酸的強度與酸解離常數

酸的強度 (Acid Strength)與酸解離常數 (Acid Dissociation Constant)
國立臺灣大學化學系林雅凡博士/國立臺灣大學化學系李俊毅責任編輯

在「布－洛酸鹼學說（Brønsted-Lowry Acid Base Theory）」的觀點中，認為釋出質子的能力越強，即為越強的酸。是否能有更科學的量化指標，來估量「釋出質子的能力」呢？又由此指標，如何區辨「強酸」與「弱酸」？ 若以更精確的語言，描述「釋出質子」的過程，可以以下的化學方程式表達之：

\(HA_{(aq)}\rightleftharpoons H^+_{(aq)}+A^-_{(aq)}\) （式一）

式一中，\(HA\) 表示任何一種酸性物質，在水溶液中，釋出質子，形成其共軛鹼 \(A^-\)。換句話說，「酸性物質釋出質子的過程」，意即酸性物質「解離（dissociation）」的過程，解離後的產物分別是 \(H^+_{(aq)}\) 與 \(A^-_{(aq)}\)。所謂強酸，指的便是酸性物質在水溶液中，100％解離成 \(H^+_{(aq)}\) 與 \(A^-_{(aq)}\)，如鹽酸、硝酸等。而弱酸則指酸性物質在水溶液中，僅部分解離成 \(H^+_{(aq)}\) 與 \(A^-_{(aq)}\)，其餘仍以中性分子 \(HA\) 的原貌存在水溶液中。如醋酸。也因此，強酸通常被視為「強電解質」，因其在水中完全解離，不會以中性分子的型態存在；而弱酸是「弱電解質」。至於「量化」酸性物質解離的程度，便是測定「酸解離常數」，\(K_a\)，利用比較 \(K_a\) 的大小，能清楚判定不同物質解離出質子的能力，而得知酸的強度。\(K_a\) 其實是一個描述酸性物質在溶液中達到平衡狀態的平衡常數（equilibrium constant），定義如下：

\(HA_{(aq)}\rightleftharpoons H^+_{(aq)}+A^-_{(aq)}\)

\(\displaystyle K_a=\frac{[H^+][A^-]}{[HA]}\) （式二）

式二中，每一個[物種]，代表各物種的莫耳濃度。若分析此數學商式，可以得知：在初始濃度相同的兩種酸中，達到平衡時，質子的濃度 \([H^+]\) 越高，中性分子 \(HA\) 濃度 \([HA]\) 相對越低，表示其解離程度越好，得到 \(K_a\) 值越大。也因此，化學家能測定一連串物質的 \(K_a\)，來量化不同物種的酸度，\(K_a\) 值越大者，酸度越高。

讀到這裡，或許有人會提出另一個問題：「那麼有辦法區分各個強酸的強度大小嗎？」在教科書或參考書中，往往告訴我們，「鹽酸、硝酸等強酸溶在水中，釋出質子的濃度即為強酸的初始濃度，例如0.1 M的鹽酸水溶液所測得的 \([H^+]\) 即為0.1 M。」這句話完全符合上文的定義——強酸在水中完全解離！以計算 \(K_a\) 的方式來看，水溶液中沒有中性分子的存在，分母應為零，所有強酸在水中的 \(K_a\) 值都是無限大。

然而，難道鹽酸、過氯酸、硝酸等強酸的酸度沒有任何程度上的分別嗎？事實上，的確是有的。酸性物質解離出質子的能力，除了與物質本身性質有關，也與所用的溶劑有關。如果使用溶劑的鹼性較水來得弱（意即：接受質子的能力較水來得差），在水中表現為強酸的物質在這些溶劑裡，就很可能不是100％解離了，而利用這樣的方式，測定其解離出質子的能力，便可以比較出強酸之間的酸度大小，如將過氯酸（HClO₄）、硫酸（H₂SO₄）、鹽酸（HCl）、硝酸（HNO₃），溶在冰醋酸（glacial acetic acid，即無水乙酸）中，可以測出這四者解離強度的大小為過氯酸＞硫酸＞鹽酸＞硝酸，而比較出強酸的酸度。相對的，不一樣酸度的強酸，溶於水中，都完全解離，致使不同強度的酸，表現出同等強度的現象，即稱為「平準效應（leveling effect）」。

參考資料：

1. Silverstein, T. P. “Weak vs. Strong Acids and Base: A Football Analogy”, J. Chem. Edu., 2000, 77, 849 – 850.
2. Myers, R. The Basics of Chemistry, Greenwood Press, 2003, p.160-161. Web library: http://www.questia.com/PM.qst;jsessioni … =111752434
3. House, J. E. Inorganic Chemistry, Academic Press, 2008, p. 295-296