第 5 講 水溶液地球化學

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這講在回答:天然水的 pH 由什麼決定?為什麼海水的 pH 這麼穩定?哪些元素容易溶在水裡、哪些不容易?岩石風化之後會變成什麼?L4 給了平衡常數 K,這一講把它用在地表最重要的溶劑:水。

考前 30 秒

  1. pH 是 master variable。解題 = TOTH/電荷平衡/質量平衡 + 各反應的 K,未知數和方程式一樣多就能解。
  2. 碳酸系統 pK1=6.35\mathrm{p}K_1 = 6.35、pK2=10.33\mathrm{p}K_2 = 10.33;和大氣平衡的雨水 pH ≈ 5.6;天然水以 HCO₃⁻ 為主。
  3. 鹼度 = Σ保守陽離子 − Σ保守陰離子(當量),CO₂ 進出不改變鹼度。
  4. 離子勢 Z/r:低(水合陽離子)和高(含氧陰離子)易溶,中間(氫氧化物)難溶 → 海水組成呈 U 形。

先認識的名詞

名詞一句話
master variable幾乎所有反應都和它有關、決定系統狀態的變數(pH、redox)
component/species用來「組出」所有物種的基本單位/溶液裡實際存在的分子或離子
TOTHcomponent H⁺ 的總量(不是 H⁺ 離子的濃度)
當量(equivalent)莫耳數 × 電荷
當量點把某個純物質溶進水會到達的 pH
鹼度(alkalinity)中和酸的能力
保守離子濃度不受 pH、T、P 影響的離子(Na⁺、Cl⁻、Ca²⁺…)
緩衝強度 β加多少酸或鹼才能讓 pH 變 1
錯合物、配位基中心金屬離子和周圍的配位基(ligand)結合的物種
一致/不一致溶解全部溶掉/溶掉一部分、留下新的固體

這一講的邏輯地圖

邏輯地圖
天然水的化學由什麼決定?
pH 是主控變數;溶得多少看離子勢
怎麼算一杯水的 pH?
TOTH、電荷平衡、質量平衡 + K
最重要的系統:碳酸
pK₁ 6.35、pK₂ 10.33;雨水 pH 5.6
純物質溶進水會到哪個 pH?
CO₂、HCO₃⁻、CO₃²⁻ 三個當量點
金屬離子在水裡長什麼樣?
水解、錯合;pH = pK 時各半
海水 pH 為什麼很穩?
鹼度 = 保守陽 − 保守陰,不受 CO₂ 影響;緩衝
誰溶得多、誰溶得少?
離子勢:兩側易溶、中間難溶
岩石風化變成什麼?
礦物穩定圖:K-長石 → 高嶺石
手機上可以左右滑動看全圖。讀法:左邊是酸鹼這條線:工具 → 碳酸系統 → 當量點 → 鹼度與緩衝,回答「pH 怎麼來、為什麼穩」;右邊是金屬這條線:水解錯合 → 溶解度 → 風化產物,回答「什麼會溶、什麼留下」。兩條線的共同語言都是 L4 的 K。

★ = 考試重點。每一節最後有「自我檢測」,先自己回答再打開。

1. 水中的四類反應,pH 是主控變數

水裡發生的反應大致分成四類:

類型例子
酸鹼H₂CO₃ = H⁺ + HCO₃⁻
溶解/沉澱KAlSi₃O₈ + H⁺ + 7H₂O = Al(OH)₃ + K⁺ + 3H₄SiO₄
錯合Hg²⁺ + H₂O = Hg(OH)⁺ + H⁺
吸附/脫附≡S + Mn²⁺ = ≡S–Mn(Mn 吸附在黏土表面)

仔細看,前三類的反應式裡都有 H⁺。所以 pH 一變,這些反應的方向全部跟著變:一杯水能溶多少 CaCO₃、金屬離子以什麼形式存在、Mn 是哪個價數,第一步都要先知道 pH。放大到地表尺度,岩石風化和沉積物沉澱也都由 pH 控制。因此 pH 被稱為水溶液系統的 master variable(L7 會講另一個:氧化還原)。

酸鹼採用 Brønsted 的定義:酸是質子(H⁺)提供者,鹼是質子接受者。強弱看它多想給或拿質子,用解離常數衡量:強酸幾乎完全解離(HCl,K ≈ 10³),弱酸只解離一點(H₂S,K = 10⁻⁷·¹)。能給也能拿的叫兩性(amphoteric),例如 HCO₃⁻ 和 Al(OH)₂⁺。

自我檢測 1
  1. 為什麼 pH 叫 master variable?
  2. HCO₃⁻ 為什麼是兩性?

答案:(1) 酸鹼、溶解沉澱、錯合反應都有 H⁺ 參與,pH 決定它們往哪走。(2) 它可以給出 H⁺ 變 CO₃²⁻,也可以接受 H⁺ 變 H₂CO₃。

2. 解題工具:三個平衡式 + K ★

要算一杯水的 pH 和各物種濃度,其實就是解聯立方程式:每個物種是一個未知數,需要一樣多的方程式。方程式有四個來源。

第一,Proton balance(TOTH)。這是 Morel & Hering 的記帳方法,用來追蹤 H⁺ 跑到哪裡。先選 component(組成所有物種的基本單位):H⁺ 和 H₂O 一定是 component,OH⁻ 不是,因為 OH⁻ = H₂O − H⁺。接著每個物種寫成 component 的組合:由 component 加上 H⁺ 形成的物種,對 TOTH 貢獻正值;由 component 扣掉 H⁺ 形成的物種,貢獻負值。純水只有 H⁺ 和 OH⁻,所以 TOTH = [H⁺] − [OH⁻]。

Component 的選法會改變 TOTH 的寫法。以 CO₂ 為碳的 component:H₂CO₃ = H₂O + CO₂(沒有加減 H⁺,貢獻 0)、HCO₃⁻ = H₂O + CO₂ − H⁺(−1)、CO₃²⁻ = H₂O + CO₂ − 2H⁺(−2):

TOTH=[H+]−[HCO3−]−2[CO32−]−[OH−]\mathrm{TOTH} = [\mathrm{H^+}] - [\mathrm{HCO_3^-}] - 2[\mathrm{CO_3^{2-}}] - [\mathrm{OH^-}]

