IB 化學/酸和鹼

這是第 9 章，希望這個空間能容納本章的介紹。

酸和鹼的性質

酸和鹼在水溶液中的性質

強酸與強鹼之間的反應生成水和鹽。弱酸與強鹼之間或強酸與弱鹼之間的反應僅生成鹽。例如

${}^{\rm {{HCl}+{\rm {{NaOH}\to {\rm {{H}_{2}{\rm {{O}+{\rm {NaCl}}}}}}}}}}$

${\displaystyle {}^{\rm {{HCl}+{\rm {{NH}_{3}\to {\rm {{NH}_{4}{\rm {Cl}}}}}}}}}.$

酸與金屬反應會生成氫氣，例如 ${}^{2{\rm {{HCl}+{\rm {{Mg}\to {\rm {{MgCl}_{2}+{\rm {{H}_{2}}}}}}}}}}$.

酸與碳酸鹽反應會生成水和二氧化碳，例如 ${}^{2{\rm {{HCl}+{\rm {{CaCO}_{3}\to {\rm {{CO}_{2}+{\rm {{H}_{2}{\rm {{O}+{\rm {{CaCl}_{2}}}}}}}}}}}}}}$.

酸和鹼的實驗性質

當酸和鹼中和時，反應明顯放熱（即可以感覺到來自反應的熱量）。顯然，它們會影響指示劑的顏色，如下所述。酸與金屬反應產生的氫氣，如果將其與火柴靠近，會發出“砰”的一聲，而碳酸鹽反應產生的 CO₂，如果透過石灰水，會使石灰水變渾濁。

一些酸的例子：${}^{\rm {HCl}}$, ${}^{\rm {{CH}_{3}{\rm {COOH}}}}$, ${}^{\rm {{H}_{2}{\rm {{SO}_{4}}}}}$, ${}^{{\rm {{NH}_{4}}}^{+}}$.

鹼的例子：${}^{\rm {NaOH}}$, NH₃, CH₃COO^-.

布朗斯臺德-勞裡酸鹼

8.1.1: 根據布朗斯臺德-勞裡理論定義酸和鹼

根據布朗斯臺德-勞裡理論，酸被定義為質子（H⁺離子）的供體，鹼被定義為質子的受體。

要使化合物充當B-L酸，它必須含有氫原子，它能夠失去該氫原子，同時保持相當的穩定性。BL鹼必須能夠接受一個氫離子，同時保持相對的穩定性（或反應形成穩定的化合物，例如水和鹽）。有些化合物（例如水）可以同時充當酸和鹼，例如（H₂O-> OH^- 或 H₃O⁺）。這些物質被稱為“兩性”。

酸鹼反應總是涉及一個酸鹼共軛對。如果反應物是酸，則匹配的產物是其共軛鹼，例如HCl/Cl^-、CH₃COOH/CH₃COO^-、NH₄⁺/NH₃。

共軛鹼的H原子總是比酸少一個（或者酸比鹼多一個）。在含有許多氫原子的化合物中，最弱的氫原子通常是最容易失去的，這必須反映在化合物的書寫中，如上面的CH₃COOH示例。

路易斯理論

路易斯將酸定義為電子對受體，鹼定義為電子對供體。

一個簡單的質子-氫氧化物反應表明，這等同於布朗斯臺德-勞裡理論。

H⁺ + :OH^- --> H-OH

質子被接受是因為氫氧根有一個電子對，它用這個電子對與質子形成共價鍵。

路易斯理論超越了布朗斯臺德-勞裡理論，描述了非質子酸鹼反應。

F₃B + :NH₃ --> F₃B-NH₃

配體和親核試劑可以歸類為路易斯鹼。路易斯酸包括金屬離子 and 親電試劑.

