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Introduction to pH, pOH, and pKw : Autoionization of water into hydronium and hydroxide ions. pH, pOH, and pKa.
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- 化學探究的永恒主題
- 所有東西都與
- 分子間的隨機碰撞有關
- 當它們相互隨機碰撞時
- 能發生許多不同的變化
- 通過碰撞把分子的各個部分分開
- 通過碰撞把分子的各個部分分開
- 然後結合成不同的物質
- 純水就也是這樣
- 在很多時候
- 純水可以看作是一種相當穩定的物質
- 而它確實是 不過它會…
- 我們假設有2個水分子吧
- 我把2寫在這裡
- 兩個水分子就發生了反應
- 得到一個可逆反應方程式
- 這既可以表示有2個分子
- 也可以表示有2mol分子
- 不過真正有影響的只是它們的比例
- 你懂的
- 那我們就畫2個水分子來作例子吧
- 在這裡有一個氧原子
- 把另一個氧原子畫在這吧
- 它們分別都連有氫原子
- 它們跟氫在這裡共用電子
- 我們知道
- 氧的電負度要遠遠地大於氫的
- 所以氧會把電子都抱住
- 那麽水分子中的氫原子
- 産生了局部的正電荷
- 它們幾乎是被水分子吸住的
- 裸露的質子
- 正電荷就在這裡
- 然後
- 氧原子的一邊會帶上負電荷
- 這是因爲它們占有了所有的電子
- 而這在
- 帶部分負電的氧原子和
- 另一個水的帶正電的氫之間形成的鍵
- 我們把它稱爲氫鍵
- 氫鍵把水分子拉在一起
- 而把水拉一起的氫鍵
- 使水有液態和固態
- 當水是固態時 這些氫鍵會…
- 水分子只會形成晶格的結構
- 當水是液態時
- 它們會斷裂 然後再形成新的
- 但是氫鍵始終保持分子彼此依靠
- 相互摩擦
- 現在問題來了
- 如果現在恰好遇到了…
- 其實不是很具體的情況
- 但我想你可以想象到的
- 就是如果這個水分子和這個足夠靠近
- 假設它具有足夠大的動能
- 可以越過這個
- 那麽就有可能
- 我會寫出這個可逆反應
- 因爲這就是將要討論的問題
- 可逆反應
- 有可能
- 這個氫會被這家夥吸走
- 因爲它靠得很近
- 而且很可能這個分子的振動很奇葩
- 所以會得到…
- 我先把兩個相同的東西畫在這 兩個氧
- 其實我應該重新畫一下第二個
- 我們假設 它以某種方式和另一個分子擦肩而過
- 所以它有個動作
- 就假設是這樣子移動的吧
- 很明顯 這樣畫並不科學
- 不過它可以表示出真實的狀況
- 這是氫原子
- 而這個氫則被這個氧吸走了
- 如果在恰好的情況下…
- 要記住 這些都只是機率的問題
- 沒有不可能
- 沒有不可能
- 所以這家夥會
- 被另一個水分子的負極板吸引
- 水的這一側 然後這個水
- 就只剩下一個氫了
- 所以這個分子作爲一個整體就是
- 它就是氫氧根(OH-)
- 它是-1價 對吧？
- 因爲水是中性的分子
- 水分子中質子數等於電子數
- 現在它的質子數比電子數少1
- 這時 只有氫只有原子核
- 氫原子核本身就是一個質子 因爲我們知道
- 大部分的氫原子中沒有中子
- 實際上畫氫離子就是在畫一個質子
- 它被撞開或被抛開
- 最後它出現在另一個水分子上
- 所以這個失去了一個質子
- 但它電子數不變
- 所以它現在帶有一個負電荷
- 而這個電子數也不變
- 但現在它多了一個質子
- 所以它帶一個正電荷
- 所以這是正一價的鋞離子(H3O+)
- 然後從這裡可以看出
- 我們給它增加一個質子
- 它獲得了一個額外的氫的質子
- 或者說氫離子
- 這叫鋞離子(H3O+)
- 而且水會自發發生這個過程
- 但不是說…
- 嗯… 不是說整杯水
- 都會反應掉 其實只有很少的分子
- 會反應
- 如果只看這個可逆反應的話
- 這裡有兩個水分子
- 反應會更傾向於向左進行
- 反應會更傾向於向左進行
- 不過確實會向右反應
- 而且這正是問題的多重點
- 值得我們好好思考
- 這個過程稱爲解離
- 因爲該過程中只有水自己
- 在各種隨機碰撞中有些分子
- 彼此發生有效碰撞
- 然後一小部分水分子就會這樣解離
- 其中一個會失去一個質子
- 而另一個會得到一個質子
- 這個過程就叫做解離
- 當然這個是可逆反應
- 所以這邊也可能碰撞變成其他兩個東西
- 然後變成水 它們也有可能相互碰撞
