具有极性共价键的弱电解质(例如部分弱酸、弱碱)溶于水时,其分子可以微弱电离出离子;同时,溶液中的相应离子也可以结合成分子。一般地,自上述反应开始起,弱电解质分子电离出离子的速率不断降低,而离子重新结合成弱电解质分子的速率不断升高,当两者的反应速率相等时,溶液便达到了电离平衡。此时,溶液中电解质分子的浓度与离子的浓度分别处于稳定状态,不再发生变化。
用简单的语言概括电离平衡的定义,即:在一定条件下,弱电解质的离子化速率等于其分子化速率。
电离平衡是一种化学现象,通常发生在具有极性共价键的化合物溶于水中的情况。
弱电解质在一定条件下电离达到平衡时,(水)溶液中电离所生成的各种离子浓度以其在化学方程式中的计量数为幂的乘积,跟溶液中未电离分子的浓度以其在化学方程式中的计量数为幂的乘积的比值,即溶液中电离出来的各离子浓度乘积
要注意的是电离平衡常数只适用于弱电解质的计算,强电解质不适用*。
*注:但这并不是说强电解质没有电离平衡常数,由于物理作用等因素影响,强电解质也并非完全电离。只不过强电解质不使用电离平衡常数进行相关计算。强电解质可以用阴阳离子平均活度(由于单个离子活度无法确定,阴阳离子平均活度可以由实验测定 )来表示电离程度,参与计算。
压强平衡常数,代号Kp仅适用于气相平衡,以分压表示各成分的浓度也能用浓度表示平衡常数,代号Kc·列举个例子:
不同反应的平衡常数的量纲是不同的。和反应前后的气体系数有关。反应mA+nB(可逆号)xC+yD 的平衡常数量纲是pa^(x+y-m-n)
有GUI方式和命令流(APDL)两种方式,GUI操作就在Main Menu(主菜单)的preprocessor中,有一项:real constants,GUI方式比较直观。但需要在定义时指定单元类型等...
电离常数是电离平衡的平衡常数,描述了一定温度下,弱电解质的电离能力。
在上述反应过程中,弱电解质分子电离与离子结合成为分子,二者共同构成一组可逆反应。常以弱电解质分子电离出离子的反应方向为正反应方向,以离子重新结合成弱电解质分子的反应方向为逆反应方向。
与化学平衡一样,电离平衡是可以因为条件变化(如浓度、温度、酸碱性等)而移动的。
以下列表归纳了外界条件变化对电离平衡及c(H)的影响,这里假设弱电解质AB可以电离成A 和B-,且电离过程吸热,则
电离方程式 |
AB⇌A B- |
|
条件改变内容 |
v(正),v(逆)关系 |
平衡移动方向 |
增大c(AB) |
v(正)>v(逆) |
向右 |
减小c(AB) |
v(正)<v(逆) |
向左 |
增大c(A) |
v(正)<v(逆) |
向左 |
减小c(A) |
v(正)>v(逆) |
向右 |
增大c(B) |
v(正)<v(逆) |
向左 |
减小c(B) |
v(正)>v(逆) |
向右 |
稀释溶液 |
v(正)>v(逆) |
向右 |
升高温度 |
v(正)>v(逆) |
向右 |
降低温度 |
v(正)<v(逆) |
向左 |
为了便于理解,可以参考醋酸(CH3COOH)的电离平衡,将CH3COOH代入上表的AB,将H 代入A ,将CH3COO-代入B-。
另外,电离平衡也遵循勒夏特列原理。
弱电解质AxBy在水溶液中达到电离平衡时:
则,
式中
电离平衡常数的大小反映弱电解质的电离程度,不同温度时有不同的电离常数。
在同一温度下,同一电解质的电离平衡常数相同,但随着弱电解质浓度的降低,转化率会增大。由该温度下的解离度a=(K/起始浓度)的算术平方根,可得知:弱电解质浓度越低电离程度越大 。
弱电解质电离常数
条件是在室温下(25°C)。Ka表示弱酸的电离常数,Kb表示弱碱的电离常数,pKa(pKb)表示其负对数。
弱酸
名称 |
化学式 |
Ka |
pKa |
砷酸 |
H3AsO4 |
6.2×10-3(Ka1) 1.2×10-7(Ka2) 3.1×10-12(Ka3) |
2.21 6.93 11.51 |
亚砷酸 |
H3AsO3 |
5.1×10-10 |
9.29 |
硼酸 |
H3BO3 |
5.8×10-10 |
9.24 |
次溴酸 |
HBrO |
2.3×10-9 |
8.63 |
氢氰酸 |
HCN |
6.2×10-10 |
9.21 |
氰酸 |
HCNO |
3.3×10-4 |
3.48 |
碳酸 |
H2CO3 |
4.45×10-7(Ka1) 4.7×10-11(Ka2) |
6.352 |
次氯酸 |
HClO |
2.98×10-8 |
7.526 |
亚氯酸 |
HClO2 |
1.1×10-2 |
1.95 |
铬酸 |
H2CrO4 |
3.2×10-7(Ka2) |
6.50 |
氢氟酸 |
HF |
6.8×10-4 |
3.17 |
次碘酸 |
HIO |
2.3×10-11 |
10.64 |
碘酸 |
