化學夥伴/酸和鹼

酸和鹼

酸和鹼是化合物，它們具有一個或多個“鬆散”的氫 (H) 或氫氧根 (OH) 附著在它們上面。這些氫或氫氧根與化合物的鍵合併不牢固，它們很容易斷裂。正是氫和氫氧根賦予了酸和鹼它們的性質。

我們對酸和鹼的認識如何改變

人們很早就注意到了酸和鹼之間的差異。自從中世紀以來，人們就開始注意到兩者之間的差異。關於 pH 值和酸鹼反應的發現始於 20 世紀初。

大多數早期的酸鹼理論都是錯誤的，但至少它們是在嘗試。在 1700 年代中期，一位名叫安託萬·拉瓦錫的人提出了一種理論。他得出結論，氧氣和水使物質呈酸性。硫酸是 H₂SO₄，它可以由 H₂O 和 SO₃ 製成。因此，他認為是氧氣使其呈酸性。事實並非如此。一些含有氧氣的溶液，如 CaO，是鹼性的。還有一些不含氧氣的酸。

一位名叫漢弗萊·戴維爵士的人得出結論，氫是酸性的原因。另一位名叫尤斯圖斯·馮·李比希的人同意漢弗萊的觀點，並詳細闡述了該理論。他假設氫可以形成離子鍵，其中氫起著金屬的作用。他認為酸是氫的鹽。這是一個很好的理論，但它沒有解釋為什麼許多含有氫的化合物是中性的，如水，或鹼性的，如 NH₃。

最後，在 1887 年，斯萬特·阿倫尼烏斯提出了一個相當好的解釋。他得出結論，酸在水溶液中發生電離。在溶液中，它們與氫離子形成鍵。鹼也是這樣，只不過它們與氫氧根形成離子鍵。這可能有一點偏差，但它確實解釋了一些事情，比如水是中性的。由於 H₂O 是氫 (H⁺) 和氫氧根 (OH^-) 的組合，所以它是中性的。

修正阿倫尼烏斯定義

阿倫尼烏斯關於酸釋放氫離子和鹼吸收氫離子的說法是正確的，但該理論並不完整。當酸釋放氫時，它不會長時間保持單個氫的形態，如果有任何水在附近，正氫離子會被氧原子的負極吸引，形成 H₃O⁺。這不是共價鍵。氫只是被略微負性的氧吸引。

兩性離子的水解

兩性離子是既不顯酸性也不顯鹼性的物質，但只要加水就會變成酸性或鹼性。以 NaHCO₃ 為例。它本身看起來並不太酸性，但如果把它和水混合，鈉就會分離。它仍然靠近其他離子，仍然在技術上與 HCO₃ 鍵合。這就像在跳舞，如果你沒有與你的舞伴手拉手，你只是靠得很近。然後，溶液中發生了一些事情。水想要與 HCO₃ 鍵合，所以它們就讓 Na 留在那裡。這就像如果其中一個舞者找到另一個跳舞的人，就離開了。真是粗魯。無論如何，HCO₃ 和 H₂O 鍵合，形成 OH^- 和 H₂CO。OH^- 當然是鹼性的。另一個例子是 NaHSO₄。在水中，Na 再次與離子解離，H₂O 進入。它們形成 HSO₄ 和一個額外的氫 (酸)。這個氫發現一些水，並形成 H₃O。

金屬和非金屬氧化物的水解

這些與兩性離子非常相似，只是它們是簡單的金屬和非金屬，而不是多原子離子。對於這些物質，只有一個簡單的規則：如果金屬離子與水混合，它會形成鹼性溶液。如果化合物是非金屬的，它會形成酸。

金屬離子的水解

當金屬離子與水溶液混合時，它會與水結合形成與水形成的複雜離子。這些離子會在水中釋放氫，形成酸。

預測氫的結果

有一種方法可以找出酸的濃度（通常是氫）。你看，在反應中，並非所有的化學物質都會發生反應。如果你混合 Na 和 Cl，你會得到大量的 NaCl，也會有一些單獨的 Na 和 Cl。這個等式告訴我們濃度是多少：K_a× K_b=K_w。假設你有一個像 HF + H₂O → H₃O + F 這樣的反應。K 是 HF × H₂O/H₃O × F。由於 H₃O 是酸，所以 K 被替換為 K_a，它基本上是相同的，只是它指定我們正在尋找酸的濃度。如果我們使用 K_b，我們就在尋找鹼。K_w 是水。所以，假設我們有反應 CO_3(aq) + H₂O_(aq) → OH_(aq) + HCO_3(aq)。如果我們知道 CO₃ 的濃度為 0.100 mol/L，pH 值為 11.66。由於我們正在處理鹼，因此我們將使用 K_b。為了找到濃度，我們對等式的兩邊進行乘法和除法。我們用沒有鹼的那一邊除以有鹼的那一邊。它看起來像這樣

K_b = [OH] × [HCO₃]/ [CO₃]

