HKDSE化学复习笔记：酸和碱
各位好！欢迎来到“酸和碱”这个课题的复习笔记。请勿担心，这个课题其实无处不在，从您饮品中的柠檬到洗手用的肥皂，都与其息息相关。了解酸和碱是化学中一个非常基础且重要的部分。在这些笔记中，我们将所有内容分解为简单易懂的部分。我们将学习酸为何是酸、什么是碱，以及如何利用pH标度来量度它们的酸度。准备就绪，便一同开始！
1. 认识酸
重点概念为何？H⁺(aq)的概念
关于酸，最重要的一点就是：酸是当溶于水时，会产生氢离子作为唯一正离子的物质。氢离子写作H⁺(aq)。`(aq)`表示它是“水溶液”或溶于水中。
不妨这样想像吧： 一个酸分子就像一个包裹，里面装着一个或多个H⁺离子。当您把它放进水里时，水会“拆开”这个包裹，把H⁺离子释放出来！
水的关键作用与导电性
酸只有在溶于水时才会显现其酸性。没有水，H⁺离子就不会被释放。例如，纯净、干燥的氯化氢(HCl)气体以共价分子形式存在，并没有酸性。但当您将它溶于水中时，它会电离并释放出H⁺(aq)和Cl⁻(aq)离子，使溶液呈现酸性。
由于酸水溶液含有可自由移动的离子（流动离子），因此它们是电的导体。
比喻：一个茶包有潜力冲泡出茶，但唯有加入热水后方能获得茶（它的味道和颜色）。同理，酸只有在加水后才会显现其特性和流动离子。
常见酸类须谨记
在实验室中：
• 盐酸 (HCl)
• 硫酸 (H₂SO₄)
• 硝酸 (HNO₃)
在日常生活中：
• 乙酸（在醋中）
• 柠檬酸（在柠檬和橙中）
• 碳酸（在汽水饮品中）
酸的典型反应
因为所有酸在水中都会产生H⁺(aq)，它们具有相似的特性化学反应。
1. 酸与活泼金属反应：
这个反应会产生盐和氢气。
例子：镁 + 盐酸 → 氯化镁 + 氢气
化学方程式：\(Mg(s) + 2HCl(aq) \rightarrow MgCl_2(aq) + H_2(g)\)
离子方程式：\(Mg(s) + 2H^+(aq) \rightarrow Mg^{2+}(aq) + H_2(g)\)
（请留意，此反应之关键为金属与H⁺离子之间的反应！）
2. 酸与碳酸盐和碳酸氢盐反应：
这个反应会产生盐、水和二氧化碳气体。
例子：碳酸钙（石灰石）+ 盐酸 → 氯化钙 + 水 + 二氧化碳
化学方程式：\(CaCO_3(s) + 2HCl(aq) \rightarrow CaCl_2(aq) + H_2O(l) + CO_2(g)\)
离子方程式：\(CaCO_3(s) + 2H^+(aq) \rightarrow Ca^{2+}(aq) + H_2O(l) + CO_2(g)\)
3. 酸与碱基／碱反应（中和作用）：
酸 + 碱基 → 盐 + 水。
何谓酸的“盐基度”？
盐基度是指一个酸分子在水中完全电离时最多可以产生的H⁺离子数量。
• 单盐基酸： 每个分子可释放一个H⁺离子。（例如：HCl, HNO₃, CH₃COOH）
• 二盐基酸： 每个分子可释放两个H⁺离子。（例如：H₂SO₄）
• 三盐基酸： 每个分子可释放三个H⁺离子。（例如：H₃PO₄）
强度与浓度：切勿混淆！
• 强度： 指电离程度。强酸（如HCl或HNO₃）在水中会完全电离。弱酸（如CH₃COOH）在水中只会微弱电离。
• 浓度： 指每单位体积溶液中溶解的溶质数量（\(mol\ dm^{-3}\)）。您可以有一种稀的强酸溶液（例如 \(0.001\ mol\ dm^{-3}\) HCl），也可以有一种浓的弱酸溶液（例如 \(6\ mol\ dm^{-3}\) CH₃COOH）。
2. 了解碱（和碱基！）
碱基与碱：有何分别？
• 碱基是一种与酸反应只产生盐和水的物质（金属氧化物或金属氢氧化物）。
• 碱是一种可溶性碱基。当它溶于水中时，会产生氢氧根离子 (OH⁻(aq))作为唯一的负离子。碱性溶液由于含有流动离子，同样能够导电。
记忆要诀： 所有碱都是碱基，但并非所有碱基都是碱。 碱只是碱基中能溶于水的一个子集。
常见碱类须谨记
在实验室中：
• 氢氧化钠 (NaOH)
• 氢氧化钾 (KOH)
• 氨水 (NH₃(aq))
• 氢氧化钙溶液／石灰水 (Ca(OH)₂)
在日常生活中：
• 肥皂和洗涤剂
• 烤箱及管道疏通清洁剂（含有浓NaOH）
碱的典型反应
1. 碱与酸反应（中和作用）：
例子：氢氧化钠 + 盐酸 → 氯化钠 + 水
化学方程式：\(NaOH(aq) + HCl(aq) \rightarrow NaCl(aq) + H_2O(l)\)
