水是一种极弱的电解质,能发生微弱的电离,生成氢离子和氢氧根离子。在25℃时,一升水中大约只有千万分之一摩尔的水分子发生电离。虽然这个程度很小,但在一定条件下,有些物质可以让水的电离程度明显变大。搞清楚哪些物质能促进水的电离,对理解盐类水解、溶液酸碱性判断都非常有帮助,也是高中化学的重点内容。
水的电离是一个可逆过程:水分子电离出氢离子和氢氧根离子,同时氢离子和氢氧根离子又会结合成水。根据化学平衡的原理,凡是能减少溶液中氢离子或氢氧根离子浓度的因素,都能促使水的电离平衡向右移动,也就是促进水的电离;反过来,凡是向溶液中直接加入氢离子或氢氧根离子的物质,都会抑制水的电离。
所以判断的思路很简单:酸和碱电离出来的就是氢离子和氢氧根离子,它们只会抑制水的电离;而能够消耗水中氢离子或氢氧根离子的物质,就能促进水的电离。
最典型的就是碳酸钠、醋酸钠、次氯酸钠这一类盐。它们电离出来的阴离子是弱酸根离子,比如醋酸根、碳酸根,这些离子能和水中的氢离子结合,生成弱电解质。氢离子被消耗掉以后,水的电离平衡被打破,水就会继续电离来补充氢离子,最终水电离出的氢离子和氢氧根离子的总量都变多了。
拿醋酸钠举例:醋酸根离子结合水里的氢离子,生成难电离的醋酸,水中的氢离子浓度下降,水的电离平衡向右移动,溶液里氢氧根离子浓度随之升高,所以醋酸钠溶液显碱性。像碳酸钠溶液显碱性,也是同样的道理。
氯化铵、硫酸铝、硝酸铵这类盐是另一个方向的代表。它们电离出来的铵根离子、铝离子能与水中的氢氧根离子结合,生成弱碱。氢氧根离子被消耗后,水的电离平衡同样向右移动,水的电离程度增大,溶液中氢离子浓度升高,所以这类盐溶液显酸性。
比如氯化铵溶于水后,铵根离子结合水电离出的氢氧根离子,生成一水合氨,溶液中的氢离子就相对多了,溶液显酸性。硫酸铝溶液也是酸性,而且铝离子水解能力很强,能让水的电离程度增大得比较明显。
像醋酸铵、碳酸氢铵这种由弱酸和弱碱组成的盐,电离出来的阳离子和阴离子都能分别结合水中的氢氧根离子和氢离子,两边同时消耗,促进水电离的效果往往更明显。至于溶液最终显酸性、碱性还是中性,要看阴阳离子哪个结合能力更强,也就是哪个水解程度更大。
水的电离是吸热过程,所以升高温度也能促进水的电离。温度越高,水的离子积越大。比如25℃时纯水中氢离子浓度等于氢氧根离子浓度,都是1乘10的负7次方;加热到100℃时,两者浓度都明显增大,虽然水依然保持中性,但电离程度已经变大了。这属于外界条件对电离平衡的影响,和加入物质促进是两种不同的手段。
考试里最常见的坑就是把酸碱和水解盐搞混。盐酸、硫酸、氢氧化钠、氢氧化钙这些酸和碱,电离出来的恰好是氢离子或氢氧根离子,直接增大了水中相关离子的浓度,使水的电离平衡向左移动,属于抑制水的电离。同样,酸式盐如硫酸氢钠,电离出氢离子,也是抑制水的电离,这一点很多人容易想当然地认为所有盐都促进,必须记牢。
拿到一个溶液,先看溶质属于哪一类:是酸、碱,还是能水解的盐。酸和碱直接抑制,水解盐促进,加热促进。如果题目给出水电离出的氢离子或氢氧根离子浓度,可以直接比较:数值大于1乘10的负7次方的,说明水被促进电离,溶质一般是水解的盐;数值小于1乘10的负7次方的,说明水被抑制电离,溶质一般是酸或碱。
掌握这个逻辑,不管遇到什么新物质,都能顺着平衡移动的方向把问题分析清楚。总结一句话:凡是能消耗水中氢离子或氢氧根离子的物质,比如能水解的盐,都能促进水的电离;而直接提供氢离子或氢氧根离子的酸和碱,则会抑制水的电离。