多元弱酸

多元弱酸

多元弱酸是指能夠在水中電離出多個氫離子（H⁺）但電離程度不完全的弱酸性化合物。這類酸的特點是分步電離，每個電離步驟都有對應的電離平衡常數。常見的多元弱酸包括磷酸（H₃PO₄）、碳酸（H₂CO₃）、亞硫酸（H₂SO₃）等。

分步電離過程

多元弱酸在水溶液中的電離是分步進行的：

• 第一步電離：HₙA ⇌ H⁺ + Hₙ₋₁A⁻

• 第二步電離：Hₙ₋₁A⁻ ⇌ H⁺ + Hₙ₋₂A²⁻

• ...依此類推

電離常數關係

多元弱酸各級電離常數通常滿足：Kₐ₁ > Kₐ₂ > Kₐ₃，這是因為隨著負電荷增加，後續質子更難解離。

磷酸（H₃PO₄）

• 電離常數（25℃）：

  • Kₐ₁ = 7.52×10⁻³

  • Kₐ₂ = 6.23×10⁻⁸

  • Kₐ₃ = 2.2×10⁻¹³

碳酸（H₂CO₃）

• 電離常數（25℃）：

  • Kₐ₁ = 4.45×10⁻⁷

  • Kₐ₂ = 4.69×10⁻¹¹

亞硫酸（H₂SO₃）

• 電離常數（25℃）：

  • Kₐ₁ = 1.54×10⁻²

  • Kₐ₂ = 1.02×10⁻⁷

酸鹼反應特性

多元弱酸可與鹼發生中和反應，根據鹼的量可生成不同的鹽類：

• 部分中和：生成酸式鹽（如NaHCO₃）

• 完全中和：生成正鹽（如Na₂CO₃）

緩衝溶液形成

多元弱酸及其鹽可組成緩衝體系，如H₂CO₃/NaHCO₃緩衝系統在生物體中起重要作用。

近似計算方法

對於多元弱酸溶液pH的計算，通常只需考慮第一步電離，因為後續電離貢獻的H⁺濃度極小。

計算公式

[H⁺] ≈ √(Kₐ₁·C₀)其中C₀為多元弱酸的初始濃度。

工業應用

• 磷酸：用於肥料生產、食品添加劑

• 碳酸：飲料工業中的重要成分

生物學意義

• 碳酸/碳酸氫鹽系統是血液中的重要緩衝體系

• 磷酸鹽系統是細胞內重要的pH調節系統

註：本表僅供參考，實際情況可能更為複雜。