單質子酸monoprotic acids

化學原理啟迪163

表7.2 常見的單質子酸的Ka值

公式	名稱	Ka值
HSO4－	硫酸氫根離子	1.2×10－2
HClO2	亞氯酸	1.2×10－2
HC2H2ClO2	單氯醋酸	1.35×10－3
HF	氫氟酸	7.2×10－4
HNO2	亞硝酸	4.0×10－4
HC2H3O2	醋酸	1.8×10－5
[Al(H2O)6]3+	水基鋁離子(Ⅲ)	1.4×10－5
HOCl	次氯酸	3.5×10－8
HCN	氫氰酸	6.2×10－10
NH4+	銨離子	5.6×10－10
HOC6H5	酚	1.6×10－10

上表是「單質子酸monoprotic acids」和它們的平衡常數Ka值。（酸性強度由下而上增強）特別留意表中沒有列舉出強酸。

1.      像HCl這樣的強酸分子被放到水中，解離的平衡位置會如何呢？

HCl(aq)←→H⁺(aq)+Cl^－(aq)

2.      由於平衡位置大幅地移往右邊，所以，原本HCl的濃度幾乎測不出來。這種情況讓我們幾乎無法精確地計算出Ka值；Ka=[H⁺][Cl^－]/[HCl] 分母[HCl]數值非常小而且不確定。

3.      【例題7.1】利用單質子酸的酸性強度表，判斷這些鹼的強度，並根據鹼性強度來排列：H2O、F^－、Cl^－、NO2和CN^－。

4.      【解題】還記得前面的課文說，「水」的鹼性，跟「強酸的共軛鹼」相比是更強的鹼，但是跟「弱酸的共軛鹼」相比是更弱的鹼。這個規則可達到下列的順序：

Cl^－＜H2O＜弱酸的共軛鹼

弱鹼——→強鹼

5.      其餘共軛鹼的鹼性強度大小，依據一個原則：酸的強度與它共軛鹼的強度相反（酸的強度愈強，共軛鹼的鹼性愈弱，酸的強度愈弱，共軛鹼的鹼性愈強）。依照表的順序

HF的Ka＞HNO2的Ka＞HCN的Ka

6.      所以，這些酸的共軛鹼，鹼性強度順序應該是

F^－＜NO2^－＜CN^－

7.      把以上判斷出來的順序整合起來，得到鹼性強弱順序

Cl^－＜H2O＜F^－＜NO2^－＜CN^－

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》

 

徐弘毅：

1.      「單質子酸monoprotic acids」的平衡常數Ka值愈大，代表單質子酸愈容易吐出的質子，解離後的「質子濃度」與「共軛鹼濃度」愈高，酸性較強。

2.      但是，「氯化氫HCl」的情況特殊，「HCl」是強酸，溶解於水中幾乎完全解離，造成原本「HCl」的濃度幾乎測不出來，造成Ka值趨近於「零」。

3.      雖然「HCl」的數值小到幾乎測不出來，但是它的酸性比「硫酸氫根離子HSO1－」、「亞氯酸HClO2」、「單氯醋酸HC2H2ClO2」等等更酸。

4.      「氯化氫HCl」的「共軛鹼Cl^－」和「水H2O」，誰的鹼性比較強？「氯化氫HCl」溶於水幾乎完全解離，解離之後的「共軛鹼Cl^－」完全沒有能力跟「水」爭奪「質子H⁺」，顯示「水」的鹼性比較強。

5.      為什麼酸的強度愈強，共軛鹼的鹼性愈弱，酸的強度愈弱，共軛鹼的鹼性愈強？

6.      「酸acid」的強度愈強，代表它愈有能力解離出「質子H⁺」，「質子H⁺」被扮演鹼性角色的「水H2O」奪走得愈多，「共軛鹼」從「水H3O⁺」搶回「質子H⁺」的能力愈弱。

7.      「氟離子F^－」、「亞硝酸根離子NO2^－」、「氰根離子CN^－」誰的鹼性比較強？

8.      「氫氟酸HF」的平衡常數Ka值是7.2×10^－4，數值最大，酸性最強；「亞硝酸HNO2」的平衡常數ka是4.0×10^－4，數值居中，酸性居中；「氫氰酸HCN」的平衡常數Ka是6.2×10^－10，數值最小，酸性最小。

9.      所以，「氫氟酸HF」的共軛鹼「氟離子F^－」鹼性最弱，「亞硝酸HNO2」的共軛鹼「亞硝酸根離子NO2^－」鹼性稍強，「氫氰酸HCN」的共軛鹼「氰根離子CN^－」鹼性最強。

10.  由於這些「酸」都沒有完全解離，代表它們的「共軛鹼」都有相當的能力從「水」手中搶回「質子」，所以，這些「共軛鹼」的鹼性都比「水」強。

11.  所以，鹼性由弱而強的順序是，Cl^－＜H2O＜F^－＜NO2^－＜CN^－。