HIO3 |
0.49 |
0.31 |
亚硝酸 |
HNO2 |
7.1×10-4 |
3.15 |
过氧化氢 |
H2O2 |
2.2×10-12 |
11.65 |
次磷酸 |
H3PO2 |
5.9×10-2 |
1.23 |
磷酸 |
H3PO4 |
7.11×10-3(Ka1) 6.23×10-8(Ka2) 4.5×10-13(Ka3) |
2.18 7.199 12.35 |
焦磷酸 |
H4P2O7 |
0.20(Ka1) 6.5×10-3(Ka2) 1.6×10-7(Ka3) 2.6×10-10(Ka4) |
0.70 2.19 6.80 9.59 |
亚磷酸 |
H3PO3 |
3.7×10-2(Ka1) 2.9×10-7(Ka2) |
1.43 6.54 |
氢硫酸 |
H2S |
1.3×10-7(Ka1) 7.1×10-15(Ka2) |
6.88 14.15 |
硫酸 |
H2SO4 |
1.02×10-2(Ka2) |
1.99 |
亚硫酸 |
H2SO3 |
1.23×10-2(Ka1) 5.6×10-8(Ka2) |
1.91 7.18 |
硫氰酸 |
HSCN |
0.13 |
0.9 |
硫代硫酸 |
H2S2O3 |
0.25(Ka1) 1.9×10-2(Ka2) |
0.60 1.72 |
偏硅酸 |
H2SiO3 |
1.7×10-10(Ka1) 1.6×10-12(Ka2) |
9.77 11.8 |
甲酸 |
HCOOH |
1.80×10-4 |
3.745 |
草酸 |
HOOC-COOH |
5.60×10-2(Ka1) 5.42×10-5(Ka2) |
1.252 4.266 |
乙酸 |
CH3COOH |
1.75×10-5 |
4.757 |
丙酸 |
C2H5COOH |
1.34×10-5 |
4.874 |
乳酸(D-2-羟基丙酸) |
CH3CH(OH)COOH |
1.38×10-4 |
3.860 |
苯酚 |
C6H5OH |
1.0×10-10 |
9.98 |
苯甲酸 |
C6H5COOH |
6.28×10-5 |
4.202 |
水杨酸(2-羟基-苯甲酸) |
C7H6O3 |
1.0×10-3(COOH) 2.2×10-14(OH) |
2.98 13.66 |
邻苯二甲酸 |
C8H6O4 |
1.12×10-3(Ka1) 3.91×10-6(Ka2) |
2.950 5.408 |
柠檬酸(2-羟基-1,2,3-丙三羧酸) |
C6H8O7 |
7.44×10-4(Ka1) 1.73×10-5(Ka2) 4.02×10-7(Ka3) |
3.128 4.761 6.396 |
弱碱
名称 |
化学式 |
Kb |
pKb |
一水合氨 |
NH3·H2O |
1.8×10-5 |
4.74 |
联氨(肼) |
N2H4 |
3.0×10-6(Kb1) 7.6×10-15(Kb2) |
5.52 14.12 |
苯胺 |
C6H5NH2 |
4.2×10-10 |
9.38 |
羟胺 |
NH2OH |
9.1×10-9 |
8.04 |
甲胺 |
CH3NH2 |
4.2×10-4 |
3.38 |
乙胺 |
C2H5NH2 |
5.6×10-4 |
3.25 |
在溶液中,水的电离程度大小的比较,常常困扰着初学者,本文对水在酸溶液、碱溶液、强酸弱碱盐溶液及弱酸强碱盐溶液中电离程度进行了深刻的分析,并总结出水在不同环境中其电离程度的比较规律。
学生在学习人教版高中化学选修4《影响水的电离平衡因素》时,对于酸碱抑制水的电离、温度和易水解的盐促进水的电离熟记于心,而对于一类能与水发生反应的物质对水电离平衡的影响不甚清楚。大多教辅资料上面对上述问题也没有一个统一的看法,本文通过讨论高中阶段几种常见物质与水的反应,分析其微观机理。
弱电解质在一定条件下电离达到平衡时,溶液中电离所生成的各种离子浓度以其在化学方程式中的计量为幂的乘积,跟溶液中未电离分子的浓度以其在化学方程式中的计量为幂的乘积的比值,即溶液中的电离出来的各离子浓度乘积(c(A )*c(B ))与溶液中未电离的电解质分子浓度(c(AB))的比值是一个常数,叫做该弱电解质的电离平衡常数。这个常数叫电离平衡常数,简称电离常数。
要注意的是电离平衡常数只用于弱电解质的计算。强电解质不适用。
弱电解质AXBY水溶液中达到电离平衡时:
AxBy↔XA Y B-
则,K(电离)=[A ]x·[B-]Y/[AxBy]
式中[A ]、[B-]、[AB]分别表示A 、B-和AB在电离平衡时的物质的量浓度。
电离平衡常数的大小反映弱电解质的电离程度,不同温度时有不同的电离常数。但电离平衡常数不受浓度的影响。
在同一温度下,同一电解质的电离平衡常数相同,但随着弱电解质浓度的降低,转化率会增大.
