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單元: 物質 · 原子結構 · 鍵合 · 反應 · 溶液 · 物質的相 · 平衡 · 動力學 · 熱力學 · 元素
附錄: 元素週期表 · 單位 · 常數 · 公式 · 還原電位 · 元素及其性質

酸鹼反應理論

酸和鹼無處不在。一些食物含有酸，比如檸檬中的檸檬酸和乳製品中的乳酸。漂白劑和氨水等清潔用品是鹼。酸性或鹼性的化學物質是化學中的重要組成部分。

有幾種不同的理論解釋了什麼是酸和鹼。 18世紀，法國化學家安託萬·拉瓦錫提出了酸的第一個科學定義。他提出酸包含氧氣，儘管他不知道鹽酸 (HCl) 等酸的雙重組成。多年來，酸和鹼的更準確定義被創造出來。

阿倫尼烏斯理論

瑞典化學家斯萬特·阿倫尼烏斯於1887年發表了他的酸鹼理論。它可以用以下兩點簡單解釋

阿倫尼烏斯酸和鹼

酸是在溶劑中解離產生一個或多個氫離子 (H⁺) 的物質。
鹼是在溶劑中解離產生一個或多個氫氧根離子 (OH^-) 的物質。

根據這個定義，您可以看到阿倫尼烏斯酸必須可溶於水。阿倫尼烏斯酸鹼反應可以用三個通用方程式概括

${\hbox{HA}}\to {\hbox{H}}^{+}+{\hbox{A}}^{-}$	酸在水中解離會產生氫離子。
${\hbox{MOH}}\to {\hbox{M}}^{+}+{\hbox{OH}}^{-}$	鹼（通常含有金屬）在水中解離會產生氫氧根離子。
${\hbox{HA}}_{(aq)}+{\hbox{MOH}}_{(aq)}\to {\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}_{(l)}+{\hbox{MA}}_{(aq)}$	酸和鹼混合時會相互中和。它們會產生水和離子鹽，它們都不具有酸性或鹼性。

阿倫尼烏斯理論簡單且實用。它解釋了許多酸和鹼的性質和反應。例如，將鹽酸 (HCl) 與氫氧化鈉 (NaOH) 混合會得到含有食鹽 (NaCl) 的中性溶液。

然而，阿倫尼烏斯理論並非沒有缺陷。有很多眾所周知的鹼，比如氨 (NH₃)，它們不含氫氧根離子。此外，酸鹼反應在不含水的溶液中也有觀察到。為了解決這些問題，存在一個更高階的酸鹼理論。