- 然後重新變成水分子
- 反複來回
- 那麽就有了平衡濃度
- 我把可逆反應寫完整吧
- 假設可能有2mol的水分子
- 反應達到平衡
- 得到了鋞離子
- 而且這些都在溶液中
- 這樣說可能會有點多余
- 因爲在溶液中就意味著
- 物質溶解於水中
- 而水當然是溶解於水中的
- 鋞離子(H3O+)也溶解其中
- 所以它們的四周都是水
- 反應不是孤立的
- 這周圍充斥著數不清的水分子
- 再加上氫氧根(OH-)
- 好了
- 有時你會看到反應寫成以下的形式
- 重要的是你是否知道它們是一樣的
- 平衡時水會解離出1個單獨的氫離子(H+)
- 這些都在溶液中
- 我寫下來好啦
- 全部都溶解在水中
- 加上溶液中的氫氧根(OH-)
- 這個反應
- 和上面的那個反應
- 我把這個剪切過來
- 這樣就可以同時觀察了
- 複製
- 拉到下面來
- 然後粘貼
- 它們本質上完全等價
- 不過下面這個方程式
- 描述的是實際的情況
- 而上面這個更有畫面感
- 有1個水分子
- 而且有小小的可能
- 它的其中一個氫會脫離
- 然後就得到了1個氫離子和1個氫氧根
- 氫氧根就是1個氧原子和1個氫原子構成的
- 不過真實情況是
- 氫離子不會像這樣
- 單獨在水中存在
- 只要氫離子是在水溶液中
- 它們實際上就會搭上
- 另一個水分子
- 也就是形成鋞離子
- 而我展開
- 水的解離的整個討論
- 其實是因爲
- 因爲在現實中大家十分在意
- 氫的濃度…
- 這取決於我怎麽看氫
- 氫離子 或者溶液中的氫質子
- 也可以是溶液中鋞離子
- 這兩種東西的濃度
- 實際上是一樣的
- 對吧 因爲溶液中所有的氫離子
- 都是和水分子結合形成鋞離子的
- 那要怎麽樣…
- 或者換句話說
- 就是反應的平衡是什麽？
- 普通的水就會出現這個反應
- 氫離子的濃度…
- 我選氫離子這個稱呼
- 氫離子的濃度是――
- 假定這是25°C的自來水
- 把這些寫下來吧
- 25°C 大概是室溫
- 純水中
- 純水的濃度
- 純水中 氫離子的濃度
- 當然也可以說是
- 鋞離子的濃度
- 或者陽離子
- 因爲它們帶正電
- 等於10^(-7) mol/L
- 是吧 所以對於每一升的水
- 都會有10^(-7)mol的鋞離子
- 這其實是個相當大的數字
- 因爲有10^(-7)mol
- 也就是10^(-7)乘上阿伏伽德羅常數
- 我們來算一下
- 那麽就是10^(-7)mol/L
- 等於10^(-7)乘以…
- 要記住莫耳只是一個數
- 它等於6.022乘以10的23次方
- 直接算就可以了
- 結果等於多少呢？
- 60乘以10的16次方個分子
- 也就是說有很多很多的分子
- 不過這對全部分子來說是個小數目
- 就是這些氫離子
- 或者說是鋞離子
- 同理可得
- 氫氧根的濃度也是…
- 氫氧根的濃度
- 也是10^(-7)mol/L
- 現在我們就已經可以算出
- 水的解離反應的
- 化學平衡常數是多少
- 我們可以算這平衡常數
- 算一下吧
- 我們用第一個式子算
- 假設…
- 我換個顏色
- 溶液中的水(H2O)
- 平衡時得到溶液中的
- 氫離子
- 不過我們知道實際上
- 它們是和水離子結合的
- 是和水分子 不是離子
- 就形成了鋞離子
- 加上氫氧根離子
- 這個反應的平衡狀態
- 反應平衡常數
- 我們用Kw來表示\N【譯者注：Kw，即水的離子度積常數】
- 它就等於
- 生成物中氫離子的濃度
- 乘以氫氧根離子的濃度
- 在一般的情況下 這裡還要除以
- 反應物的濃度
- 不過現在這樣 我們之前已經學過了
- 反應物就是溶劑
- 該反應在水中
- 所以你不用寫這個
- 如果你想理解這背後的道理 記住
- 這表達式是由各個機率推導出來的…
- 這個逆反應的可能性大小
- 它與這兩種離子的濃度之積
- 有關
- 而正反應的可能性大小
- 就跟
- 在同一個地方找到
- 生成物的分子的機率有關
- 你總是可以在某些地方
- 找到這樣的分子
- 這其實就是個
- 某些水自發變成這兩種產物的機率問題
- 所以當遇到像這樣的
- 可逆反應時
- 反應的一邊是體係的溶劑時
- 表達式就不用寫它了
- 所以平衡…
- 或者你可以把分母看成就是1
- 那麽水的解離的平衡常數
- 就是這個了 現在我就來具體算
- 室溫下水解離的化學平衡常數
- 反應平衡常數就等於…
- 氫離子的濃度是10^(-7)
- 再乘以氫氧根的濃度
- 也是10^(-7)
- 結果就等於10^(-14)