如果改選 CO₃²⁻ 為 component,HCO₃⁻ = CO₃²⁻ + H⁺ 就變成貢獻 +1。選哪個都對,只要前後一致;通常選「那個 pH 下的主要物種」,算起來最簡單。

第二,電荷平衡:溶液是電中性的,陽離子的總當量 = 陰離子的總當量。這條永遠成立。

第三,質量守恆:酸鹼反應不會改變某個東西的總量,例如總碳 CT = [H₂CO₃] + [HCO₃⁻] + [CO₃²⁻]。但沉澱、氧化還原、吸附會改變物種的量,所以比較保險的做法是寫元素的總量(元素不會被氧化還原改變),而且要把含這個元素的物種全部列進來,例如有 PbSaq 時,ΣS = [H₂S] + [HS⁻] + [S²⁻] + [PbSaq] + …

第四,每個反應的平衡常數 K(L4)。

數一數未知數和方程式,一樣多就能解。實際的天然水物種很多,解起來很麻煩,關鍵的一步是判斷哪些物種量太少、可以忽略,下一節的例題就是這樣做。

【例題 ★ 完整解】把 Na₂CO₃ 溶進水(完全解離、封閉系統),寫出 TOTH、電荷平衡、碳守恆。還能寫什麼方程式?夠不夠解?

第一步:選 component。 配方裡放的是 Na₂CO₃,所以選 Na⁺、CO₃²⁻、H⁺、H₂O。

第二步:TOTH。 配方沒有加任何 H⁺,所以 TOTH = 0。相對於 CO₃²⁻,HCO₃⁻ 多一個 H⁺(+1)、H₂CO₃ 多兩個(+2)、OH⁻ 少一個(−1):

TOTH=[H+]+[HCO3−]+2[H2CO3]−[OH−]=0\mathrm{TOTH} = [\mathrm{H^+}] + [\mathrm{HCO_3^-}] + 2[\mathrm{H_2CO_3}] - [\mathrm{OH^-}] = 0

第三步:電荷平衡。 CO₃²⁻ 帶兩個電荷,乘 2:

[Na+]+[H+]=[HCO3−]+2[CO32−]+[OH−][\mathrm{Na^+}] + [\mathrm{H^+}] = [\mathrm{HCO_3^-}] + 2[\mathrm{CO_3^{2-}}] + [\mathrm{OH^-}]

第四步:質量守恆。 每 1 mol Na₂CO₃ 給 2 mol Na⁺ 和 1 mol 碳:CT=[H2CO3]+[HCO3−]+[CO32−]=[Na+]/2C_T = [\mathrm{H_2CO_3}] + [\mathrm{HCO_3^-}] + [\mathrm{CO_3^{2-}}] = [\mathrm{Na^+}]/2。

第五步:還能寫什麼? 三個平衡常數式 K₁、K₂、Kw。未知數 6 個(H⁺、OH⁻、H₂CO₃、HCO₃⁻、CO₃²⁻、Na⁺),方程式也是 6 個(給定 Na₂CO₃ 的量時:TOTH 或電荷平衡擇一,因為兩者等價;碳守恆;Na 的量;三個 K),可以解。

【換你算】把純 CO₂ 溶進水,以 CO₂ 為 component 寫 TOTH。它和電荷平衡有什麼關係?

提示:配方沒有加 H⁺,TOTH = 0。

答案:TOTH = [H⁺] − [HCO₃⁻] − 2[CO₃²⁻] − [OH⁻] = 0,移項就是電荷平衡 [H⁺] = [HCO₃⁻] + 2[CO₃²⁻] + [OH⁻]。沒有其他離子時,兩條式子是同一件事。

自我檢測 2
  1. 為什麼 OH⁻ 不能當 component?
  2. 哪一條式子永遠成立?質量守恆什麼時候要小心?
  3. 解水溶液問題的關鍵簡化是什麼?

答案:(1) OH⁻ = H₂O − H⁺,可以由 H₂O 和 H⁺ 組出來,不獨立。(2) 電荷平衡;有沉澱、氧化還原、吸附時物種的量會變,改寫元素的總量。(3) 判斷哪些物種量太少、可以忽略。

3. 碳酸系統 ★

碳酸系統之所以最重要,是因為它會解離放出 H⁺、也會結合 H⁺,控制了大部分天然水的 pH。CO₂ 從大氣溶進水,形成碳酸,再分兩步解離:

CO2(g)+H2O⇌H2CO3KCO2=aH2CO3/PCO2=10−1.47H2CO3⇌H++HCO3−K1=10−6.35HCO3−⇌H++CO32−K2=10−10.33H2O⇌H++OH−Kw=10−14\begin{aligned} \mathrm{CO_2(g) + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3} \quad & K_{\mathrm{CO_2}} = a_{\mathrm{H_2CO_3}}/P_{\mathrm{CO_2}} = 10^{-1.47} \\ \mathrm{H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-} \quad & K_1 = 10^{-6.35} \\ \mathrm{HCO_3^- \rightleftharpoons H^+ + CO_3^{2-}} \quad & K_2 = 10^{-10.33} \\ \mathrm{H_2O \rightleftharpoons H^+ + OH^-} \quad & K_w = 10^{-14} \end{aligned}

這些是 25 °C 的值(White 教科書);考卷若有給數值,以考卷為準。

【例題 I ★ 完整解】與大氣平衡的純水,pH 是多少?(25 °C、理想行為、PCO₂ = 3.7×10⁻⁴ atm)

第一步:先求 H₂CO₃。 和大氣平衡,PCO₂ 固定:[H₂CO₃] = KCO₂ · PCO₂ = 10⁻¹·⁴⁷ × 10⁻³·⁴³ = 10⁻⁴·⁹⁰ M。

第二步:電荷平衡,再簡化。 [H⁺] = [HCO₃⁻] + 2[CO₃²⁻] + [OH⁻]。預期是酸性(溶了 CO₂),酸性時 CO₃²⁻ 和 OH⁻ 都極少,可以忽略 → [H⁺] ≈ [HCO₃⁻]。

第三步:代入 K₁。 K₁ = [H⁺][HCO₃⁻]/[H₂CO₃] = [H⁺]²/[H₂CO₃],所以 [H⁺]² = K₁[H₂CO₃] = 10⁻⁶·³⁵ × 10⁻⁴·⁹⁰ = 10⁻¹¹·²⁵。

第四步: [H⁺] = 10⁻⁵·⁶³,pH ≈ 5.6。

檢查簡化:pH 5.6 時 [OH⁻] = 10⁻⁸·⁴,遠小於 [H⁺],忽略合理。所以就算沒有污染,雨水也是微酸的;「酸雨」定義為 pH < 5.6,就是從這裡來。

【換你算】如果大氣 CO₂ 變成兩倍,雨水 pH 變多少?

