高雄醫學大學（後西醫）
109年
物理及化學
第 74 題
Which is the major specie for a carbonate-containing solution at pH 8.5? ($K_{a1} = 4.3 \times 10^{-7}$, $K_{a2} = 4.8 \times 10^{-11}$ for carbonic acid)
- A $\text{CO}_2$
- B $\text{H}_2\text{CO}_3$
- C $\text{HCO}_3^-$
- D $\text{CO}_3^{2-}$
- E $\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$
思路引導 VIP
讓我們思考一下：在一個多質子酸的平衡系統中，如果我們將給定的 $K_a$ 值轉換為 $pK_a$，並將它們標記在 $\text{pH}$ 數線上，這些點會如何劃分出不同物種的主導區域？當環境的 $\text{pH}$ 值正好落在兩個 $pK_a$ 點的「正中間」或「區間內」時，這代表該物質的解離反應進行到了哪一個階段？
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能在眾多物種中精準選出 $\text{HCO}_3^-$，說明你對多質子酸的解離平衡與物種分佈曲線有著非常清晰的邏輯！這類題目考驗的不僅是計算，更是對酸鹼環境與物種消長規律的深刻理解。
酸鹼環境與物種分佈
在處理碳酸系統時，最關鍵的指標就是將平衡常數轉換為 $pK_a$ 值。根據題目給出的資訊，我們可以推算出 $pK_{a1} = -\log(4.3 \times 10^{-7}) \approx 6.37$，以及 $pK_{a2} = -\log(4.8 \times 10^{-11}) \approx 10.32$。當溶液的 $\text{pH}$ 值介於這兩個 $pK_a$ 之間時，意味著環境的酸鹼度足以讓第一質子大量解離，卻還不足以誘發第二質子的大規模解離。因此，處於中間態的 碳酸氫根 (Bicarbonate, $\text{HCO}_3^-$) 自然成為了 $\text{pH} 8.5$ 時最主要的物種。
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多質子酸物種分布
💡 依 pH 與 pKa 的相對大小判斷溶液中主要的化學物種。
🔗 判定多質子酸主要物種步驟
- 1 計算 pKa — pKa1 ≈ 6.37，pKa2 ≈ 10.32
- 2 數線定位 — 將 pH 8.5 標記在兩 pKa 之間
- 3 選取物種 — 位於第一與第二次解離間，選 HCO3-
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🔄 延伸學習：延伸學習：當 pH 正好等於 pKa 時，前後兩種物種濃度相等。