布朗斯特-勞裡理論

布朗斯特-勞裡理論於 1923 年提出。它比阿倫尼烏斯理論更普遍——所有阿倫尼烏斯酸/鹼也是布朗斯特-勞裡酸/鹼（但反之不一定成立）。

布朗斯特-勞裡酸和鹼

酸是一種可以從中去除質子（H⁺ 離子）的物質。從本質上講，酸會將質子捐贈給鹼。
鹼是一種可以新增質子（H⁺）的物質。從本質上講，鹼會從酸中接受質子。

維基百科在 酸鹼反應 中提供了相關資訊。

只能捐贈一個質子的酸稱為一元酸，而可以捐贈多個質子的酸稱為多元酸。

這些反應展示了布朗斯特-勞裡酸和鹼的行為。

${\hbox{HCl}}+{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}\to {\hbox{Cl}}^{-}+{\hbox{H}}_{3}{\hbox{O}}^{+}$	酸（在本例中為鹽酸）會將質子捐贈給鹼（在本例中，水是鹼）。酸會失去它的質子，而鹼會獲得它。
${\hbox{HCl}}+{\hbox{N}}{\hbox{H}}_{3}\to {\hbox{Cl}}^{-}+{\hbox{N}}{\hbox{H}}_{4}^{+}$	水不是必需的。在本例中，鹽酸仍然是酸，但氨氣充當鹼。
${\hbox{Cl}}^{-}+{\hbox{N}}{\hbox{H}}_{4}^{+}\to {\hbox{HCl}}+{\hbox{N}}{\hbox{H}}_{3}$	正在發生相同的反應，但現在是反向的。曾經的酸現在變成了鹼（HCl → Cl^-），曾經的鹼現在變成了酸（NH₃ → NH₄⁺）。這個概念稱為共軛，將在稍後詳細解釋。
${\hbox{HCl}}+{\hbox{NaOH}}\to {\hbox{NaCl}}+{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}$ ${\hbox{H}}_{3}{\hbox{O}}^{+}+{\hbox{OH}}^{-}\to 2{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}$	兩個酸（HCl 和 H₃O⁺）與鹼（NaOH 和 OH^-）混合形成中性物質（NaCl 和 H₂O）的例子。
${\hbox{NaOH}}+{\hbox{N}}{\hbox{H}}_{3}\to {\hbox{Na}}^{+}+{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}+{\hbox{N}}{\hbox{H}}_{2}^{-}$	鹼（氫氧化鈉）會從酸（氨氣）中接受質子。會產生中性物質（水），這並不一定每個反應中都會發生。將此反應與第二個反應進行比較。氨氣是鹼，現在它是酸。這個概念稱為兩性，將在稍後解釋。

布朗斯特-勞裡理論是迄今為止最有用、最常用的定義。在整個普通化學課程中，您可以假設任何酸/鹼都使用布朗斯特-勞裡定義，除非另有說明。

此布朗斯特-勞裡酸將質子（以綠色顯示）捐贈給水（鹼）。

路易斯理論

路易斯定義是最普遍的理論，對溶解度或質子沒有要求。

路易斯酸和鹼

酸是一種接受孤對電子的物質。
鹼是一種捐贈孤對電子的物質。

路易斯酸和鹼反應生成加合物，一種酸和鹼透過共享電子對鍵合形成的化合物。路易斯酸鹼反應不同於氧化還原反應，因為氧化態沒有變化。

兩性性和水

能夠同時作為酸或鹼的物質稱為兩性。水是最重要的兩性物質。它可以電離成氫氧根離子 (OH^-，鹼) 或水合氫離子 (H₃O⁺，酸)。透過這樣做，水可以

增加 H⁺ 或 OH^- 濃度 (阿倫尼烏斯理論)，
捐贈或接受質子 (布朗斯特-勞裡理論)，以及
接受或捐贈電子對 (路易斯理論)。

水會非常輕微地解離（這進一步解釋了它的兩性性質）。

${\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}\leftrightarrow {\hbox{H}}^{+}+{\hbox{OH}}^{-}$	氫離子的存在表明它是酸，而氫氧根離子的存在表明它是鹼。由於水呈中性，它會等量地解離成兩者。
$2{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}\leftrightarrow {\hbox{H}}_{3}{\hbox{O}}^{+}+{\hbox{OH}}^{-}$	該方程式更準確——氫離子不存在於水中，因為它們會鍵合形成水合氫離子。

氨

另一個常見的兩性物質的例子是氨。氨通常是鹼，但在某些反應中它可以表現得像酸。

${\hbox{NH}}_{3}+{\hbox{HCl}}\to {\hbox{NH}}_{4}^{+}+{\hbox{Cl}}^{-}$	氨表現為鹼。它接受一個質子形成銨離子。
${\hbox{Li}}_{3}{\hbox{N}}+2{\hbox{NH}}_{3}\to 3{\hbox{Li}}^{+}+3{\hbox{NH}}_{2}^{-}$	氨也表現為酸。在這裡，它捐贈一個質子形成醯胺離子。

氨的兩性性質並不常見，因為氨通常表現得像鹼。另一方面，水是完全中性的，因此它的酸性和鹼性行為在日常生活中都被觀察到。

共軛酸和鹼

在所有酸鹼反應理論中，反應產物與反應初始反應物相關聯。例如，在布朗斯特-勞裡理論中，這種關係是反應物和產物之間的一個質子的差異。兩種表現出這種關係的物質形成共軛酸鹼對。