提示:[H⁺]² ∝ [H₂CO₃] ∝ PCO₂。

答案:[H⁺] 變成 √2 倍,pH 下降 log√2 = 0.15,從 5.63 變成 約 5.48。

封閉系統:各物種隨 pH 怎麼分配? 如果水不和大氣交換,總碳 CT 固定,只問它在三個物種之間怎麼分。把 K₁、K₂ 代進碳守恆,每個物種占的比例(分率 α)只跟 [H⁺] 有關:

α0=[H+]2D,α1=K1[H+]D,α2=K1K2D,D=[H+]2+K1[H+]+K1K2\alpha_0 = \frac{[\mathrm{H^+}]^2}{D},\quad \alpha_1 = \frac{K_1[\mathrm{H^+}]}{D},\quad \alpha_2 = \frac{K_1K_2}{D},\qquad D = [\mathrm{H^+}]^2 + K_1[\mathrm{H^+}] + K_1K_2

α₀、α₁、α₂ 分別是 H₂CO₃、HCO₃⁻、CO₃²⁻ 的比例。由 K₁ 的定義,[HCO3−]/[H2CO3]=K1/[H+][\mathrm{HCO_3^-}]/[\mathrm{H_2CO_3}] = K_1/[\mathrm{H^+}],所以 pH = pK₁ 時兩者剛好一樣多;pH 每高 1,HCO₃⁻/H₂CO₃ 就大 10 倍。

先預測:CT = 10 mM,pH = 8.2(接近海水)時,三種物種大概各占多少?想好再拉。

互動:碳酸物種隨 pH 的變化封閉系統(總碳 CT 固定);拉 pH 看哪個物種為主
0-2-4-6-8-10pK₁pK₂H⁺OH⁻CO₂ 當量點2468101214pHlog 濃度(M)H₂CO₃HCO₃⁻CO₃²⁻
H₂CO₃ 1.4% HCO₃⁻ 97.9% CO₃²⁻ 0.7%
這個 CT 的 CO₂ 當量點:pH ≈ 4.18
以 HCO₃⁻ 為主
三條彩色線在 pH = pK₁ 和 pK₂ 交叉(兩物種各半)。天然水 pH 約 6–9,所以 HCO₃⁻ 為主。黑點是純 CO₂ 溶液會到的 pH(H⁺ 線碰到 HCO₃⁻ 線);CT 越大,這個 pH 越低。

讀這張圖的三件事:pH < 6.35 以 H₂CO₃ 為主,6.35 到 10.33 以 HCO₃⁻ 為主,> 10.33 以 CO₃²⁻ 為主;交叉點就是 pK;天然水 pH 約 6 到 9,所以以 HCO₃⁻ 為主。

自我檢測 3
  1. 為什麼乾淨的雨水 pH 約 5.6 而不是 7?
  2. 為什麼 pH = pK₁ 時 [H₂CO₃] = [HCO₃⁻]?
  3. 海水 pH ≈ 8.2,主要的碳酸物種是什麼?

答案:(1) 大氣 CO₂ 溶進水形成碳酸,解離出 H⁺。(2) K₁ = [H⁺][HCO₃⁻]/[H₂CO₃],[H⁺] = K₁ 時兩者相等。(3) HCO₃⁻(約 90% 以上)。

4. 當量點:把純物質溶進水的 pH ★

當量點就是「把某一種純物質溶進水,系統會到的 pH」。碳酸系統有三個:

名稱條件等於什麼溶液pH(CT = 10 mM)
CO₂ 當量點[H⁺] = [HCO₃⁻]純 CO₂(H₂CO₃)溶液≈ 4.2
HCO₃⁻ 當量點[H₂CO₃] = [CO₃²⁻]純 NaHCO₃ 溶液≈ 8.3
CO₃²⁻ 當量點[HCO₃⁻] = [OH⁻]純 Na₂CO₃ 溶液≈ 10–11

條件從電荷平衡(或 TOTH)來,以 CO₂ 當量點為例:純 CO₂ 溶液的電荷平衡是 [H⁺] = [HCO₃⁻] + 2[CO₃²⁻] + [OH⁻],在酸性條件下後兩項很小,剩 [H⁺] = [HCO₃⁻]。代入 K₁,而 H₂CO₃ 幾乎就是全部碳:

[H+]2=K1CT  ⇒  pH=12(pK1−log⁡CT)=12(6.35+2)≈4.2[\mathrm{H^+}]^2 = K_1 C_T \;\Rightarrow\; \mathrm{pH} = \tfrac12(\mathrm{p}K_1 - \log C_T) = \tfrac12(6.35 + 2) \approx 4.2

HCO₃⁻ 當量點的 pH 與 CT 無關:[H₂CO₃] = [CO₃²⁻] 時,K₁K₂ = [H⁺]²[CO₃²⁻]/[H₂CO₃] = [H⁺]²,所以 pH = (pK₁ + pK₂)/2 ≈ 8.3。

在上面的互動圖裡,CO₂ 當量點就是 H⁺ 虛線碰到 HCO₃⁻ 線的黑點。下一節的鹼度就是用這個點定義的。

自我檢測 4
  1. 三個當量點的條件各是什麼?
  2. 推出 HCO₃⁻ 當量點 pH = (pK₁ + pK₂)/2。
  3. CT 變成 1 mM,CO₂ 當量點的 pH 變多少?