离子方程式：\(H^+(aq) + OH^-(aq) \rightarrow H_2O(l)\)
2. 碱与铵盐加热反应：
这个反应会释放出氨气，能使湿润的红色石蕊试纸变蓝。
例子：氢氧化钠 + 氯化铵 → 氯化钠 + 水 + 氨
化学方程式：\(NaOH(aq) + NH_4Cl(aq) \xrightarrow{heat} NaCl(aq) + H_2O(l) + NH_3(g)\)
离子方程式：\(OH^-(aq) + NH_4^+(aq) \xrightarrow{heat} H_2O(l) + NH_3(g)\)
3. 碱与金属离子溶液反应生成不溶性金属氢氧化物（沉淀作用）：
稀碱会使具特征颜色的不溶性金属氢氧化物沉淀出来：
\(Cu^{2+}(aq) + 2OH^-(aq) \rightarrow Cu(OH)_2(s)\)（淡蓝色沉淀物）
\(Fe^{2+}(aq) + 2OH^-(aq) \rightarrow Fe(OH)_2(s)\)（暗绿色沉淀物）
\(Fe^{3+}(aq) + 3OH^-(aq) \rightarrow Fe(OH)_3(s)\)（红棕色沉淀物）
\(Mg^{2+}(aq) + 2OH^-(aq) \rightarrow Mg(OH)_2(s)\)（白色沉淀物）
3. 安全第一！腐蚀性
浓酸和浓碱都具高度腐蚀性，会对皮肤和眼睛造成严重灼伤。务必佩戴安全眼镜和手套。
• 稀释浓酸（特别是硫酸）时，务必在不断搅拌下慢慢将酸加入水中，切勿将水加入酸中。稀释过程是强烈放热的；将水加入浓酸中可能导致局部过热、剧烈沸腾并溅出危险酸液！
• 记忆要诀： “稀释时，酸入水，切勿倒置。”
4. pH标度：量度酸度的标尺
我们使用pH标度来表示水溶液的酸性或碱性，在 25 °C 下数值通常为 0 至 14：
• pH < 7： 酸性溶液（pH值越低 = [H⁺(aq)] 越高）
• pH = 7： 中性溶液（25 °C 下的纯水）
• pH > 7： 碱性溶液（pH值越高 = [OH⁻(aq)] 越高）
pH值的背后数学（适用于强单盐基酸）
pH值的数学定义为：
\(pH = -\log[H^+(aq)]\)
其中 [H⁺(aq)] 是氢离子的摩尔浓度，单位为 \(mol\ dm^{-3}\)。
pH值逐步计算
例子一：找出 0.1 mol dm⁻³ HCl(aq) 的pH值。
1. 识别酸的类型： HCl是一种强单盐基酸，会完全电离：\(HCl(aq) \rightarrow H^+(aq) + Cl^-(aq)\)。
2. 确定 [H⁺(aq)]： \([H^+(aq)] = 0.1\ mol\ dm^{-3}\)。
3. 计算pH值： \(pH = -\log(0.1) = 1\)。
例子二：找出 0.01 mol dm⁻³ HNO₃(aq) 的pH值。
1. 识别酸的类型： HNO₃是一种强单盐基酸，会完全电离：\(HNO_3(aq) \rightarrow H^+(aq) + NO_3^-(aq)\)。
2. 确定 [H⁺(aq)]： \([H^+(aq)] = 0.01\ mol\ dm^{-3} = 1.0 \times 10^{-2}\ mol\ dm^{-3}\)。
3. 计算pH值： \(pH = -\log(0.01) = 2\)。
5. 如何在实验室中测定pH值
在学校实验室中，有数种方法可测试酸度或测定pH值：
酸碱指示剂
酸碱指示剂是弱有机酸或弱有机碱，在酸性和碱性溶液中会显示不同的颜色：
• 石蕊： 在酸中呈红色，在碱中呈蓝色。
• 甲基橙： 在酸性溶液中（pH < 3.1）呈红色，在碱性溶液中（pH > 4.4）呈黄色。
• 酚酞： 在酸性／中性溶液中呈无色，在碱性溶液中（pH > 8.3）呈粉红色。
广用指示剂与pH试纸
这是一种混合了多种指示剂的物质，在整个pH标度（pH 1 至 14）上显示连续的颜色变化。透过将所得溶液颜色与标准pH比色卡进行比对，我们便可估计出大约的pH值。
pH计或配合pH传感器的数码记录仪
这是最精确的方法。已校准的pH计透过量度电极电位，提供准确且定量的数码读数（例如 pH 3.45）。
快速总结：选择方法
• 定性检验（酸 vs 碱）：简单指示剂如石蕊。
• 大约pH值估计：广用指示剂。
• 准确、连续的定量pH测量：pH计。