布朗斯特-勞裡共軛對

捐贈了質子的酸變成共軛鹼。
接受了質子的鹼變成共軛酸。

${\color {Red}{\mathcal {HI}}_{(aq)}}+{\color {Blue}\mathbf {H} _{2}\mathbf {O} _{(l)}}\to {\color {Blue}{\mathcal {I}}_{(aq)}^{-}}+{\color {Red}\mathbf {H} _{3}\mathbf {O} _{(aq)}^{+}}$	氫碘酸與水（充當鹼）反應。共軛鹼是碘離子，共軛酸是水合氫離子。酸用紅色表示，鹼用藍色表示。一個共軛對用粗體表示，另一個共軛對用斜體表示。
${\color {Blue}{\mathcal {NH}}_{3(aq)}}+{\color {Red}\mathbf {H} _{2}\mathbf {O} _{(l)}}\to {\color {Red}{\mathcal {NH}}_{4(aq)}^{+}}+{\color {Blue}\mathbf {OH} _{(aq)}^{-}}$	氨氣（鹼性）與水（酸性）反應。共軛酸是銨根離子，共軛鹼是氫氧根離子。同樣地，酸用紅色表示，鹼用藍色表示。共軛對用相同的字型區分。

強酸和弱酸/鹼

強酸是指在水中完全電離的酸。也就是說，所有酸分子都分解成離子並溶解（附著）到水分子中。因此，強酸溶液中水合氫離子濃度等於酸的濃度。

大多數酸是弱酸，它們只部分電離。平均而言，在 0.1 mol/L 的弱酸溶液中，只有大約 1% 的酸會電離。因此，弱酸溶液中水合氫離子濃度總是小於溶解的酸的濃度。

強鹼和弱鹼的概念相同，無需進一步解釋。

這解釋了為什麼在上述所有示例反應中，逆向化學反應不會發生。更強的酸/鹼將佔主導地位，而更弱的酸/鹼不會對整體酸性/鹼性產生貢獻。例如，鹽酸是強酸，電離後會形成氯離子。氯離子是一種弱鹼，但溶液不會呈現鹼性，因為 HCl 的酸性遠遠強於 Cl^- 的鹼性。

大多數酸和鹼是弱酸/鹼。你應該熟悉最常見的強酸，並假設其他任何酸都是弱酸。

化學式	強酸
HClO₄	高氯酸
HNO₃	硝酸
H₂SO₄	硫酸
HCl, HBr, HI	氫鹵酸

在一系列含氧酸中，氧原子數最多的離子是最強的。例如，硝酸 (HNO₃) 是強酸，但亞硝酸 (HNO₂) 是弱酸。高氯酸 (HClO₄) 比氯酸 (HClO₃) 強，氯酸比弱的亞氯酸 (HClO₂) 強。次氯酸 (HClO) 是這四種中最弱的。

常見的強鹼是第 1 族和大多數第 2 族金屬的氫氧化物。例如，氫氧化鉀和氫氧化鈣是其中一些最強的鹼。你可以假設任何其他鹼（包括氨和氫氧化銨）都是弱鹼。

化學式	強鹼
LiOH	氫氧化鋰
NaOH	氫氧化鈉
KOH	氫氧化鉀
RbOH	氫氧化銣
CsOH	氫氧化銫
Ca(OH)₂	氫氧化鈣
Sr(OH)₂	氫氧化鍶
Ba(OH)₂	氫氧化鋇

^[1]

酸和鹼的性質

現在你已經瞭解了酸鹼理論，可以學習酸和鹼的物理和化學性質。酸和鹼具有非常不同的性質，可以透過觀察來區分它們。

指示劑

指示劑由特殊的化學化合物製成，這些化合物會與酸或鹼發生輕微反應，在酸或鹼存在時會改變顏色。常見的指示劑是石蕊試紙。石蕊試紙在酸性條件下變紅，在鹼性條件下變藍。酚酞在酸性和中性溶液中無色，但一旦溶液變為鹼性，它就會變成紫色。在試圖中和酸性溶液時，它非常有用；一旦指示劑變為紫色，就意味著已經添加了足夠的鹼。

導電性

另一種不太有說服力的方法是測試導電性。酸和鹼在水溶液中會導電，因為它們含有溶解的離子。因此，酸和鹼是電解質。強酸和強鹼將是強電解質。弱酸和弱鹼將是弱電解質。這會影響導電性的程度。

然而，酸會與金屬反應，因此測試導電性可能不可行。

物理性質

酸和鹼的物理性質是相反的。

	酸	鹼
味道	酸	苦
感覺	刺痛	滑膩
氣味	刺鼻	無味

這些性質非常籠統；它們可能不適用於每一種酸或鹼。

另一個警告：如果酸或鹼溢位，必須立即並正確地清理（根據你工作的實驗室的程式）。例如，如果氫氧化鈉溢位，水會開始蒸發。氫氧化鈉不會蒸發，因此鹼的濃度會不斷增加，直到它對周圍表面造成損害。

