中重复的信息很多。对每一个共轭酸碱对来说，有一个电离常数的数据就够了。但在这张表中，这一个数据却变成了四个。不但繁琐，还容易有不吻合的问题。如，该表的第一行HIO3的pKa=0.77 ，而IO3-的pKb=13.29，就有明显的矛盾（两者之和为14.06），会使多数学生不解、教师也很为难。
再者，如果想用这么多的数据来说明Ka和Kb、及pKa和pKb的并不复杂的关系，总是有一点画蛇添足的感觉。
二、一张教学用的弱酸（碱）电离常数表
其实，这种按弱酸（碱）强度排列出的电离常数表并不是用来查找相关数据的。这种电离常数的排列方式本身，就可以容纳许多化学信息。一名化学工作者要能能从这种表中感悟并讲出其化学味道才好。
当然，表的大小、涉及的酸碱种类的多少，是随着要用来讨论问题的范围而定的。为了既简明、又能说明一些常见化学现象，有必要对酸碱种类先进行一番筛选。在一般的中学化学和无机化学教学中，有如下的酸碱物种范围就够了（见下表） 介绍一张教学用的弱酸（碱）电离常数数据表
首先要说明，这张表分为左右两部分，是为了不使这张表拉的太长。表的右半部分实际是接在左半部下面的。从pKa数值的衔接关系不难看出这一点。
每半部分中的一个横行，代表了一个共轭酸碱对。共轭酸在左（前），共轭碱在右（后），中间夹的是共轭酸的pKa值。
该表的数值之所以用pKa的形式给出的，是为使数值比较醒目。但由于pKa是Ka的负对数，所以对pKa的概念要比较熟悉。pKa值越小意味着Ka值较大。这样，无论在表的左半部分、还是在右半部分，对共轭酸的纵列来说，都是从下到上酸的电离常数逐渐变大，酸性依次增强。左上角的酸是这些酸中的最强酸。
对一个共轭酸碱对的两物种，表中只给出了一个酸的pKa，而没有给出共轭碱的pKb值。当需要某共轭碱的准确pKb值时，要用关系式“pKa + pKb = 14”来进行换算。当只进行定性的分析时，要清楚，酸的pKa值较大时，其共轭碱的pKb值必然相对会较小；反之，当酸的Ka值较小时，其共轭碱的Kb值必然较大。这样，对共轭碱的纵列来说，都是从上到下碱的电离常数逐渐变大，碱性增强。
三、教学用弱酸（碱）电离常数表的用途
由于在该表中pKa及pKb的值有规律性变化，所以该表可以直观地帮助我们解决许多化学问题，在教学中是很有用的。
（一）、同浓度弱酸（碱）溶液酸度的比较
在一般情况下，对同浓度的酸溶液来说，其[H+]2∝Ka。这样，就可以根据一些酸的Ka在表中位置的高低，直接作出溶液酸性强弱的判断。
在表中不难读出几个如下的酸性降低的序列：
H2SO3＞NaHSO4＞H3PO4。
Fe(H2O)3+＞HF＞HAc。
Al(H2O)3+＞H2CO3＞H2S 。
Cu(H2O)2+＞NH4+＞HCN。
这些例子说明：作为典型中强酸的H2SO3和H3PO4，有相当强的酸性；作为有机酸的HAc，其酸性要强于表中的许多无机酸；有一些水合金属离子（尤其是+3价的离子），其酸性也是很强的。
碱性降低的序列有：
Na2S＞Na3PO4＞Na2CO3＞NaCN＞NH3＞NaHCO3＞Na Ac。
应注意，Na2CO3溶液碱性强于NaHCO3的原因，不应该用后者还能进行二级解离（NaHCO3还能电离出H+）来解释。根本的原因在于Na2CO3的 介绍一张教学用的弱酸（碱）电离常数数据表， NaHCO3的 介绍一张教学用的弱酸（碱）电离常数数据表。而作为多元含氧酸，总有其Ka1 》Ka2，所以Kb1》Kb2，这样Na2CO3的碱性要远强于NaHCO3。
对碱性序列的Na3PO4＞Na2CO3＞NaCN，尽管它们的Kb分别是 介绍一张教学用的弱酸（碱）电离常数数据表、 介绍一张教学用的弱酸（碱）电离常数数据表及 介绍一张教学用的弱酸（碱）电离常数数据表。但不能定性的用Ka1 》Ka2》Ka3来解释。因为Ka1 》Ka2》Ka3是对同一多元酸而言的。对不同的多元酸则不一定有上述关系。如，不难从上表看出，Na2S溶液的碱性就要强于Na3PO4的碱性（因为H2S的Ka2就小于了H3PO4的Ka3）。
对序列的碱性Na3PO4＞Na2CO3＞NaCN，还是应该定量地计算为：
PO43-的pKb = 14- 12.67 =1.33、
CO32-的pKb = 14- 10.25 =3.75、
CN-的pKb = 14- 9.31 = 4.69，
由这些数据可得出PO43-的碱性最强、CN-的碱性最弱的结论。这才是科学、严格的解释方法。
（二）、酸碱反应方向与反应产物的判断的依据
酸碱反应的本质为 介绍一张教学用的弱酸（碱）电离常数数据表。而该反应的平衡常数 介绍一张教学用的弱酸（碱）电离常数数据表。
从共轭酸碱对1的 介绍一张教学用的弱酸（碱）电离常数数据表、共轭酸碱对2的 介绍一张教学用的弱酸（碱）电离常数数据表（这里符号Ka2中的数字“2”表示的是第二个共轭酸碱对，而不是酸第二级解离），可导出反应的 介绍一张教学用的弱酸（碱）电离常数数据表。也就是说，只要第一个共轭酸碱对的电离常数大于第二个共轭酸碱对的电离常数，就保证有反应的平衡常数要大于1。且第一个共轭酸碱对的电离常数比第二个共轭酸碱对的电离常数大的越多，反应进行的越完全。
