我們在國中曾經學過「中性純水的pH值是7.0」的說法

但是相同的中性純水

不管在任何情況下

pH值都固定是7.0嗎？

同學們可能會覺得這個問題很奇怪

相同的液體pH值不都是固定的嗎？

怎麼會改變呢？

先別急著下定論

或許學完這個單元後

會有不同的想法喔

在影片「【觀念】水的解離反應與pH值的計算」中

我們學到了水的解離反應

如畫面中的反應式所示

水分子會自行解離成氫離子與氫氧離子

另外

在影片「【觀念】平衡常數與反應式的關係」

我們曾學過如何寫出平衡常數與物質濃度的關係式

水的解離為自解離反應

會解離成水合氫離子和氫氧根離子

解離度很低

而水合氫離子通常簡化後以「H＋」表示

平衡常數可以寫為「氫離子濃度與氫氧離子濃度的乘積」

科學家將它稱作「水的離子積常數」

簡稱Kw

凡是有水分子存在的環境中

不論是純水或是水溶液

這個關係式都會成立

而在25度C時

Kw值為1.00乘10的負14次方

已知每莫耳的水質量是18克

假設密度是1

體積就是18毫升

因此可算出純水的體積莫耳濃度為55.6 M

由Kw值可求出水解離出來的氫離子與氫氧離子的濃度為

1.00乘10的負7次方M

所以解離度為1.8乘10的負7次方%

十億個水分子中僅有1.8個水分子解離

解離度極小

同學們還記得哪些因素會影響平衡常數的大小呢？

答案是溫度及物質的本性

對於吸熱反應而言

溫度升高會使平衡右移

平衡常數因此變大

反之

放熱反應的平衡常數會隨溫度升高而變小

讓我們回到水的解離反應

水的解離需要破壞共價鍵

所以水分子必須吸收能量

才能夠變成氫離子與氫氧離子

因此水的解離反應在溫度上升時

會向右移動

氫離子、氫氧離子的濃度與解離度也因此增加

平衡常數

也就是Kw

會隨著溫度上升而變大

畫面中的表格呈現不同溫度時水的Kw值

溫度高於25度C時

Kw值比1.00乘10的負14次方大

而溫度低於25度C時

Kw值比1.00乘10的負14次方小

更仔細觀察表格中的數值

可發現溫度越高

Kw值越大

兩者呈現非線性的正相關關係

在影片「【觀念】水的解離反應與pH值的計算」中

我們學到了pH值的定義與計算

在25度C時

Kw值為1.00乘10的負14次方

因為在純水中

氫離子濃度與氫氧離子濃度是相同的

因此可算出此時氫離子的濃度為1.00乘10的負7次方M

所以pH值為7

那如果是80度C的純水呢？

在80度C時

Kw值為25.0乘10的負14次方

而在純水中氫離子與氫氧離子濃度是相同的

因此可算出此時氫離子的濃度為5.00乘10的負7次方M

所以pH值約為6.3

接著讓我們試著計算低於25度C時的狀況

已知18度C時的Kw值為6.4乘10的負15次方

請問18度C純水的pH值是多少呢？

在純水中

氫離子濃度與氫氧離子濃度是相同的

因此可算出此時氫離子的濃度為0.80乘10的負7次方M

所以pH值為7.1

經過以上的計算

可以得知在低於25度C時

純水的pH值會大於7.0

由以上計算可以發現

溫度越高時

隨著Kw值變大

解離出來的離子濃度也越高

因此

pH變小

解離度越高

與勒沙特列原理平衡向右移動的推論相符

還記得影片一開始請同學們思考的問題

相同的中性純水

不管在任何情況下

pH值都固定是7.0嗎？

答案是否定的

純水只有在溫度為25度C時的pH值是7.0

當溫度高於25度C時

純水的pH值會比7.0小

反之

當溫度低於25度C時

純水的pH值會比7.0大

最後讓我們複習一下今天學到的觀念：

由於水的解離屬於吸熱反應

當溫度升高時

平衡向右、解離方向移動

造成水的解離度提高

離子積常數Kw值變大

而純水的pH值也因此隨之變小

也就是說

溫度的改變會影響水的解離度、Kw值以及液體的pH值

想想看

80度C時pH值為7.0的溶液

是酸性、中性或是鹼性的呢？

你是怎麼推論的呢？

歡迎在影片下方留言區告訴我們你的答案

我們下次見