注意，我們沒有將水放在等式中。這是因為所有物質都溶解在水中，CO₃ 的濃度是以每升水的摩爾數來衡量的。現在，讓我們在等式中加入一些數字！我們知道 pH 值為 11.66，這意味著 pOH 為 14 - 11.66 或 2.34 或 10^-2.34。如果我們將 10^-2.34 轉換為正確的指數，我們將知道 OH 的濃度。如果你在計算器中輸入 10^-2.34，它將以正確的指數形式顯示出來：4.57×10^-3。這是 OH 的濃度，由於 OH 和 HCO₃ 之間的濃度相等，因此這個數字也是 HCO₃ 的濃度。現在我們知道所需的三個數字了！

K_b = (4.57 × 10^-3)(4.57 × 10^-3)/ 0.100

K_b = 2.0 × 10^-4

測量酸和鹼

pH 值

酸和鹼的測量使用的是pH標尺。它是一個從0到14的標尺，1是最酸性的，14是最鹼性的。7位於標尺的中間，因此是中性的。

日常溶液有不同的pH值。

氫離子濃度

pH標尺測量的是化合物中氫濃度的相對值。從7開始，標尺上每上升或下降一級，代表氫濃度增加或減少10倍。因此，pH值為6的物質比pH值為7的物質酸性強10倍，而pH值為5的物質比pH值為7的物質酸性強100倍。反之，pH值為8的物質比pH值為7的物質鹼性強10倍，等等。這就是所謂的對數。在本例中，它是一個負對數，因為酸的氫濃度比鹼高。這個原理可以幫助你根據氫離子濃度來確定pH值。如果你給定氫離子濃度為0.000006 M。你可以將其轉換為科學計數法來找到它的pH值。小數點必須向後移動6位，因此科學計數法將為6.0 x 10^-6。這意味著你將6.0乘以負10的6次方，因此如果它是pH值，它將是6。參考資料: 虛擬化學手冊 (將新增為實際參考資料)

酸的命名

根據氫原子所連線的陽離子不同，酸的名稱也會不同。簡單的酸，稱為二元酸，只含有一個陽離子和一個氫原子。這些酸的命名方法是在字首hydro後面加上陽離子的第一個音節，然後加上字尾-ic。例如，HCl是氫和氯，它是hydrochloric acid（鹽酸）。更復雜的酸是指化合物中含有氧原子的酸。對於這些酸，有一個簡單的規則。以硝酸根（NO₃）為例。任何以-ate結尾的多原子離子在酸中使用-ic作為字尾。所以HNO₃將是nitric acid（硝酸）。當多原子離子比-ate離子多一個氧原子時，酸名字首為per，字尾為-ic。當多原子離子比-ate離子少一個氧原子時，字尾為-ous。當多原子離子比-ate離子少兩個氧原子時，字首為hypo，字尾為-ous。 例如: (以下某些酸並不存在，僅用於示例)

  Nitrate > HNO3 >Nitric Acid.   
  One more Oxygen > HN2O4 >pernitric Acid. 
  One less oxygen > HNO2  >Nitrous Acid.
  Two less oxygen > HNO  > Hyponitrous Acid.

布朗斯特和勞裡的酸鹼理論

布朗斯特和勞裡都提出了一種理論來解釋酸和鹼是如何工作的。酸是會釋放氫離子的化合物。這些遊離的氫離子會繼續與其他化合物結合。鹼則相反，它們會吸收氫離子。強酸比弱酸更容易釋放氫離子。強鹼比弱鹼更能吸收氫離子。非常強的鹼甚至會從那些不想放棄氫離子的化合物中吸收氫離子。

共軛酸和共軛鹼

強酸釋放氫離子後，會變成弱鹼。反之，強鹼獲得氫離子後，會變成弱酸。對此有一個簡單的解釋。酸含有一個氫原子，並與其形成鍵。這個鍵可能很弱，但畢竟是一個鍵。當酸釋放氫離子後，它並不想再獲得另一個氫離子，但它確實有空間形成新的鍵。鹼的工作原理正好相反。

酸鹼指示劑

當一種物質與酸或鹼混合時改變顏色時，它被稱為酸鹼指示劑。石蕊試紙是最常見的型別。當將一塊石蕊試紙放入酸中時，它會變紅。當將它放入鹼中時，它會變藍。記住: Acid Red, Base Blue。

緩衝液

緩衝液是一種能將溶液的pH值保持在一定範圍內的溶液。對於酸來說，它是一個弱鹼，對於鹼來說，它是一個弱酸。當將緩衝液加入酸中，使溶液中大約一半是酸，一半是緩衝液時，它就起到了緩衝作用。在此期間，酸會將其氫離子釋放給鹼性緩衝液。但是，當所有氫離子都被緩衝液吸收後，溶液就會達到緩衝容量。然後，如果你再新增緩衝液，pH值只會上升到緩衝液的pH值。