答案:(1) [H⁺] = [HCO₃⁻];[H₂CO₃] = [CO₃²⁻];[HCO₃⁻] = [OH⁻]。(2) K₁K₂ = [H⁺]²[CO₃²⁻]/[H₂CO₃],兩者相等時 [H⁺]² = K₁K₂。(3) ½(6.35 + 3) ≈ 4.7。

5. 鹼度:一個不受 CO₂ 影響的量 ★

鹼度(alkalinity)是溶液中和酸的能力,也就是溶液裡能被強酸滴定的鹼,以當量計。它有三種等價的定義:

  • 分析上:把溶液滴定到 CO₂ 當量點需要加的酸量。
  • 數學上:以 CO₂ 當量點的主要物種(H₂O、H⁺、CO₂…)為 component 時的 −TOTH。把第 2 節以 CO₂ 為 component 的 TOTH 加個負號:
碳酸鹼度=[HCO3−]+2[CO32−]+[OH−]−[H+]\text{碳酸鹼度} = [\mathrm{HCO_3^-}] + 2[\mathrm{CO_3^{2-}}] + [\mathrm{OH^-}] - [\mathrm{H^+}]
  • 電荷平衡上:Σ保守陽離子 − Σ保守陰離子。這是最有用的一個,下面推導。

一個當量 = 莫耳數 × 電荷。所以 1 當量的 CO₃²⁻ 是 0.5 mol,1 當量的 Cl⁻ 是 1 mol。

把離子分成兩類。保守離子在天然水的 pH 範圍內完全解離,濃度不受 pH、T、P 影響(沒有沉澱溶解時):Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl⁻、SO₄²⁻、NO₃⁻。非保守離子會在這個 pH 範圍內結合或解離 H⁺:H⁺、OH⁻、碳酸物種、B(OH)₄⁻、H₃SiO₄⁻、HS⁻、磷酸、有機酸根等,除了 H⁺ 和 NH₄⁺,幾乎都是陰離子。

推導:電荷平衡寫成兩類分開:

∑保守陽−∑保守陰+∑非保守陽−∑非保守陰=0\textstyle\sum \text{保守陽} - \sum \text{保守陰} + \sum \text{非保守陽} - \sum \text{非保守陰} = 0

移項:

Alk=∑保守陽−∑保守陰=∑非保守陰−∑非保守陽\text{Alk} = \textstyle\sum \text{保守陽} - \sum \text{保守陰} = \sum \text{非保守陰} - \sum \text{非保守陽}

右邊只有碳酸時,就是上面的碳酸鹼度。左邊只有保守離子,不隨 pH 和 CO₂ 改變,所以鹼度是保守的,即使組成它的個別物種一直在變。

先預測:往海水裡多溶一些 CO₂,pH、HCO₃⁻、CO₃²⁻、鹼度各會怎麼變?

互動:加 CO₂,鹼度變不變?鹼度固定 2.3 meq/L,改變溶進來的 CO₂(總碳 CT)
…(其餘)保守陰離子鹼度2.3 meq/LHCO₃⁻保守陽離子陰離子電荷平衡(當量):兩根一樣高
pH = 7.93
HCO₃⁻ = 2.281 mM,CO₃²⁻ = 0.009 mM
鹼度 = HCO₃⁻ + 2CO₃²⁻ + OH⁻ − H⁺ = 2.30 meq/L
CO₂ 變多 → pH 下降、CO₃²⁻ 變 HCO₃⁻;鹼度不變
CO₂ 進來只會在缺口裡面把 CO₃²⁻ 轉成 HCO₃⁻(CO₂ + CO₃²⁻ + H₂O → 2HCO₃⁻),電荷總量不變,所以右邊那根的高度不變。要改變鹼度,得改變保守離子,例如 CaCO₃ 沉澱帶走 Ca²⁺。(長條不按比例:真實海水的鹼度只占總電荷約 0.4%;這裡只算碳酸鹼度,用淡水的 K 值。)

保守陽離子比保守陰離子多出一塊「缺口」,必須由非保守陰離子補上,這個缺口就是鹼度。CO₂ 進出只改變缺口裡 HCO₃⁻ 和 CO₃²⁻ 的比例(和 pH),缺口大小不變。要改變鹼度,必須改變保守離子:CaCO₃ 沉澱帶走 Ca²⁺ 讓鹼度下降,矽酸鹽風化釋出 Ca²⁺、Na⁺ 讓鹼度上升(L6 的長期碳循環會用到)。

【例題 ★ 完整解】某河水(mM):Ca²⁺ 0.50、Mg²⁺ 0.20、Na⁺ 0.30、K⁺ 0.05、Cl⁻ 0.25、SO₄²⁻ 0.15。鹼度是多少?

第一步:都換成當量(乘電荷)。 陽離子:Ca 1.00 + Mg 0.40 + Na 0.30 + K 0.05 = 1.75 meq/L。陰離子:Cl 0.25 + SO₄ 0.30 = 0.55 meq/L。

第二步:相減。 Alk = 1.75 − 0.55 = 1.20 meq/L。

第三步:解讀。 這條河 pH 約 7 到 8,碳酸物種主要是 HCO₃⁻,所以 [HCO₃⁻] ≈ 1.2 mM。不需要量 pH 或 CO₂ 就能算出鹼度,這就是保守量的好處。

【換你算】(a) 同一條河流進湖裡,吸收了一些 CO₂,鹼度變多少?(b) 湖裡沉澱了 0.10 mM 的 CaCO₃,鹼度變多少?

提示:只有保守離子的改變會影響鹼度;Ca²⁺ 是 2 價。

答案:(a) 不變,1.20 meq/L(pH 下降,但缺口大小不變)。(b) Ca²⁺ 少了 0.10 mM = 0.20 meq/L,鹼度變成 1.00 meq/L。

用滴定量鹼度:Na₂CO₃ 加 HCl 的例子。假設理想行為、封閉系統(只有加進去的 H⁺ 和 Cl⁻ 會變)、不稀釋、完全解離。滴定前 TOTH = −[Na⁺],所以 Alk = [Na⁺];滴定中電荷平衡多了 [Cl⁻]:[Na⁺] + [H⁺] = [Cl⁻] + [HCO₃⁻] + 2[CO₃²⁻] + [OH⁻];到達終點(CO₂ 當量點)時,碳幾乎都變成 H₂CO₃,右邊只剩 Cl⁻,所以 [Na⁺] = [Cl⁻]:加進去的酸剛好等於鹼度。

Tableau 法(Morel & Hering):把 component 列在表格上方、物種列在左邊,每格填「這個物種含幾個這種 component」,TOTH 就是 H⁺ 那一欄的加總。在 CO₂ 當量點選 H₄SiO₄、B(OH)₃、H₂S、H₂PO₄⁻、CO₂ 為 component;不選 H₂CO₃,因為它含 H₂O,不獨立。

自我檢測 5
  1. 鹼度的三個定義?
  2. 從電荷平衡推出 Alk = Σ保守陽 − Σ保守陰。
  3. 為什麼 CO₂ 進出不改變鹼度?什麼會改變鹼度?
  4. 1 mmol 的 CO₃²⁻ 是多少 meq?

