多質子酸 Polyprotic Acids－磷酸

化學原理啟迪173

1.     磷酸是三質子酸triprotic acid，游離步驟如下：

H3PO4(aq) ←→H⁺(aq) + H2PO4^－(aq)

Ka1=[H⁺] [H2PO4^－]／[H3PO4^－]=7.5×10^－3

H2PO4^－(aq) ←→H⁺(aq) + HPO4^2－(aq)

Ka2=[H⁺] [HPO4^2－]／[H2PO4^－]=6.2×10^－8

HPO4^－(aq) ←→H⁺(aq) + PO4^3－(aq)

Ka3=[H⁺] [PO4^3－]／[HPO4^－]=4.8×10^－13

2.     基本上，多質子弱酸的游離常數：

Ka1＞ Ka2＞ Ka3

3.     每多游離一次，酸性就降低一些。酸失去第二或第三個質子的困難度，高於第一個質子。

4.     這個結果並不令人意外，隨著酸的負電荷愈來愈多，它掌控質子的能力也愈來愈強，也就愈不容易失去帶正電荷的質子。

5.     表面上看起來多質子酸溶液的pH值計算應該比較複雜，但實際上卻不是如此。

6.     【磷酸Phosphoric Acid】磷酸基本上是比較弱的多質子酸，而它每一次游離的Ka值也差異很大。磷酸每一次游離的「酸的平衡常數Ka」的差距是：

Ka1／Ka2＝7.5×10^－3／6.2×10^－8＝1.2×10⁵

Ka2／Ka3＝6.2×10^－8／4.8×10^－13＝1.3×10⁵

7.     每一次游離出來的酸的強度大小比較：

H3PO4 ＞＞H2PO4^－＞＞ HPO4^2－

8.     意思是，磷酸溶解於水中，只有第一次游離步驟對溶液的質子濃度[H⁺]有決定性影響。

9.     【例題】計算5.0M H3PO4溶液的pH 值，並且判斷H3PO4、H2PO4^－、HPO4^2－和PO4^3－。

10. 【解題】溶液中的主要化合物：

H3PO4和H2O

11. 我們沒有寫出任何H3PO4游離後的產物，因為H3PO4的Ka值非常小，所以解離的產物數量必定非常稀少。

12. 主要的平衡方程式是H3PO4的游離：

H3PO4 (aq )←→ H⁺(aq) + H2PO4^－(aq)

Ka1＝7.5×10^－3＝[H⁺][H2PO4^－]／[H3PO4]

13. 各化合物的濃度如下：

14. 也可簡寫成：

15. 把平衡濃度代入Ka1的平衡方程式，並且取[H3PO4]平衡濃度的近似值

Ka1＝7.5×10^－3＝[H⁺][H2PO4^－]／[H3PO4]＝(x)(x) ／(5.0－x)≒x² ／5.0

因此 x≒1.9×10^－1

16. 因為1.9×10^－1的誤差範圍在5％以內，所以把(5.0－x)取近似值5.0得到的結果是可接受的，並且

[H⁺]＝x＝0.19M,  pH＝0.72

17. 計算到這個步驟，我們確定：

[H⁺]＝[H2PO4^－]＝0.19M

並且 [H3PO4]=5.0－x＝4.8M

18. HPO4^2－的濃度可用Ka2方程式：

Ka2＝6.2×10^－8＝[H⁺][HPO4^2－]／[H2PO4^－]

我們已經知道[H⁺]＝[H2PO4^－]＝0.19M

因此[HPO4^2－]＝Ka2＝6.2×10^－8M

19. 我們用Ka3的平衡方程式，與前面階段計算出來的[H⁺]和[HPO4^2－]的數值，計算[PO4^3－]：

Ka3＝[H⁺][PO4^3－]／[HPO4^2－]

＝4.8×10^－3＝0.19[PO4^3－]／6.2×10^－8

[PO4^3－]＝(4.8×10^－3)( 6.2×10^－8) ／0.19＝1.6×10^－19M

20. 這個結果顯示H3PO4第二次與第三次的游離對[H⁺]貢獻不大。第二次游離的結果[HPO4^2－]是6.2×10^－8 mol/L，這代表只有6.2×10^－8 mol/L的H2PO4^－解離。而第三次游離[PO4^3－]的數值顯示，HPO4^2－的游離度更小。

21. 我們必須用第二和第三次游離的步驟來計算[HPO4^2－]和[PO4^3－]，因為這二個步驟是[HPO4^2－]和[PO4^3－]的唯一來源。

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