化學反應

中和

酸會與鹼反應生成鹽和水。這是一種中和反應。中和反應的產物比反應物酸性或鹼性弱得多。例如，將氫氧化鈉（鹼）加入到鹽酸中。

{\hbox{NaOH}}_{(aq)}+{\hbox{HCl}}_{(aq)}\to {\hbox{NaCl}}_{(aq)}+{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}_{(l)}

這是一個複分解反應。

酸

$2{\hbox{HCl}}_{(aq)}+{\hbox{Zn}}_{(s)}\to {\hbox{ZnCl}}_{2(aq)}+{\hbox{H}}_{2(g)}$	酸與金屬反應生成金屬鹽和氫氣泡。
${\hbox{H}}_{2}{\hbox{SO}}_{4(aq)}+{\hbox{CaCO}}_{3(s)}\to {\hbox{CaSO}}_{4(s)}+{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}_{(l)}+{\hbox{CO}}_{2(g)}$	酸與金屬碳酸鹽反應生成水、CO₂氣泡和鹽。
$2{\hbox{HNO}}_{3(aq)}+{\hbox{Na}}_{2}{\hbox{O}}_{(s)}\to 2{\hbox{NaNO}}_{3(aq)}+{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}$	酸與金屬氧化物反應生成水和鹽。

鹼

鹼通常比酸反應性低，反應也較不劇烈。它們仍然會發生許多化學反應，特別是與有機化合物反應。一種常見的反應是皂化反應：鹼與脂肪或油反應生成肥皂。

皂化反應將“酯”轉化為“醇”和鹽。這是一個有機反應，不在普通化學的範圍內。

練習題

1. 命名以下將形成的化合物，並確定其為酸或鹼

a) Br + H

b) 2H + SO₃

c) K + H

d) 2H + SO₆

e) 3H + P₂

f) H + BrO₂

g) Na + Cl

2. 以下物質的共軛酸和共軛鹼是什麼

a) 水

b) 氨氣

c) 硫酸氫根離子

d) 氫氧化鋅

e) 氫溴酸

f) 亞硝酸根離子

g) 二氫磷酸根離子

3. 在電導率測試中，設定了 5 種不同的溶液，並使用燈泡進行測試。記錄了以下觀察結果

溶液 A 閃耀明亮。

溶液 B 微弱發光。

溶液 C 微弱發光。

溶液 D 不會發光。

溶液 E 閃耀明亮。

a) 哪些溶液可能含有強鹼？

b) 哪些溶液可能含有弱酸？

c) 哪些溶液可能含有離子？

d) 哪些溶液可能含有純淨水？

e) 僅基於這些觀察結果，是否可以區分酸性和鹼性溶液？

4. 確定以下方程式中的共軛鹼和共軛酸

a) HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl^-

b) HClO + H₂O → ClO^- + H₃O⁺

c) CH₃CH₂NH₂ + H₂O → CH₃CH₂NH₃⁺ + OH^-

5. 確定以下鹼是阿累尼烏斯鹼、布朗斯特-勞裡鹼還是兩者兼有。

a) 氫氧化鍶

b) 丁基鋰 (C₄H₉Li)

c) 氨氣

d) 氫氧化鉀

e) 碘化鉀

6. 根據布朗斯特-勞裡酸鹼理論，你是否預計純淨水中根本沒有溶解的離子？解釋，使用平衡化學方程式。

答案

註釋

有用提示！
	雖然其他鹵素可以形成強酸，但氫氟酸 (HF) 是一種弱酸。儘管很弱，但它具有極強的腐蝕性——氫氟酸會溶解玻璃和金屬！

有用提示！
	您可能需要回顧一下有關酸命名的知識。

^ Brown, Theodore E.; Lemay, H. Eugene; Bursten, Bruce E.; Murphy, Catherine; Woodward, Patrick (2009), Chemistry: The Central Science (11th ed.), New York: Prentice-Hall, ISBN 0136006175.

酸鹼性質練習題答案

[1]