答案:(1) 滴定到 CO₂ 當量點所需的酸;CO₂ 當量點 component 下的 −TOTH;Σ保守陽 − Σ保守陰。(2) 電荷平衡分成保守、非保守兩類後移項。(3) CO₂ 只改變非保守物種之間的比例,保守離子不變;改變保守離子的過程(CaCO₃ 沉澱、風化)會改變鹼度。(4) 2 meq。

6. 緩衝強度:pH 有多難被改變

鹼度說的是「總共能中和多少酸」,緩衝強度說的是「此刻 pH 有多難推動」:

β=dCBd pH=−dCAd pH\beta = \frac{dC_B}{d\,\mathrm{pH}} = -\frac{dC_A}{d\,\mathrm{pH}}

CB、CA 是加入的強鹼、強酸(當量)。β 越大,加同樣的酸鹼,pH 變得越少。

0-1-2-3-4-5pK₁pK₂CO₂ 當量點HCO₃⁻ 當量點24681012pHlog β(eq/L 每 pH)
封閉碳酸系統(C_T = 10 mM)的緩衝強度 β 對 pH(對數座標)。β 在 pH = pK₁、pK₂ 最大,因為那裡兩種物種一樣多,加進來的酸或鹼都有對象可以中和;在當量點最小,那裡幾乎只有一種物種,pH 很容易被推動。pH 很低或很高時 β 又變大,是 H⁺、OH⁻ 本身多到能緩衝。自繪示意圖;概念參考:課堂投影片 L5 p.27–28;用 K₁、K₂ 計算

直覺上,緩衝靠的是「一對酸和鹼同時存在」:加酸時有鹼接住 H⁺,加鹼時有酸補出 H⁺。兩者一樣多時(pH = pK)緩衝最好;只剩一種時(當量點)最差。這就是為什麼 pH 約 8 的海水,靠 HCO₃⁻/CO₃²⁻(加上硼酸)撐住 pH。

開放系統(和大氣交換、PCO₂ 固定,投影片 p.28 的例子)的緩衝強度是 β=2.303([H+]+[OH−]+[HCO3−]+4[CO32−])\beta = 2.303([\mathrm{H^+}] + [\mathrm{OH^-}] + [\mathrm{HCO_3^-}] + 4[\mathrm{CO_3^{2-}}]),pH 越高 β 越大,因為大氣會一直補 CO₂ 進來。

自我檢測 6
  1. 鹼度和緩衝強度差在哪?
  2. 封閉碳酸系統的 β 在哪裡最大、哪裡最小?為什麼?

答案:(1) 鹼度是能中和的酸的總量;緩衝強度是此刻 pH 對加酸鹼的敏感度。(2) pH = pK₁、pK₂ 最大(酸鹼兩種物種一樣多),當量點最小(幾乎只有一種物種)。

7. 錯合:金屬離子在水中的樣子

金屬離子在水裡很少是「裸」的,常常和周圍的分子或離子結合成錯合物(complex):中心通常是金屬離子,周圍的叫配位基(ligand)。這種結合比真正的化學鍵弱,但強到足以形成可以辨認的物種。錯合很重要,因為它改變離子的溶解度和反應性:有時是沉澱的中間步驟,有時形成很穩定、可溶的錯合物,大幅增加溶解度。

最常見的配位基就是水本身。Fe³⁺ 在水中是 Fe(H₂O)₆³⁺,中心的正電荷排斥水分子上的 H,讓這些水比一般的水更容易放出 H⁺。所以水合金屬離子本身就是弱酸,會一步一步水解:

Fe(H2O)63+⇌Fe(H2O)5(OH)2++H+⇌Fe(H2O)4(OH)2++2H+⇌⋯\mathrm{Fe(H_2O)_6^{3+}} \rightleftharpoons \mathrm{Fe(H_2O)_5(OH)^{2+} + H^+} \rightleftharpoons \mathrm{Fe(H_2O)_4(OH)_2^{+} + 2H^+} \rightleftharpoons \cdots

電荷越高、半徑越小,排斥越強,越容易水解;這就是下一節「離子勢」的伏筆。

【例題 ★ 完整解】Pb²⁺ + H₂O = PbOH⁺ + H⁺,K = 10⁻⁷·⁷,總 Pb = 10⁻⁸ M。求 pH 6 到 9 時 PbOH⁺ 占多少。

第一步:寫分率。 α = [PbOH⁺]/([Pb²⁺] + [PbOH⁺])。

第二步:用 K 消去。 [PbOH⁺] = K[Pb²⁺]/[H⁺],代入後 [Pb²⁺] 約掉:α = K/(K + [H⁺])。總 Pb 濃度不影響分率。

第三步:代 pH。

pH677.789
α0.020.170.500.670.95

規律:pH = pK(7.7)時剛好各占一半,和碳酸系統的交叉點是同一個道理。pH 越高,越多 Pb 被水解。

穩定常數:錯合物一步一步形成,每一步有自己的 K(逐步常數),從頭到某一步的總常數叫 β(累積常數),等於各步 K 相乘:

Zn2++OH−⇌ZnOH+β1=K1ZnOH++OH−⇌Zn(OH)2K2Zn2++2OH−⇌Zn(OH)2β2=K1K2\begin{aligned} \mathrm{Zn^{2+} + OH^- \rightleftharpoons ZnOH^+} \quad & \beta_1 = K_1 \\ \mathrm{ZnOH^+ + OH^- \rightleftharpoons Zn(OH)_2} \quad & K_2 \\ \mathrm{Zn^{2+} + 2OH^- \rightleftharpoons Zn(OH)_2} \quad & \beta_2 = K_1K_2 \end{aligned}
自我檢測 7
  1. 為什麼 Fe(H₂O)₆³⁺ 是弱酸?
  2. 錯合一定會讓金屬沉澱嗎?
  3. β₃ 和 K₁、K₂、K₃ 的關係?