推导:
AxBy↔XA Y B
原始浓度 c 0 0
浓度变化 cα cα cα
有K=(cα)^2/(c-cα)=cα^2(α<4%,c为电解质的浓度)
由K=cα^2可得知:弱电解质浓度越低电离程度越大。2100433B
电离辐射是一切能引起物质电离的辐射总称,其种类很多,高速带电粒子有α粒子、β粒子、质子,不带电粒子有种子以及X射线、γ射线。
α射线是一种带电粒子流,由于带电,它所到之处很容易引起电离。α射线有很强的电离本领,这种性质既可利用。也带来一定破坏处,对人体内组织破坏能力较大。由于其质量较大,穿透能力差,在空气中的射程只有及厘米,只要一张纸或健康的皮肤就能挡住。
β射线也是一种高速带电粒子,其电离本领比α射线小得多,但穿透本领比α射线大,但与X、γ射线比β射线的射程短,很容易被铝箔、有机玻璃等材料吸收。
X射线和γ射线的性质大致相同,是不带电波长短的电磁波,因此把他们统称为光子。两者的穿透力较强,要特别注意意外照射防护。
电离辐射存在于自然界,但人工辐射已遍及各个领域,专门从事生产、使用及研究电离辐射工作的,称为放射工作人员。与放射有关的职业有:
核工业系统的和原料勘探、开采、冶炼与精加工,核燃料及反应堆的生产、使用及研究;农业的照射培育新品种,蔬菜水果保险,粮食贮存;医药的X射线透视、照相诊断、放射性核素对人体脏器测定,对肿瘤的照射治疗等;工业部门的各种加速器、射线发生器及电子显微镜、电子速焊机、彩电显像管、高压电子管等。
电离有两种,一种是化学上的电离,另一种是物理上的电离。电离通常包含物理过程和化学过程,物理过程就是溶解,化学过程不是化学变化。化学变化除了旧键的断裂还要有新键的生成,所以电离不是化学变化。而化学过程指的是在溶剂 分子(如水分子)作用下,电解质中原有的一部分化学键断裂。有的电离过程断裂的化学键是离子键,如氯化钠等大多数盐类的电离,氢氧化钠等大多数碱的电离。也有的电离过程断裂的是共价键,如硫酸的电离,氯化氢的电离等等。
化学上的电离是指电解质在一定条件下(例如溶于某些溶剂、加热熔化等),电离成可自由移动的离子的过程。在电离前可能是不含有离子(例如氯化氢),也可能是尽管有离子,但是里面的离子不能自由移动(例如氯化钠固体)。电离时生成的阳离子全部是氢离子(H),它的化合物叫做酸,在水溶液中电离而生出的阴离子全部是氢氧根离子(OH)的化合物叫做碱。如果我们的思维突破以水为介质,问题类似的转移,比如在液氨为溶剂的情况下,如果溶质电离产生阳离子的物质就是酸,电离产生阴离子的物质就是碱了,下面就总结一下经常遇到也是很少遇到一些溶剂本身自偶电离产生的阴阳离子,便于我们做一些判断,或者提高我们的思维的深度和广度:
H2O→H + OH
2NH3→NH4 + NH2
2SO2→SO+ SO3
物理上的电离是指不带电的粒子在高压电弧或者高能射线等的作用下,变成了带电的粒子的过程。例如地球的大气层中的电离层里的粒子就属于这种情况。电离层中的粒子在宇宙中的高能射线的作用下,电离成了带电的粒子。物理电离的方式有高温、电场与高能辐射。