为什么说碳酸根离子的水解比碳酸氢根离子强

2025-04-08 11:02:17

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回答（1）：

以前的一篇文章，复制下给你看。
碳酸钠比碳酸氢钠溶液碱性强的原因是什么
作为电离理论及盐类水解理论的延伸，在中学化学教学中一直就有“碳酸钠溶液为什么要比碳酸氢钠溶液的碱性强”这样的一个问题。由于所用理论的起点不高，加之学生的化学知识也很有限，即便是一个有经验的教师，也很难将这个问题解释得“天衣无缝”。
一、已有的几种“解释”
对中学生解释这个问题，当然不能脱离电离理论，并且只能用定性的方法来说明，但可以从不同的角度入手。于是出现了如下的多种“解释”。
1. 考虑到逐级水解的因素
其核心的表述为“Na2CO3水解后，产生的NaHCO3还会进一步水解，而产生更多的OH-”。
碳酸氢钠作为酸式盐，只能靠水解反应HCO3-+H2O H2CO3+OH-，来使溶液呈碱性。
而碳酸钠作为二元弱酸的正盐，有两级水解，水解反应分别为CO32-+H2O HCO3-+OH-、HCO3-+H2OH2CO3+OH-，会使溶液中OH-浓度更大。
这种解释实际上包含了两个暗示：
一是，NaHCO3的水解，与Na2CO3第一级水解，在程度上是差不多的。而Na2CO3还有第二级水解，所以后者的碱性才更强。
第二，盐的第二级水解也是不可忽视的。
这对无机化学的学习造成了一定的障碍（计算多元弱酸、碱的酸碱度，一般只要考虑其第一级解离即可）。
2. 考虑到盐的溶解度不同
认为“NaHCO3的溶解度小于Na2CO3的溶解度，造成NaHCO3溶液的浓度较低，这样低浓度的盐水解产生的OH-离子浓度也就会低一些”。
这种说法也有几个误区：
物质的溶解度，并不等于其饱和溶液的浓度。溶解度一般用“S g/100g水”来表示，而浓度一般用“mol•L-1”来表示。
况且，对比溶液的酸碱性强弱，也不宜用饱和溶液，而应该在相同物质的量浓度的情况下来进行。
似乎，如果这两种物质的溶解度相同，溶解的碱性就不会有差别。而回避了其“水解”形式及程度这个最为核心的问题。
3. 以物质的组成为判据
用“NaHCO3中有氢离子，而Na2CO3没有氢离子。所以前者溶液的碱性弱”来解释。
这种，只看表象，没有看到它们在水溶液中所发生化学反应的实质，则更是错误的。
对同种酸根和阳离子所组成的正盐及酸式盐间，确实有正盐溶液的碱性要强一些的、这样的化学现象。但是，不能将其看作是理论性的解释。
如果只看表象，NaHCO3溶液的碱性，是不是也要弱于NH4Ac溶液的碱性了呢？应为只有前者的化学式中才有氢离子。
4. 以盐的类别为判据
认为“Na2CO3是正盐，而NaHCO3是酸式盐。后者水溶液的酸性要更强一些，碱性就较弱了”。
与解释3的错误相似，实际还是有没有氢离子。
并且还反映出了对“酸式盐”概念的理解有问题。酸式盐是从物质的组成来定义的。在一般情况下，它反映不出其溶液的酸碱性。
5. 考虑到水解程度的差别
由于弱酸根水解过程，是弱酸电离的逆过程。
而作为多元酸的碳酸来说，它有两级电离：
H2CO3HCO3-+H+，其解离常数为Ka1。
HCO3- CO32- +H+，其解离常数为Ka2。
这两个解离常数间有很大的数量级的差别，即Ka1>> Ka2。
这样，碳酸盐的水解CO32-+H2O HCO3-+OH-，关系到的是Ka2。由于Ka2很小，其逆过程就有更大的进行趋势，水解出的OH-离子就会更多一些，溶液的碱性也会更强一些。
而碳酸氢盐的水解HCO3-+H2OH2CO3+OH-，关系到的是Ka1。由于Ka1很大，其逆过程就有较小的进行趋势，水解出的OH-离子就会少一些，溶液的碱性也会更弱一些。
即，不涉及CO32-离子的第二级水解，碳酸钠溶液的碱性也要强于碳酸氢钠溶液的碱性。
但是，这种解释能反映出问题的本质吗？恐怕未必。还是要看看定量计算有怎样的结果。
二、碳酸钠与碳酸氢钠水溶液pH值的计算
在无机化学及分析化学中，这两个物质水溶液PH值的计算，都属于较为简单的一类问题。
将碳酸钠看做是一个质子碱。要计算其水溶液中的氢氧根浓度，要用到溶液的浓度c及碱的Kb1（虽然它是二元碱，但只考虑其第一级解离也就够了）。
设c为通常的浓度0.1 mol•L-1。查得碳酸的Ka1=4.30×10-7、Ka2=5.61×10-11。即CO32-离子的Kb1=Kw/ Ka2=1.0×10-14/5.61×10-11=1.78×10-4。