Ag⁺ + 2 :NH₃ --> [Ag(NH₃)₂]⁺

8.3 - 強酸和弱酸以及強鹼和弱鹼

8.3.1 區分強酸和弱酸以及強鹼和弱鹼，從解離程度、與水的反應和導電性方面考慮。

強酸和弱酸的定義是它們失去（或捐贈）質子的難易程度。強酸，當放入水中時，幾乎會立即完全電離/解離，從水中產生H₃O⁺離子。然而，弱酸只會部分地發生這種情況，留下一些未反應的酸。這是一個平衡反應，所以當弱酸產生的部分H₃O⁺離子發生反應時，LCP表示會有更多酸反應形成H₃O⁺離子。這意味著，給定等摩爾的酸，它們將被等量的強鹼中和，但它們的溶液將具有不同的pH值。弱鹼與之類似，只是它接受質子，因此從水中產生OH^-離子而不是H₃O⁺離子。任何溶液的導電能力是由其離子電荷決定的。因此，強酸會比弱酸產生更多的帶電離子，因此它的溶液會比弱酸的溶液具有更好的導電性。強鹼/弱鹼也是如此。

強酸和弱酸以及強鹼和弱鹼的例子

強酸 : HCl, HNO₃, H₂SO₄, HClO₃, HBr .

弱酸 : CH₃COOH, H₂CO₃.

強鹼 : 1族氫氧化物（例如 NaOH 等）、BaOH。

弱鹼 : NH₃, CH₃CH₂NH₂.

8.3.3 - 區分強酸和弱酸以及強鹼和弱鹼，並使用實驗資料確定酸和鹼的相對強度。

顯然，可以用通用指示劑或pH計來測量酸或鹼的強度，也可以測量反應速率。用金屬生成氫氣或用CaCO₃生成CO₂可以揭示酸的強度。還可以透過用強鹼在指示劑的存在下中和兩種酸來確定相對酸性。

pH 標度

pH 值在 7（純水的中性值，在 25°C 和 1 個大氣壓下）上下波動。較低的 pH 值為酸性；較高的值為鹼性。pH 可以用 pH 計或 pH 試紙（包含混合指示劑以引起連續顏色變化的紙）測量。pH 是 H₃O⁺ 離子濃度的量度。

如果我們有兩個溶液及其 pH 值，較低的那個將更酸性，較高的那個將更鹼性（儘管它們都可能相對於水（pH 7）仍然是鹼性/酸性）。

9.4.3 : pH 標度上每變化 1 個單位，溶液的酸度或鹼度就會發生 10 倍的變化（因為它是對數標度）。濃度等於 10^-pH 或 pH=-log₁₀[H₃O⁺]，其中 [H₃O⁺] 是溶液中氫離子的濃度。

HL 材料

主題 18 是主題 9 的額外 HL 材料。

布朗斯特-勞裡酸和鹼

酸是一種可以捐獻質子或氫離子的物質，鹼是一種可以接受質子或氫離子的物質。

路易斯 理論

路易斯酸是孤對電子接受體，路易斯鹼是孤對電子供體。

涉及酸和鹼的計算

此 HL 子主題是 SL 選項 A 的子主題 5，只有一個區別：SL 選項不需要了解 K_a x K_b = K_w。

指示劑

指示劑會根據酸或鹼的存在改變顏色。這是一個常見指示劑的表格。

指示劑	pKa	pH 範圍	酸的顏色	鹼的顏色
甲基橙	3.7	3.1-4.4	紅色	黃色
溴酚藍	4.0	3.0-4.6	黃色	藍色
溴酚綠	4.7	3.8-5.4	黃色	藍色
甲基紅	5.1	4.2-6.3	紅色	黃色
溴百里酚藍	7.0	6.0-7.6	黃色	藍色
酚紅	7.9	6.8-8.4	黃色	紅色
酚酞	9.3	8.3-10.0	無色	紅色

表格改編自：Stark JG & Wallace, HG (1982) 化學資料手冊 p103 第 2 版，John Murray，倫敦。