师:同学们,今天我们一起来学习高二化学选择性必修一第三章第一节电离平衡的第二课时——电离平衡常数。本节课我们要达成以下学习目标:一、了解电离平衡常数的意义及影响因素,并能正确书写电离平衡常数的表达式;二、会应用电离常数与浓度商的关系,分析外界条件改变对电离平衡的影响,自主构建电离平衡常数模型;三、能进行电离平衡常数及氢离子浓度的简单计算,能用符号表征多元弱酸的电离平衡;四、关注水溶液体系的特点,结合实验现象、数据等证据素材,初步形成认识水溶液中的离子反应与平衡的基本思路。
首先,我们回顾一下上节课的内容。上节课我们知道,电解质根据在水中的电离程度不同,可分为强电解质和弱电解质,像弱酸、弱碱等属于弱电解质。弱电解质在水中的电离是可逆的,存在电离平衡,我们用可逆符号表示其电离方程式。其电离平衡具备逆、等、定、动、变五大平衡特征,受温度、浓度等外部条件影响,遵循勒夏特列原理。既然弱电解质的电离平衡具有化学平衡的所有特征,遵循平衡移动原理,那么与化学平衡一样,当弱电解质达到电离平衡时,弱电解质电离生成的各种离子浓度的乘积与溶液中未电离的弱电解质分子的浓度的比值是一个常数,这个常数就是我们本节课要重点学习的电离平衡常数,简称电离常数。
下面,请大家类比化学平衡常数,书写醋酸、次氯酸的电离平衡常数表达式,并思考电离平衡常数有何意义。
(同学们书写完毕)
师:大家写得很好。请大家看屏幕,我们可以看出电离常数的书写和表达与化学平衡常数的书写和表达规则一模一样。科学实验测得,醋酸的电离平衡常数为(1.75×10^{-5}),而大家熟悉的另一种比醋酸性更弱的弱酸——次氯酸,其电离平衡常数为(4.0×10^{-8})。从这两个电离常数,我们不难看出,电离平衡常数的意义在于其大小能表明弱电解质电离程度的大小。因为从电离常数表达式来看,电离常数越大,相同浓度的弱电解质溶液中离子的浓度也会越大,即电离平衡常数是表征弱电解质相对强弱的一个特征值。那么,电离平衡常数与什么因素有关呢?由醋酸、次氯酸可知,不同强弱的弱电解质,其电离平衡常数大小各不相同,这说明电离平衡常数首先是由物质的本性所决定的。而对于同一弱电解质的稀溶液来说,与化学平衡常数一样,电离平衡常数也只与温度有关。一般情况下,由于大多数弱电解质在稀溶液中的电离平衡过程都吸热,所以升高温度能促进弱电解质的电离,导致其电离平衡常数会增大。
屏幕上展示的是上一节课我们用(pH)传感器测定的(0.1)摩尔每升醋酸及其稀释(1000)倍后(也就是(0.00010)摩尔每升醋酸)溶液的(pH)。其实我们可以利用这个实验中自己测定的实验数据来计算醋酸的电离平衡常数(K_a)。
我们把上节课实验测定的数据编制成思考例题一:已知常温下用(pH)传感器测得(0.10)摩尔每升醋酸溶液的(pH)为(2.88),将该醋酸溶液稀释(1000)倍后,测得稀释后溶液的(pH)为(4.47)。请计算醋酸的电离平衡常数(K_a)。
我们先用题干的第一个实验数据计算。其实电离平衡常数的计算与之前我们学习过的化学平衡常数的计算一样,需要用到平衡计算的三段式计算格式和方法。我们先写出醋酸的电离平衡方程式,然后列出体系处于三种状态时的各项浓度数据。根据题干信息,(0.10)摩尔每升醋酸溶液的(pH)为(2.88),即此浓度的醋酸溶液中氢离子浓度为(10^{-2.88})次方,则剩余没有电离的醋酸分子浓度应该为(0.10)减去电离消耗的醋酸分子浓度,也就是(10^{-2.88})。这样,电离平衡体系中三种微粒的平衡浓度我们都能用具体的数据表示了。由于(0.1)明显大于(10^{-2.88}),几乎是它的(100)倍,所以在数值计算上,我们可以认为(0.1 - 10^{-2.88})近似等于(0.1)。这样近似处理在化学里我们可以理解为,相对于(0.10)摩尔每升的醋酸溶液来说,其电离消耗的近(10^{-3})次方大小的那一部分醋酸分子的浓度可以忽略不计。
这样一来,根据醋酸电离平衡常数的表达式,代入三种微粒的平衡浓度数值,我们不难算出醋酸的电离常数为(1.74×10^{-5})。当然,这里的数值运算我们需要借助计算器来完成。
我们再根据题干的第二个实验数据计算。(0.00010)摩尔每升醋酸溶液的(pH)为(4.47),即此浓度的醋酸溶液中氢离子浓度为(10^{-4.47})次方。则剩余没电离的醋酸分子浓度应该为(0.00010)减去电离消耗的醋酸分子浓度,即(10^{-4.47})次方。这样电离平衡体系中三种微粒的平衡浓度我们也都能用具体的数据表示了。由于(10^{-4})次方与(10^{-4.47})次方之间没有明显的大小差异,故在具体计算数据时,我们两者都不能够忽略。这与前面的情况是不同的,在化学里其实也不难理解,因为稀释(1000)倍后的醋酸溶液本身的浓度就已经很小了,小至(10^{-4})次方数量级,所以其电离消耗的(10^{-4.47})次方的浓度我们就不能够忽略不计了。
这样一来,根据醋酸电离平衡常数的表达式,代入三种微粒的平衡浓度数值,我们不难计算出醋酸的电离常数也为(1.74×10^{-5})。同样,这里的数值运算我们也需要借助计算器来完成。
通过上述自测实验数据的计算,我们发现醋酸的电离常数确实与其浓度没有关系。由此我们可以得出结论,相同温度下同一弱电解质的电离常数与其浓度无关。
那么电离平衡常数对于我们分析判断电离平衡有什么作用呢?首先我们可以类比化学平衡常数(K)与浓度商(Q)的大小关系来分析判断外界条件改变对电离平衡的影响。(K>Q)时,电离平衡正移;(K = Q)时,处于电离平衡状态;(K<Q)时,电离平衡逆移。
我们还是以醋酸的电离平衡为例来思考讨论、分析说明。请大家思考讨论,填写下列表格。
(同学们填写完毕)
师:大家填得都很不错,下面我来和大家一起分析填写一下。加水稀释,因温度没变,故其电离常数(K_a)保持不变。浓度商(Q)表达式中氢离子、醋酸根离子及醋酸分子浓度同等倍数的减小。假设加水稀释一倍,其各项浓度变为之前平衡时的一半,则其浓度商(Q)就变为之前的(\frac{1}{2})倍的(K_a),即浓度商(Q)表达式值变小了,导致浓度商(Q)小于电离常数(K_a),电离平衡向右移动,即促进电离。