答案:(1) 中心 Fe³⁺ 的正電荷排斥水分子的 H,容易放出 H⁺。(2) 不一定,穩定的可溶錯合物反而會增加溶解度。(3) β₃ = K₁K₂K₃。

8. 溶解與沉澱 ★

哪些元素容易溶?看離子勢。上一節說中心離子的電荷越高、半徑越小,越會影響周圍的水。把這兩個量合成離子勢 Z/r,就能預測元素在水中的命運:

Z/r = 3Z/r = 9水合陽離子:易溶氫氧化物:難溶含氧陰離子:易溶CsRbKNaLiBaSrCaMnFe²⁺MgLaYLuScFe³⁺AlBThCe⁴ZrTiMn⁴SiCNbPNMoS00.40.81.21.6+1+2+3+4+5+6離子半徑 r(Å,= Z ÷ 離子勢)電荷 Z
橫軸是離子半徑 r,縱軸是電荷 Z,所以通過原點的直線就是固定的離子勢 Z/r。低離子勢(藍綠,左下到右邊):電荷小、半徑大,在水中是水合陽離子,易溶。中離子勢(橘):水解成氫氧化物,最難溶,Fe³⁺、Al³⁺、Ti⁴⁺、Zr⁴⁺ 都在這裡,所以它們留在風化殘餘的土壤裡。高離子勢(紫,靠縱軸):小而高電荷,和 O 形成共價的含氧陰離子(CO₃²⁻、NO₃⁻、SO₄²⁻、PO₄³⁻),又變得易溶。分界約在 Z/r ≈ 3 和 ≈ 9(投影片寫中間是 ~4–10,邊界是大概的)。自繪示意圖;概念參考:Z/r 數值依 White (2013) Table 6.3;課堂投影片 L5 p.34

推理是這樣的。離子勢低的離子(K⁺、Na⁺、Ca²⁺)對水的影響小,只是被水分子圍著,以水合陽離子溶在水中,所以易溶。離子勢中等的(Fe³⁺、Al³⁺、Ti⁴⁺、Zr⁴⁺)會把水分子的 H⁺ 擠掉,形成氫氧化物,而氫氧化物是電中性的固體,所以最難溶。離子勢高的(C⁴⁺、N⁵⁺、S⁶⁺、P⁵⁺)更進一步,和 O 形成共價鍵,氧給出的電子比原本的正電荷還多,變成含氧陰離子(CO₃²⁻、NO₃⁻、SO₄²⁻、PO₄³⁻),又變得易溶。

離子勢例子在水中溶解度
低(≲ 3)Cs⁺、K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺水合陽離子易溶
中(≈ 3–9)Fe³⁺ 4.7、Zr⁴⁺ 5.1、Al³⁺ 5.9、Ti⁴⁺ 5.9水解成氫氧化物最難溶
高(≳ 9)Si⁴⁺ 9.5、B³⁺ 13、P⁵⁺ 14、S⁶⁺ 20、C⁴⁺ 25、N⁵⁺ 38和 O 共價鍵結成含氧陰離子易溶

週期表上,左邊是低離子勢、右上是高離子勢,所以純水中週期表兩側的元素易溶、中間的難溶。海水組成在週期表上就呈現 U 形:

121314151617Li1.4Be-4.7B2.6C3.4F1.8Na5.7Mg4.7Al-2.7Si2.0P0.3S4.5Cl5.7K4.0Ca4.0Sc-4.8Ti-4.8V-1.5Cr-2.4Mn-3.3Fe-3.3Co-4.7Ni-2.1Cu-2.4Zn-2.3Ga-4.7Ge-4.2As-1.6Se-2.8Br2.9Rb0.1Sr1.9Y-3.7Zr-3.7Nb-5.4Mo-1.0Ag-4.7Cd-3.2Sn-5.4Sb-2.9I-0.3Cs-2.6Ba-1.0La-4.5Hf-6.0Ta-7.0W-4.3Re-4.4Au-7.0Hg-6.0Tl-4.2Pb-5.0Bi-7.0Th-7.0U-1.9錒系 →少 −7+6 多log 濃度(μmol/kg)
海水中各元素的濃度,畫在週期表上(橘色越濃 = 越多,數字是 log μmol/kg,只看數量級)。左邊的鹼金屬、鹼土金屬(低離子勢,水合陽離子)和右邊的 B、C、S、Cl、Br、Mo、U(高離子勢,含氧陰離子或鹵素陰離子)很多;中間的 Al、Ti、Fe、Zr、Th 等(中離子勢,氫氧化物)極少,呈 U 形。空白格是沒有列出的元素(含 H、O、N 和溶解的惰性氣體)。U 和 Th 同在錒系,U⁶⁺ 形成碳酸鈾醯錯合物而易溶,Th⁴⁺ 不易溶,差了五個數量級。自繪示意圖;概念參考:數量級整理自 Nozaki (1997);White (2013) Fig. 15.5;課堂投影片 L5 p.35

中間的元素在純水裡溶解度低,但在成分複雜的天然水裡,可以靠錯合(第 7 節)提高溶解度,例如 U⁶⁺ 和碳酸形成錯合物。

溶解度怎麼算:先寫反應,再用 x 表示每個離子。溶解度的定義是「每單位體積能溶掉多少 mol 的固體」,所以用「1 mol 固體產生 1 mol」的那個溶質來定義 x 最方便:

NaCl:x=[Na+]=[Cl−],Ksp=x2  ⇒  x=KspCaF2:x=[Ca2+],[F−]=2x,Ksp=x(2x)2=4x3  ⇒  x=(Ksp/4)1/3\begin{aligned} \mathrm{NaCl}:&\quad x = [\mathrm{Na^+}] = [\mathrm{Cl^-}], \quad K_{sp} = x^2 \;\Rightarrow\; x = \sqrt{K_{sp}} \\ \mathrm{CaF_2}:&\quad x = [\mathrm{Ca^{2+}}], \quad [\mathrm{F^-}] = 2x, \quad K_{sp} = x(2x)^2 = 4x^3 \;\Rightarrow\; x = (K_{sp}/4)^{1/3} \end{aligned}
【例題 ★ 完整解】純水中螢石的溶解度(Ksp = 3.9×10⁻¹¹)

第一步:寫反應並定義 x。 CaF₂ ⇌ Ca²⁺ + 2F⁻,1 mol 螢石給 1 mol Ca²⁺,所以 x = [Ca²⁺],[F⁻] = 2x。

第二步:代入 Ksp。 Ksp = x(2x)² = 4x³。

第三步:解。 x = (3.9×10⁻¹¹/4)1/3 = (9.75×10⁻¹²)1/3 ≈ 2.1×10⁻⁴ M。

比較 L4 的例題:那裡 [F⁻] 固定在 0.1 mM,[Ca²⁺] 可以到 3.9 mM;這裡 F⁻ 全部來自螢石本身(4.2×10⁻⁴ M),Ca²⁺ 反而只有 0.21 mM。F⁻ 越多,Ca 溶得越少(共同離子效應)。

【換你算】頑輝石 MgSiO₃ + 3H₂O ⇌ Mg²⁺ + H₄SiO₄ + 2OH⁻,若 K = 4×10⁻¹⁶,溶解度是多少?