这样，与按电势高低排列标准电极电势表的使用方法一样，可以断言，在教学用弱酸（碱）电离常数表中，左上角的酸与其右下角的碱能自发地发生反应，且Ka相互间的差值越大反应进行的越完全。
对酸碱反应来说，反应产物也是十分简单的，就是所涉及酸碱对的另一共轭物种。在教学用弱酸（碱）电离常数表中可表述为，呈现一个“ 介绍一张教学用的弱酸（碱）电离常数数据表字”或“Z字”。即，如果将反应物酸与碱用一条直线链接起来，从这条直线的两端，分别沿水平方向找与其共轭的酸及碱，这两个酸和碱就是反应的产物。
酸碱反应都是并不复杂的A + B = G + H型反应，或2A = G + H型及A + B = 2G型的反应。这种简单反应的平衡常数、反应类型及转化率间的关系是已知的。即，在酸碱均不过量的情况下，两共轭酸碱对的Ka1与Ka2之比：
为1时（理论上的两Ka相等的情况）反应的转化率为50%；
为100时（即pKa1与pKa2相差2）反应的转化率为90%；
为10000时（即pKa2 - pKa1 = 4），转化率为99%。一般认为，达到这样的程度，就可以认为反应是完全的了[5]。
可以认为反应的图形为“ 介绍一张教学用的弱酸（碱）电离常数数据表字”时，反应是可以进行的。
当然要辩证地看，Ka1与Ka2之比如果小于1（图形为“Z字”），反应也不是完全不能进行。如比值为10-4时，转化率仅为1%，反应掉的部分很小（在某些情况下，连这很小一部分的反应也是不能忽略的）。
可见，在教学用弱酸（碱）电离常数表中清楚地标出了Ka值，反应能否进行？反应的限度如何 ？都是一目了然的。
（三）、一些多元酸碱间反应的讨论
多元酸碱间的反应常有多种可能的反应结果。用教学用弱酸（碱）电离常数表可以清楚地分析出多元酸碱间有哪些个是化学热力学允许的反应情况。
如，酸H2S可以与其右下的碱CO32-反应（右半个表接在左表下，两者的pKa相差了7），而被Na2CO3吸收。反应可表述为
H2S + Na2CO3 = NaHS + NaHCO3……（1）
由于只是部分质子发生了转移，于是有人会考虑，两种反应物有一种过量的情况。针对H2S或+Na2CO3过量，分别还可得到反应
H2S + 2Na2CO3 = Na2S + 2NaHCO3……（2）
及2H2S + Na2CO3 =2 NaHS + H2CO3……（3）
但，这两个反应无论如何也是不会发生的。这不是一个谁过不过量的问题，而是一个争夺质子的能力够不够强的化学热力学问题。
对反应（2）来说，可以看做是在反应（1）的基础上， Na2CO3过量，让它把NaHS中仅剩的一个质子也抢出来。但Na2CO3是没有这个能力的。从教学用弱酸（碱）电离常数表可看到，作为碱Na2CO3还在酸NaHS的上方（CO32-的碱性还不如S2-强），反应图形是一个“Z字”（ pKa之差还达 -4.5），这都说明反应（2）不可能进行。
对反应（3）来说，可以看做是在反应（1）的基础上，H2S过量，让它向HCO3-继续提供一个质子，即让酸H2S与在其上面的碱HCO3-发生反应。反应图形也是一个“Z字”，也不可能进行。
从如上的讨论中不难看出，用这个表来分析某些问题，是不如用酸碱支配区图方便的。原因在于酸碱支配区图是将教学用弱酸（碱）电离常数表进行了再加工。使解决问题的要点更为突出。
酸碱支配区图与教学用弱酸（碱）电离常数表间难道有某种关系吗？其实，只要把教学用弱酸（碱）电离常数表中的数字列逆时针转一些，就可以得到一个有很多横行的酸碱支配区图（如下图）。
介绍一张教学用的弱酸（碱）电离常数数据表
其中每一横行中间的竖线为支配区的分界线。分界线旁的数字为标志点的pKa值。分界线的左面为酸的支配区，其右面为碱的支配区。
针对上面的H2S 与Na2CO3的反应，可以将上图中的3、5、7、9行提取出来，把相同的支配区合并。就可以得到如下的酸碱支配区工作图。
介绍一张教学用的弱酸（碱）电离常数数据表 从这一图中更可以直观地看出H2S 与Na2CO3的反应，只能生成NaHS与NaHCO3。不可能还有其它结果。
关于酸碱支配区图在化学教学中应用的研究已有文章发表，在这里就不再介绍[6] 。
参考文献
[1] 化学数据手册. [英]J·G·斯塔克、H·G·华莱士著.杨厚昌译.石油工业出版社.1980
[2] SI化学数据表. [澳] G·H·艾尔沃德.T·J·V·芬得利编.周宁怀译.高等教育出版社.1985
[3] 无机化学（第二版）武汉大学等校编.高等教育出版社.1983
[4] 无机化学（第三版）北京师范大学等校编.高等教育出版社.1992
[5] 伍伟夫的化学原理补正. 溶液中化学平衡常数与转化率的关系..新浪博客
[6]伍伟夫. 酸碱支配区图在化学教学中的应用. 化学教育. 2008年第8期

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