三条规则
K 的表达式是浓度幂的乘除,所以方程式怎么变,K 就跟着怎么变:
- 反过来写:分子和分母对调,新的 K = 1 ÷ K;
- 系数乘 n:每个浓度的指数都乘 n,新的 K = Kⁿ(乘 ½ 就是开平方);
- 两个方程式相加:表达式相乘,新的 K = K₁ × K₂。
这三条和盖斯定律中 ΔH 的规则一一对应(U6.9),只是运算“升了一级”:ΔH 变号、K 取倒数;ΔH 乘 n、K 取 n 次方;ΔH 相加、K 相乘。
改写一个方程式,或者把两个方程式相加,看 K 怎样变:
第二个方程式是 HCN 电离的逆反应,K = 1/Ka(HCN)。相加后 K = Ka(HNO₂) ÷ Ka(HCN) ≫ 1:较强的酸 HNO₂ 把质子交给 CN⁻。
第一个是醋酸的电离(Ka),第二个是醋酸根与水的反应(Kb)。相加后 CH₃COOH 和 CH₃COO⁻ 抵消,剩下水的电离,所以 Ka × Kb = Kw。
两步相加,HCO₃⁻ 抵消,K = Ka1 × Ka2。
方程式相加,K 相乘(对照:ΔH 相加)。
例题 1:反过来写再乘 ½
400 °C 时 H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g) 的 K = 50(OpenStax)。求同温度下 HI(g) ⇌ ½H₂(g) + ½I₂(g) 的 K。
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对照目标。 原方程式中 HI 在右边、计量数为 2;目标中 HI 在左边、计量数为 1。所以目标 = 原方程式反过来写,再乘 ½。
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反过来写:K 取倒数。 2HI(g) ⇌ H₂(g) + I₂(g):
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乘 ½:K 开 ½ 次方。 HI(g) ⇌ ½H₂(g) + ½I₂(g):
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用表达式检查。 写出三个方程式的表达式,看它们的关系:
目标的表达式正好是原表达式倒数的平方根,和第 2、3 步的做法一致。
例题 2:两个方程式相加
25 °C 时 HF 的 Ka = 6.4 × 10⁻⁴,CH₃COOH 的 Ka = 1.8 × 10⁻⁵(OpenStax)。求 HF(aq) + CH₃COO⁻(aq) ⇌ F⁻(aq) + CH₃COOH(aq) 的 K。
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第一个方程式:HF 的电离,照原样用。 HF 在目标的左边,F⁻ 在右边:
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第二个方程式:醋酸的电离,反过来写。 目标中 CH₃COO⁻ 在左边、CH₃COOH 在右边,与醋酸的电离方向相反,所以 K 取倒数:
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两式相加。 H⁺ 在两边各出现一次,抵消,正好得到目标方程式 HF + CH₃COO⁻ ⇌ F⁻ + CH₃COOH。
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方程式相加,K 相乘。
也可以一步写成 K = Ka(HF) ÷ Ka(CH₃COOH) = 6.4 × 10⁻⁴ ÷ 1.8 × 10⁻⁵ = 36。
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意义。 K > 1,生成物占优势:较强的酸 HF 把质子交给较强的碱 CH₃COO⁻,生成较弱的酸 CH₃COOH 和较弱的碱 F⁻。
- 2NH₃ ⇌ N₂ + 3H₂
反过来写,1 ÷ 0.50。
- ½N₂ + 3/2H₂ ⇌ NH₃
乘 ½,√0.50。
- 2N₂ + 6H₂ ⇌ 4NH₃
乘 2,0.50²。
- NH₃ ⇌ ½N₂ + 3/2H₂
反过来再乘 ½,1 ÷ √0.50。
- 4NH₃ ⇌ 2N₂ + 6H₂
反过来再乘 2,1 ÷ 0.25。
- 3H₂ + N₂ ⇌ 2NH₃
只是调换了反应物的顺序,K 不变。
- N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃,在更大的容器中进行
K 只与温度有关。
- 2NH₃ ⇌ N₂ + 3H₂ 的方程式再乘 2
2.0² = 4.0。
常见误区
误区 1:“系数乘 2,K 也乘 2。” 系数是表达式中的指数,系数乘 2,K 要平方。乘以一个数是 ΔH 的规则。
误区 2:“方程式反过来写,K 变成负值。” K 永远是正数。反过来写,K 变为倒数。
误区 3:“两个方程式相加,K 也相加。” 表达式相乘,所以 K 相乘。
即时小测
某反应的 K = 4.0 × 10⁻³。同温度下,把它的逆反应的各计量数都减半,K 是?
