化學原理啟迪172
1. 有些重要的酸，例如硫酸H2SO4和磷酸H3PO4，每個分子能吐出超過一個以上的質子，稱為多質子酸polyprotic acids。
2. 一個多質子酸的解離通常以多步驟的方式進行，每一次解離一個質子。
3. 【碳酸Carbonic Acid】雙質子碳酸 diprotic carbonic acid（H2CO3），對維持人類血液pH值穩定十分重要，碳酸的解離步驟如下：
H2CO3(aq) ←→H+(aq) + HCO3－(aq)
Ka1=[H+] [HCO3－]／[H2CO3]=4.3×10－7
HCO3－(aq)←→H+(aq) + CO32－(aq)
Ka2＝[H+][CO32－]／[HCO3－]＝4.8×10－11
4. 解離達成平衡的Ka值，分別是第一次解離的Ka1和第二次解離的Ka2。特別留意第一次解離達成平衡產生的共軛鹼HCO3－，變成第二次解離的酸。
5. 「二氧化碳」氣體溶解於「水」中形成「碳酸」。「碳酸」第一次解離反應，應該寫成下面的方程式：
CO2(aq) + H2O(l)←→H+(aq) + HCO3－(aq)
6. 因為溶液中只有非常稀少的H2CO3，所以我們寫成離子H+和HCO3－。但是因為把溶解在水中的CO2看成H2CO3，才能夠用熟悉的弱酸解離反應來解釋；因此在離子方程式中，我們把溶解在水中的CO2看成H2CO3。
7. 碳酸溶液內的三種化合物H2CO3(CO2，H2O)，HCO3－，CO32－各自的份量取決於溶液的pH值。每一種pH值帶來的化合物比例不同，這些化合物的分率（比例）可從游離平衡常數（酸的解離平衡常數）計算出來。
8. 【例題】計算pH 9.00時，H2CO3、HCO3－和CO32－的分率。
9. 【解題】溶液中每種化合物的分率，是各個化合物的濃度除以三種化合物的總濃度。舉例來說，HCO3－的分率：
Fraction HCO3－＝[HCO3－]／﹛[H2CO3]+[HCO3－]+[CO32－]﹜＝fHCO3－
10. 分母跟分子都除以[HCO3－]，得到
fHCO3－＝1／﹛[H2CO3]／[HCO3－]+1+[CO32－] ／[HCO3－]﹜
11. 我們可利用Ka1的數值計算出[H2CO3]／[HCO3－]的比例：
Ka1＝[H+][HCO3－]／[H2CO3]
或 [H2CO3][HCO3－]＝[H+]／Ka1
12. 因為Ka1＝4.3×10－7並且pH＝9.00（[H+]＝1.00×10－9），
[H2CO3] ／[HCO3－]＝1.00×10－9／4.3×10－7＝2.3×10－3
13. 我們可用Ka2來計算[CO32－] ／[HCO3－]的分率：
Ka2＝[H+][CO32－]／[HCO3－]＝4.8×10－11
因此
[CO32－]／[HCO3－]＝Ka2／[H+]＝4.8×10－11／1.00×10－9＝4.8×10－2
14. 現在我們可以計算[HCO3－]的分率：
fHCO3－＝1÷﹛[H2CO3]／[HCO3－]+1+[CO32－] ／[HCO3－]﹜
＝1÷﹛2.3×10－3+1+4.8×10－2﹜
＝1／1.05＝0.95
15. 當pH＝9時，含有碳酸的溶液中有95%的碳酸氫根離子HCO3－。
n 翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》
徐弘毅：
1. 每個化學反應都有固定的平衡常數。平衡，是一個化學系統中的所有物質追求的最穩定狀態。
2. 碳酸，在溶液中可連續游離二次，分二個步驟吐出質子，因此稱為雙質子酸，這是它的固定性質。