- 好了 這個數是要熟記的
- 水解離的化學平衡常數
- 因爲你知道
- 它和酸的內容有關
- 因爲這堆東西裏人們真正在意的
- 是溶液中氫離子濃度的大小
- 我們會在這集裏
- 講一點點
- 而學化學的人
- 出於某些原因吧
- 他們並不喜歡這樣的表示方式
- 他們不喜歡說10的-14次方
- 他們更喜歡取它的負對數
- 它的負的對數
- 如果對數對你來說太深奧
- 你可以回顧有關對數的影片
- 他們的做法是 兩邊同時取負對數
- 如果只寫個log而沒有標明底數的話
- 你可以默認底數是10
- 取平衡常數的負對數
- lg[10^(-14)]等於…
- 嗯 10的多少次方會等於10的-14次方？
- 沒錯 就是-14 對吧？
- 首先把這個負號寫在前面
- 有一個負號
- 然後對數運算部分的是-14
- 所以反應平衡常數的
- 負對數
- 等於14
- 這就叫做pKw
- 用不同的顏色表示吧
- 這樣能更好地區分――pKw
- 在化學中 p有特定的含義
- 它的意思就是取負對數
- 負的以10爲底的對數
- 對於p表示什麽存在一些爭議
- 而我是把它看成是冪
- 盡管實際上它表示的是負對數
- 它就是表示對某個值取某負對數
- 它的就是一種方法
- 讓我們可以遠離指數
- 盡管我覺得 指數更好
- 因爲這樣你會比較清楚討論的是什麽
- 變成清晰明了的數字14
- 所以當某人說pKw等於14的時候
- 其實他們說的就是平衡常數
- 也就是Kw
- 10的-14次方
- 現在 一樣的處理技巧
- 也用在了氫的濃度上
- 接下來的幾集基本上
- 會以水中氫離子的濃度爲中心
- 我們會討論一下
- 沒有水會怎麽樣
- 室溫下水中氫離子的濃度
- 講過了
- 它等於10^(-7)mol/L
- 人們對這個數字不滿意
- 所以他們想要把它也變一下
- 等號兩邊同時取負對數
- 就得到了pH…
- 可能你已經聽過pH這個詞
- 在很多的化妝品中 pH平衡
- 現在你知道它的含義了
- 這個是表示
- 在乳液 香水
- 或者任何想要你買的東西
- 含有適量的氫離子
- pH就等於
- 氫離子濃度的負對數
- 也就是等於-lg…
- 記住 如果我沒有特別強調
- 它的底數是10
- lg[10^(-7)] 就等於…
- 嗯… 10的多少次方等於10的-7次方呢？
- 這等於-7
- 然後這前面還有一個負號
- 所以結果就是7
- 那麽接下來
- 你可以用同樣的方法來算pOH
- 氫氧根離子的濃度
- 取氫氧根濃度的負對數
- 已知氫氧根離子的濃度
- 和氫離子的濃度相等
- 哎呀 我沒有把它寫在這裡
- 那我把它寫哪兒了？ 哦 在這兒
- 也就是說在水中氫氧根
- 和氫離子的數目相等 這是因爲
- 水是由這兩種離子組成的
- 當然這個也是等於-7 對吧？
- 取對數
- 氫氧根的濃度是10^(-7)
- 所以結果是7
- 水中的pH和pOH的值都是等於7
- 嗯！
- 在接下來的幾集裏 我們會
- 開始涉及到酸鹼度的概念
- 其實酸就是一種物質
- 可以讓氫離子的濃度升高
- 這只是關於酸的其中一種說法
- 我們還會講到關於酸的其他更寬泛的定義
- 不過這稱爲阿倫尼烏斯酸
- 下集我們會談到這個
- 如果某些東西
- 把氫離子濃度提高了
- 如果往水了加了東西它就擧升了
- 相應的pH會怎麽變化呢？
- 我們來看看 如果這裡的數值變大了
- 那麽它的對數也變大
- 但然後它的負對數…
- 我們用10^(-7)作例子吧
- 這個不錯
- 但假設從10^(-7)開始
- 這時的水是中性的 沒區別
- 這時的pH
- pH等於7
- 我們剛才已經算出來了
- 也就是氫離子的濃度等於
- 現在我們要對水作一些改變
- 使氫離子的濃度升高
- 所以要增加氫
- 增大氫離子的濃度
- 假設變成10^(-3)
- 很明顯
- 氫離子的濃度要比原來高得多
- 現在氫離子的濃度是10^(-3)
- 那麽新pH是多少?
- 新的pH就等於
- 10^(-3)的負對數
- 也就是等於 負的
- 10的-3次冪就等於10的-3次方
- 所以結果就等於-3
- 負負得正
- 所以新的pH等於3
- 這pH值的變化
- 就是人們在意氫濃度的地方
- 如果有東西能使氫離子濃度增大
- 那它就稱爲酸
- 如果你要增大氫離子的濃度
- 可以往水溶液中加酸
- 這時候pH會降低
- 所以pH越低 酸性越強
- 也就是氫離子的濃度越高
- 下集我們會講到
- 跟酸相對的堿
- 堿會使溶液的氫氧根的濃度變大
- 就這樣 我們下集見