逆反应:1 ÷ (4.0 × 10⁻³) = 2.5 × 10²;计量数减半,K 开平方:√(2.5 × 10²) = 16。B 忘了减半,D 是 √K。
把一个平衡方程式的所有系数乘 3,新的 K 是原来的:
每个指数都乘 3,所以 K 变为 K³。
反应 ① 的 K₁ = 2.0,反应 ② 的 K₂ = 5.0 × 10⁻³。① + ② 得到的反应的 K 是?
相加的方程式,K 相乘:2.0 × 5.0 × 10⁻³ = 1.0 × 10⁻²。
25 °C 时 H₂CO₃ 的 Ka₁ = 4.3 × 10⁻⁷,Ka₂ = 4.7 × 10⁻¹¹(OpenStax)。CO₃²⁻(aq) + 2H⁺(aq) ⇌ H₂CO₃(aq) 的 K 约为?
两步电离相加得 H₂CO₃ ⇌ 2H⁺ + CO₃²⁻,K = Ka₁ × Ka₂ = 2.0 × 10⁻¹⁷;目标是它的逆反应,K = 1 ÷ (2.0 × 10⁻¹⁷) = 4.9 × 10¹⁶。
25 °C 时 HCN 的 Ka = 4.9 × 10⁻¹⁰。CN⁻(aq) + H₂O(l) ⇌ HCN(aq) + OH⁻(aq) 的 K(即 CN⁻ 的 Kb)是?(Kw = 1.0 × 10⁻¹⁴)
HCN 的电离加上 CN⁻ 与水的反应得到水的电离,Ka × Kb = Kw,Kb = 1.0 × 10⁻¹⁴ ÷ 4.9 × 10⁻¹⁰ = 2.0 × 10⁻⁵。
把两个反应相加。下列关于 ΔH 和 K 的说法正确的是?
ΔH 遵守盖斯定律相加;K 的表达式相乘。
AP 自由作答题
25 °C 时,NH₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq) 的 Kb = 1.8 × 10⁻⁵,H₂O(l) ⇌ H⁺(aq) + OH⁻(aq) 的 Kw = 1.0 × 10⁻¹⁴,HNO₂(aq) ⇌ H⁺(aq) + NO₂⁻(aq) 的 Ka = 4.6 × 10⁻⁴(OpenStax)。
(a) 说明怎样组合上面的方程式得到 NH₄⁺(aq) ⇌ NH₃(aq) + H⁺(aq),并求它的 K(即 NH₄⁺ 的 Ka)。
(b) 写出 NH₃(aq) + H⁺(aq) ⇌ NH₄⁺(aq) 的 K。
(c) 求 NH₃(aq) + HNO₂(aq) ⇌ NH₄⁺(aq) + NO₂⁻(aq) 的 K,并判断平衡时哪一边占优势。
(d) 如果把 (c) 的方程式所有系数乘 2,K 是多少?
(e) 如果已知 (c) 中两个步骤的 ΔH,怎样得到 (c) 的 ΔH?与求 K 的方法对比。
参考答案与评分要点
(a) 把水的电离写出来,再减去(即反过来写后加上)NH₃ 与水的反应:H₂O ⇌ H⁺ + OH⁻(Kw)加上 NH₄⁺ + OH⁻ ⇌ NH₃ + H₂O(1/Kb),得 NH₄⁺ ⇌ NH₃ + H⁺。Ka = Kw ÷ Kb = 1.0 × 10⁻¹⁴ ÷ 1.8 × 10⁻⁵ = 5.6 × 10⁻¹⁰。
(b) K = 1 ÷ (5.6 × 10⁻¹⁰) = 1.8 × 10⁹。
(c) HNO₂ 的电离加上 (b) 的反应,H⁺ 抵消:K = 4.6 × 10⁻⁴ × 1.8 × 10⁹ = 8.3 × 10⁵。K ≫ 1,生成物占优势。
(d) K = (8.3 × 10⁵)² = 6.9 × 10¹¹。
(e) 两个 ΔH 相加(反过来写的步骤 ΔH 变号)。K 是相乘(反过来写的取倒数),乘系数时 ΔH 乘 n、K 取 n 次方。
评分要点: (a) 正确组合并得到 Kw/Kb;(b) 倒数;(c) K 相乘和判断;(d) 平方;(e) ΔH 相加与 K 相乘的对比。
小结
- 反过来写:K → 1/K;系数乘 n:K → Kⁿ;两个方程式相加:K = K₁ × K₂。
- 对照 ΔH:变号、乘 n、相加。
- 常用的组合:Ka × Kb = Kw;多元弱酸的总电离 K = Ka₁ × Ka₂。
AP 提示: 组合 K 时,在每个已知方程式旁边写出你做的操作(反过来、乘几)和新的 K,最后相乘。先用方程式检查抵消的物质,再算数。