3. 但是「碳酸」每一次游離到底會吐出多少質子H+、碳酸氫根HCO3－、碳酸根離子CO32－？比例如何？這要看碳酸分子系統與外在環境（溶液中的物質）的關係，也就是要看各種化學反應彼此的競爭結果。
4. 「碳酸」的第一次游離方程式是：
H2CO3(aq) ←→H+(aq) + HCO3－(aq)
5. 第一種解釋角度 碰撞理論：(1).如果溶液的酸性強，代表溶液的「質子」很多、濃度高，那麼「碳酸氫根離子HCO3－」的就有很多機會跟「質子」碰撞結合，逆反應成「碳酸H2CO3」，「碳酸氫根離子HCO3－」的濃度就會比較低。
6. (2).如果溶液的酸性弱，代表溶液的「質子」很少、濃度低，「碳酸H2CO3」（實際上是CO2是和H2O）就容易在碰撞下解離，「碳酸氫根離子HCO3－」的濃度就會比較高。
7. 第二種解釋的角度，從以下的反應方程式可看出，有二種酸「H2O」和「H+」同時競爭鹼「HCO3－」：
CO2(aq) + H2O(l)←→H+(aq) + HCO3－(aq)
鹼 酸 共軛酸 共軛鹼
8. 如果「H+」濃度比較高、總體碰撞能量較「H2O」強，「H+」就會競爭到鹼「HCO3－」，減少鹼「HCO3－」的濃度。
9. 如果「H+」濃度比較低、總碰撞能量較「H2O」弱，「H+」就比較無法競爭到「HCO3－」，只能放任大量的「HCO3－」存在於溶液中。
10. 第三種解釋角度，依據勒沙特列原理，一個平衡系統，如果增加一個改變的因素，反應就會朝向抵銷這個改變力量的方向移動。
11. 一個「CO2」溶解於「水」的反應，H+濃度比較高的情形，可看成是平衡系統增加H+，為了抵銷這股力量，反應將朝左側移動，減少「HCO3－」的濃度；
12. 相反地，H+濃度比較低的情形，可看成是移走H+，為了抵銷這股力量，反應將朝右移動，增加「HCO3－」的濃度。
13. 第四種解釋角度，「周遭」與「系統」的拉扯力量。
14. 一個「碳酸」解離反應系統的整體力量，就是平衡常數Ka1。Ka1是依據質量反應定律，把「產物濃度乘積」÷「反應物濃度」的結果。
15. 濃度愈高的物質，碰撞力量愈大，濃度愈低的物質，碰撞力量愈小，因此平衡常數Ka1是利用濃度間接地反映，一個化學系統的正、逆反應的整體力量，在這裡就是「碳酸」系統對外游離的力量。
16. 當我們用各種溶液的酸鹼值來影響「碳酸」的解離度時，就是把「質子H+」當成操控「碳酸分子系統」的工具，因此，「H+質子」應該視為分子系統外的周遭物質，質子的濃度[H+]是「周遭」推擠分子系統的力量。。
17. [H+]／Ka1 翻譯成白話文是「周遭質子的力量」：「系統內碳酸分子的力量」。
18. 在一個單純無雜質的系統中，「質子」的唯一來源是「水」與「二氧化碳CO2」，所以「周遭質子的力量」來源是「水」與「二氧化碳CO2」，用[H2CO3]代表。
19. 「系統內碳酸分子的力量」大小，可從它到底能解離出多少「碳酸氫根離子HCO3－」來看，所以「系統內碳酸分子的力量」可用[HCO3－]代表。
20. 因此 [H2CO3] ／[HCO3－]＝[H+]／Ka1 「周遭溶液的力量」：「分子系統的力量」。
21. 如果質子的濃度高，代表周遭推擠分子系統的力量比較大，分子系統外推的解離力量比較小，因此解離出HCO3－的數量較少，HCO3－的濃度較低。
22. 如果質子濃度低，代表周遭推擠分子系統的力量比較小，分子系統外推的解離力量比較大，因此解離出HCO3－的數量較多，HCO3－的濃度較高。
23. [H2CO3] ／[HCO3－]＝[H+]／Ka1代表的意思是，「反應物H2CO3」與它游離出來的「HCO3－」的濃度比例，深深受到周遭溶液酸性[H+]的影響。
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