题目

欲使 mathrm(HPO)_4^2- 为主要存在型体,磷酸溶液pH应控制在()。(已知:磷酸的mathrm(pK)_(a1)^theta = 2.15, mathrm(pK)_(a2)^theta = 7.21, mathrm(pK)_(a3)^theta = 12.35)A 7.21 ~ 12.35B 2.15 ~ 7.21C 大于12.35D 小于7.21

欲使 $\mathrm{HPO}_4^{2-}$ 为主要存在型体,磷酸溶液pH应控制在()。 (已知:磷酸的 $\mathrm{pK}_{a1}^{\theta} = 2.15$, $\mathrm{pK}_{a2}^{\theta} = 7.21$, $\mathrm{pK}_{a3}^{\theta} = 12.35$) A 7.21 ~ 12.35 B 2.15 ~ 7.21 C 大于12.35 D 小于7.21

题目解答

答案

根据磷酸的pKa值： - pH < 2.15时，H₃PO₄为主。 - 2.15 < pH < 7.21时，H₂PO₄⁻为主。 - 7.21 < pH < 12.35时，HPO₄²⁻为主。 - pH > 12.35时，PO₄³⁻为主。 要使HPO₄²⁻为主要型体，需满足： \[ 7.21 < pH < 12.35 \] 答案：A. 7.21~12.35

解析

本题考查多元弱酸溶液中各型体分布与溶液pH的关系。解题的关键在于理解多元弱酸的解离平衡以及pKa值与溶液pH的对应关系，通过比较溶液pH和各解离常数的pKa值来确定主要存在型体。

磷酸（$H_3PO_4$）是三元弱酸，在水溶液中存在三步解离平衡：

  1. 第一步解离：$H_3PO_4 \rightleftharpoons H^+ + H_2PO_4^-$，其解离常数为$K_{a1}^{\theta}$，$pK_{a1}^{\theta} = 2.15$。当$pH \lt pK_{a1}^{\theta}=2.15$时，说明溶液酸性较强，$H^+$浓度较高，根据勒夏特列原理，平衡向左移动，此时$H_3PO_4$为主要存在型体。
  2. 第二步解离：$H_2PO_4^- \rightleftharpoons H^+ + HPO_4^{2-}$，其解离常数为$K_{a2}^{\theta}$，$pK_{a2}^{\theta} = 7.21$。当$pK_{a1}^{\theta}\lt pH \lt pK_{a2}^{\theta}$，即$2.15 \lt pH \lt 7.21$时，溶液酸性相对较弱，$H^+$浓度有所降低，第一步解离产生的$H_2PO_4^-$会进一步解离，但还未大量转化为$HPO_4^{2-}$，所以$H_2PO_4^-$为主要存在型体。
  3. 第三步解离：$HPO_4^{2-} \rightleftharpoons H^+ + PO_4^{3-}$，其解离常数为$K_{a3}^{\theta}$，$pK_{a3}^{\theta} = 12.35$。当$pK_{a2}^{\theta}\lt pH \lt pK_{a3}^{\theta}$，即$7.21 \lt pH \lt 12.35$时，溶液碱性增强，$H^+$浓度进一步降低，第二步解离产生的$HPO_4^{2-}$会部分解离，但还未大量转化为$PO_4^{3-}$，所以$HPO_4^{2-}$为主要存在型体。当$pH \gt pK_{a3}^{\theta}=12.35$时，溶液碱性很强，$H^+$浓度极低，平衡向右移动，$PO_4^{3-}$为主要存在型体。

综上，要使$HPO_4^{2-}$为主要型体，溶液pH应控制在$7.21 \lt pH \lt 12.35$。