水 是酸 也是鹼

化學原理啟迪164

1.     一個物質的行為既是「酸」也是「鹼」，就是具有「兩性amphoteric」的特質。水是最常見的「兩性物質amphoteric substance」。

2.     我們可以從水的「自解離autoionization」看到它的兩性特質，水自解離的時候，「質子」會從一個「水分子」轉移到另一個「水分子」，製造出「氫氧根離子OH^－」和「鋞離子H3O⁺」：

3.     在這個反應中，其中一個水分子的行為是提供質子，另一個水分子是接受質子。這個反應也可以用下列的方式呈現：

4.     其他種類的溶液也會發生自解離。舉例來說，氨水的自解離反應是

5.     水的自解離反應

 2H2O(l)←→H3O⁺(aq)+OH^－(aq)

6.     得到以下的平衡方程式

Kw=[H3O⁺][OH^－]=[H^＋][OH^－]

在這裡Kw稱為離子積常數（或dissociation constant游離常數），Kw專指水的自解離。

7.     實驗顯示在25℃的溫度下，水的自解離：

[H⁺]＝[OH^－]＝1.0×10^－7 M

8.     意思是在25℃時

Kw＝[H⁺] [OH^－] ＝（1.0×10^－7 mol/L）（1.0×10^－7 mol/L）＝1.0×10^－14 mol²/L²通常我們會省略單位。

9.     任何的水溶液只要在25℃，不論溶液裡面含有什麼物質，它裡面[H⁺]和[OH^－]乘積的數值一定等於1.0×10^－14。這分為三種情況：

1.     中性溶液，其中[H⁺]＝[OH^－]

2.     酸性溶液，其中[H⁺]＞[OH^－]

3.     鹼性溶液，其中[H⁺]＜[OH^－]

10. 無論上述任何情況，只要是在25℃

Kw＝[H⁺][OH^－]＝1.0×10^－14

【例題7.2】在60℃的時候，「離子積常數Kw」是1×10^－13

a.      利用勒沙特列原理，預測這個反應是「散熱」還是「吸熱」：

2H2O←→H3O⁺(aq) + OH^－(aq)

b.     計算一個中性溶液在60℃的時候，[H⁺]和[OH^－]的濃度。

【解題】

a.      離子積常數Kw在25℃是1×10^－14 ，到60℃增加為1×10^－13。

水自解離的平衡方程式：2H2O←→H3O⁺(aq) + OH^－(aq)

在25℃下  Kw=[ H3O⁺][OH^－]=1×10^－14

在60℃下  Kw=[ H3O⁺][OH^－]＝1×10^－13

60℃的「離子積常數Kw」較大，代表水「自解離」出來的「水合離子H3O⁺」和「氫氧根離子OH^－」產物數量變多，整個反應往右移動。

依據勒沙特列原理，如果一個平衡狀態的系統增加一個「改變的力量」，平衡位置就會朝向抵銷「改變力量」的方向移動。

所以往右移動的反應是為了抵銷左邊多增加的反應物，但是左邊的物質只有「水」，到底多增加了什麼反應物呢？

多增加的反應物就是「熱能」。因為Kw值是隨著溫度上升，所以我們把熱能看成是反應物，整個過程應該是「吸熱」。

在60℃下  2H2O +熱能 →H3O⁺(aq) + OH^－(aq)

b.     60℃的時候，一個中性溶液的「離子積常數Kw」是1×10^－13，中性溶液的 [H⁺]濃度等於[OH^－]濃度

[H⁺]＝[OH^－]＝√1×10^－13＝3×10^－7M

注：√1×10^－13的計算方法

√N×10^－n＝(N×10ⁿ)^1/2＝√N×10^n/2

所以

√1×10^－13＝（1×10^－13）^1/2＝√1×10^－13＝

(1×10)^1/2 × 10^－14/2＝3.1+…×10^－7≒3×10^－7M

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