提示:x = [Mg²⁺] = [H₄SiO₄],[OH⁻] = 2x,K = 4x⁴。

答案:x⁴ = 10⁻¹⁶,x = 10⁻⁴ M。(K 是為了好算而假設的值。)

三類溶解

類型例子溶解度
共價固體直接溶解葡萄糖:C₆H₁₂O₆(s) ⇌ C₆H₁₂O₆(aq)x = K
一致溶解(congruent,全部溶掉)NaCl、CaF₂;頑輝石 MgSiO₃用 1:1 的溶質定義 x
不一致溶解(incongruent,留下新固體)K-長石 → 高嶺石:2KAlSi₃O₈ + 2H⁺ + 9H₂O ⇌ Al₂Si₂O₅(OH)₄ + 2K⁺ + 4H₄SiO₄用能對應回原礦物的溶質:x = [K⁺](= ½[H₄SiO₄])

TDS(total dissolved solids)是每公升溶液中所有溶質的乾重,包含離子和共價溶質。海水平均密度 1.034 kg/L,可以看成約 1 kg 水加上 34 g 溶質。TDS 影響密度、溶解度和用途(TDS 高的水會在管線裡沉澱結垢),它反映的是降水與蒸發、風化(溶解沉澱、淋溶、離子交換)、溫度、pH、氣體溶解度和生物作用。

自我檢測 8
  1. 用離子勢解釋為什麼 Al、Fe³⁺ 留在土壤,而 Na、Cl 進入海洋。
  2. 為什麼 S⁶⁺ 電荷那麼高卻易溶?
  3. CaF₂ 的 Ksp 為什麼是 4x³?
  4. 一致和不一致溶解差在哪?

答案:(1) Al³⁺、Fe³⁺ 離子勢中等,水解成難溶的氫氧化物留在原地;Na⁺ 離子勢低(水合陽離子),Cl⁻ 是陰離子,都易溶,被河流帶到海洋。(2) 離子勢很高,和 O 共價鍵結成 SO₄²⁻ 陰離子,易溶。(3) [F⁻] = 2x,x·(2x)² = 4x³。(4) 一致溶解全部溶掉;不一致溶解留下新的固體(例如長石留下高嶺石)。

9. 礦物穩定圖:風化會變成什麼 ★

K-長石在地表風化成高嶺石,是一個不一致溶解。這個反應會不會發生,要看水的組成。把它的 K 寫出來(固體和水的活度 = 1):

2KAlSi3O8+2H++9H2O=Al2Si2O5(OH)4+2K++4H4SiO4K=aK+2 aH4SiO44aH+2  ⇒  log⁡K=2log⁡aK+aH++4log⁡aH4SiO4\begin{aligned} & \mathrm{2KAlSi_3O_8 + 2H^+ + 9H_2O = Al_2Si_2O_5(OH)_4 + 2K^+ + 4H_4SiO_4} \\ & K = \frac{a_{\mathrm{K^+}}^2\,a_{\mathrm{H_4SiO_4}}^4}{a_{\mathrm{H^+}}^2} \;\Rightarrow\; \log K = 2\log\frac{a_{\mathrm{K^+}}}{a_{\mathrm{H^+}}} + 4\log a_{\mathrm{H_4SiO_4}} \end{aligned}

整理成直線的形式:

log⁡aK+aH+⏟y=−2 log⁡aH4SiO4⏟x+12log⁡K⏟b\underbrace{\log\frac{a_{\mathrm{K^+}}}{a_{\mathrm{H^+}}}}_{y} = -2\,\underbrace{\log a_{\mathrm{H_4SiO_4}}}_{x} + \underbrace{\tfrac12\log K}_{b}

在 y 對 x 的圖上,這是一條斜率 −2 的直線,線上兩種礦物平衡。線的上方(K⁺ 多、H⁺ 少、矽多)表示產物太多、Q > K,反應往左,K-長石穩定;線的下方反應往右,長石風化成高嶺石。x 也有上限:非晶質矽的溶解 SiO₂(am) + 2H₂O ⇌ H₄SiO₄,K = 10⁻²·⁷⁴(25 °C),所以 log[H₄SiO₄] 超過 −2.74 時矽會沉澱。

先預測:多雨的熱帶(雨水把 K⁺ 和矽帶走、pH 偏低),點會往哪個方向移動?

互動:K-長石會不會風化成高嶺石?拉 pH、K⁺、溶解矽,看水的組成落在線的哪一側
K-長石高嶺石非晶質矽會沉澱-6-5-4-3-2-10246810log [H₄SiO₄]log([K⁺]/[H⁺])
y = log([K⁺]/[H⁺]) = log[K⁺] + pH = 2.0
直線在這個 x 的高度:−2x − 2 = 6.0
在線下方:高嶺石穩定,K-長石會被風化
降低 pH(雨水多、酸性)或把 K⁺、矽帶走(淋溶),點會往下、往左移,進入高嶺石區,這就是強烈風化的方向。直線依投影片 25 °C 的線(截距約 −2),考試以題目給的 K 為準。

降低 pH、帶走 K⁺ 和矽,都讓點往下、往左移,進入高嶺石區,所以強烈風化的地區土壤富含高嶺石(再更強會變成 gibbsite,鋁的氫氧化物,對應第 8 節 Al 的低溶解度)。

【例題 ★ 完整解】地下水 pH 6、[K⁺] = 10⁻⁴ M、log[H₄SiO₄] = −4,若 ½ log K = −2,哪個礦物穩定?

第一步:算實際的 y。 y = log([K⁺]/[H⁺]) = log[K⁺] + pH = −4 + 6 = 2。

第二步:算直線在這個 x 的高度。 y線 = −2(−4) + (−2) = 6。

第三步:比較。 2 < 6,落在直線下方 → 高嶺石穩定,K-長石會被風化成高嶺石。

【換你算】同一個地下水,pH 要升到多少,K-長石才會穩定?