由于c / Kb1=0.1/1.78×10-4=561≥500，所以不能用最简式。
而只能用近似式，即来计算。
其对应的反应为CO32-+H2O HCO3-+OH-。
这样有。
因而，[H+]=2.42×10-12，pH=11.62。
要注意的是，这里根本没有考虑其第二级解离。即使计算，也是[H2CO3]=2.33×10-8。这仅是第一级解离的5.63×10-6（是十万倍的数量级差别）。
而碳酸氢钠则属于两性物质。在一般浓度的条件下，其[H+]的计算公式为（[H+]竟与浓度无关）。
其对应的反应为HCO3-+ HCO3- H2CO3+CO32-。
这样有。pH=8.30（确实小于碳酸钠溶液的11.62）。
碳酸氢钠的碱性弱于碳酸钠溶液。
三、碳酸氢钠溶液呈碱性的原因[1]
碳酸氢钠在水溶液中只可能发生三个反应。
第一个是，HCO3-离子的电离过程，HCO3- CO32- +H+。其平衡常数为Ka2=5.61×10-11。是一个很难进行的反应。
第二个是，HCO3-离子的水解反应，HCO3-+H2OH2CO3+OH-。其平衡常数为K=Kw/Ka1=1.0×10-14/4.30×10-7=2.33×10-8。者个反应也很难进行。
第三个是，HCO3-离子相互间争夺质子反应，HCO3-+ HCO3- H2CO3+CO32-。其平衡常数为K= Ka2/Ka1=5.61×10-11/4.30×10-7=1.30×10-4。差不多是HCO3-离子水解反应平衡常数的104倍，是其电离平衡的107倍。是三个反应中反应趋势最大的反应。
正因为溶液中HCO3-离子相互间争夺质子反应是最为主要的反应，才有产物端[H2CO3]与[CO32-]的近似相等。
即成立（溶液中只有一个[HCO3-]值）。
进而在等式的两端同乘以[H+]2，而有。
从上式可整理出。
这就是公式的由来。
而用HCO3-离子的水解来解释溶液的碱性是不行的。可用计算0.1mol·L-1 NaHCO3溶液的pH的方法来证明。
只考虑HCO3-离子水解，有。[H+]= 2.07×10-10，pH=9.68（要比前面按两性物质计算出、及实际测出的8.30大很多（[H+]则相差20多倍）。
对两性物质的溶液来说，是质子争夺反应（而不是水解）决定了溶液的酸碱性，是其所关联的两级解离常数决定了溶液中[H+]的大小。
严格地说，用“水解”解释碳酸氢钠溶液的碱性是错误的。因为质子争夺与水解，是性质完全不同的两类反应。
四、对这个问题的定性解释
要解释碳酸钠溶液碱性强于碳酸氢钠，最合理的解释是，两者的反应类型不同。但将两性物质离子间争夺质子的概念引入中学化学教学，确实有一些“超前”。
从两个计算公式间，也无法找出一些规律性的，可作为“依据”的普遍因素。
因为，从通常浓度（c不很小）碳酸钠溶液的最简式（一般还不至于有很大的误差）可以看出，其碱性较强是由于其Kb1较大造成的。
而碳酸氢钠的计算公式，可改写为。不难看出，其碱性较弱是由于其Kb1及Kb2都较小造成的。
所以，可以将碳酸钠溶液的碱性说成是只与第一级水解常数有关，而碳酸氢钠溶液的碱性要与两级水解常数有关（注意这里所指的仅是常数，而不是有两级水解）。Kb1不大，碳酸钠溶液要呈弱碱性。而Kb1与Kb2的乘积更小，所以碱性更弱。
这还算是一个比较严谨的解释。
估计，对中学生来说，对这种表述的理解还会有一定的难度。是否可以比喻为：
碳酸钠在溶液中有较强的水解（其Ka2小）。而碳酸氢钠除水解不强外（涉及的Ka1较大），同时还有部分的电离。这两个因素共同作用的结果使溶液的碱性变得更弱。
参考文献
[1] 伍伟夫. 两性离子的自身争夺质子反应. 化学原理补正博客

回答（2）：

对，
解释一：碳酸根水解常数是10^-3.75,碳酸氢根水解常数10^-7.62。
所以碳酸根更易水解。
另一种解释方法：碳酸的第一步电离比较容易，生成碳酸氢根；第二步电离生成碳酸根比第一步要弱。易电离就不易水解，所以水解能力碳酸根比较强

回答（3）：

因为碳酸是弱酸，不容易电离，因此碳酸根离子就很容易与水电离出的氢离子结合生成碳酸氢根离子，结合后溶液呈弱碱性，在碱性条件下碳酸氢根离子不容易和氢离子结合，也就是说碳酸根的第一步水解程度大，第二步水解程度小

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