提示:要 y > 6,而 y = −4 + pH。

答案:pH > 10。天然地下水幾乎達不到,所以在這種 K⁺ 和矽濃度下,長石一定會風化。

自我檢測 9
  1. 從 log K 推出斜率 −2 的直線。
  2. 線的上方、下方各是什麼礦物穩定?為什麼?
  3. 為什麼 x 軸有上限?

答案:(1) log K = 2 log(aK/aH) + 4 log aSi,移項除以 2。(2) 上方 K-長石(產物太多,Q > K,往左),下方高嶺石。(3) log[H₄SiO₄] > −2.74 時非晶質矽會沉澱。

容易混淆的地方

容易搞混正確理解
TOTH 就是 [H⁺]?TOTH 是 component H⁺ 的總量,包含所有含 H⁺ 的物種,扣掉少 H⁺ 的物種
加 CO₂ 會降低鹼度?不會;pH 下降,但鹼度不變。改變保守離子(CaCO₃ 沉澱)才會
鹼度大 = 緩衝強度大?不一樣:鹼度是總量,β 是此刻 pH 的敏感度;β 在 pH = pK 最大
當量 = 莫耳?當量 = 莫耳 × 電荷;1 mmol CO₃²⁻ = 2 meq
電荷越高越難溶?不是單調的:離子勢中等最難溶,高的反而形成含氧陰離子易溶
Ksp = x² 通用?只適用 1:1 的鹽;CaF₂ 是 4x³
線的上方是高嶺石?上方(K⁺/H⁺ 高)是 K-長石;往下(酸、淋溶)才是高嶺石

章末綜合題

1.(觀念)用「碳酸系統 → 當量點 → 鹼度 → 緩衝」這條鏈,解釋為什麼海水 pH 長期維持在約 8.2,即使大氣 CO₂ 會變。

海水中碳主要以 HCO₃⁻ 存在(pH 介於 pK₁ 和 pK₂ 之間)。鹼度由保守離子決定(Σ保守陽 − Σ保守陰),CO₂ 進出不改變它;CO₂ 增加時只是把 CO₃²⁻ 轉成 HCO₃⁻,pH 只降一點。而且 HCO₃⁻ 和 CO₃²⁻ 同時存在,有緩衝能力。長期來說,pH 由鹼度控制,而鹼度要靠風化(加 Ca²⁺、Na⁺)和 CaCO₃ 沉澱(帶走 Ca²⁺)來改變,這些過程很慢,所以 pH 很穩定。

2.(計算)CT = 2 mM 的封閉系統,pH = 7.35。HCO₃⁻ 和 H₂CO₃ 各是多少?

pH − pK₁ = 1,所以 [HCO₃⁻]/[H₂CO₃] = 10。CO₃²⁻ 可忽略(pH 比 pK₂ 低 3)。H₂CO₃ = 2/11 = 0.18 mM,HCO₃⁻ = 20/11 = 1.82 mM。

3.(計算)某湖水 Ca²⁺ 1.0、Na⁺ 0.5、Cl⁻ 0.4、SO₄²⁻ 0.3(mM)。(a) 鹼度?(b) 假設碳酸物種都是 HCO₃⁻,[HCO₃⁻] 多少?(c) 酸雨加入 0.1 mM 的 H₂SO₄(全部解離),鹼度變多少?

(a) 陽 2.0 + 0.5 = 2.5 meq/L;陰 0.4 + 0.6 = 1.0 meq/L;Alk = 1.5 meq/L。(b) 1.5 mM。(c) SO₄²⁻ 是保守陰離子,多了 0.2 meq/L,Alk = 1.3 meq/L(加進來的 H⁺ 被 HCO₃⁻ 中和掉,鹼度因此減少)。

4.(應用)用離子勢解釋:為什麼紅土(強烈風化的土壤)富含 Fe、Al,而海水富含 Na、Cl、SO₄²⁻?

風化時,離子勢低的 Na⁺、K⁺、Ca²⁺ 以水合陽離子溶走,離子勢高的 S、C 形成含氧陰離子溶走,Cl⁻ 本身就是易溶陰離子,它們都被河流帶進海洋。離子勢中等的 Fe³⁺、Al³⁺ 水解成難溶的氫氧化物,留在原地,越風化越富集,形成紅土(礦物穩定圖上也是往高嶺石、gibbsite 方向走)。

延伸:看過就好

水的特殊性質(p.2):除了氨以外,固體和液體中熱容最高;汽化潛熱最高;液體中表面張力最高;密度最大值在 4 °C;冰比水輕;是已知溶解力最強的溶劑。

TDS 分類(p.40)

水的類型TDS (mg/L)例子
Fresh< 1,000雨水、河水、大部分湖泊
Brackish1,000–10,000河口、潟湖、近岸含水層
Saline10,000–100,000海洋(~35,000)、部分地熱水
Brine> 100,000淺潮間盆地、地熱水

元素分類(p.36):A-metals(鹼金屬、鹼土、REE 等)、transition metals、B metals(Cu、Zn、Ag、Cd、Hg、Pb 等)、ligand formers(B、C、N、O、F、P、S、Cl、As、Se、Br、I 等)。

完整離子勢表(White Table 6.3)

  • 低:Cs⁺ 0.60、Rb⁺ 0.68、K⁺ 0.75、Na⁺ 1.0、Li⁺ 1.5、Ba²⁺ 1.5、Sr²⁺ 1.8、Ca²⁺ 2.0、Mn²⁺ 2.5、La³⁺ 2.6、Fe²⁺ 2.7、Co²⁺ 2.8、Mg²⁺ 3.0
  • 中:Y³⁺ 3.3、Lu³⁺ 3.5、Sc³⁺ 3.7、Th⁴⁺ 3.9、Ce⁴⁺ 4.3、Fe³⁺ 4.7、Zr⁴⁺ 5.1、Be²⁺ 5.7、Al³⁺ 5.9、Ti⁴⁺ 5.9、Mn⁴⁺ 6.7、Nb⁵⁺ 7.5
  • 高:Si⁴⁺ 9.5、Mo⁶⁺ 9.7、B³⁺ 13、P⁵⁺ 14、S⁶⁺ 20、C⁴⁺ 25、N⁵⁺ 38

溶解度、飽和、濃度(p.41):solubility 是平衡時能溶解的量;saturation 是溶液能容納的最大溶質濃度。濃度單位有 molarity(mol/L)、molality(mol/kg)、ppm(mg/kg = μg/g)。