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”来量度它们的强度。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)`只是表示它是“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
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)气体没有酸性。但当您将它溶于水中时，它会形成盐酸并释放出H⁺(aq)离子，使溶液呈现酸性。
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。
常见酸类须谨记
在实验室中：
盐酸 (HCl)
硫酸 (H₂SO₄)
硝酸 (HNO₃) （稍作了解即可，盐酸和硫酸为课程中的主要例子）
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)，它们具有相似的化学反应。此乃其“特性”。
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）：
我们会在下一部分详细探讨，但关键反应是：酸 + 碱基 → 盐 + 水。
何谓酸的“盐基度”？
这听起来或有些混淆，但其实十分简单！盐基度是指一个酸分子在水中溶解时可以释放的H⁺离子数量。
单盐基酸： 每个分子释放一个H⁺离子。（例如：HCl, HNO₃, CH₃COOH）
二盐基酸： 每个分子释放两个H⁺离子。（例如：H₂SO₄）
三盐基酸： 每个分子释放三个H⁺离子。（例如：H₃PO₄）
酸的重点摘要
酸的关键就是H⁺(aq)离子！这个离子负责其所有特性和反应。水是释放它的关键。
2. 了解碱（和碱基！）
碱基与碱：有何分别？
这是一个常见的混淆之处，现便让我们将其厘清。
碱基是一种与酸反应只产生盐和水的物质。碱基可以溶于水，也可以不溶于水。
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))。
记忆要诀： 所有碱都是碱基，但并非所有碱基都是碱。 不妨这样想：所有爹利犬都是狗，但并非所有狗都是爹利犬。碱只是碱基中的一个特定组别（那些可以溶于水的）。
碱的定义离子：OH⁻(aq)
就像H⁺(aq)定义了酸一样，氢氧根离子，OH⁻(aq)，定义了碱。碱是当溶于水时会产生OH⁻(aq)离子的物质。
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))
在日常生活中：
小苏打溶液（碳酸氢钠）
肥皂和洗涤剂
烤箱清洁剂（通常含有NaOH）
碱的典型反应
碱具备其独有的特性反应系列，此皆因OH⁻(aq)离子。
1. 碱与酸反应（中和作用）：
这是经典的酸碱反应。酸中的H⁺和碱中的OH⁻结合形成中性水。
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：$$H^+(aq) + OH^-(aq) \rightarrow H_2O(l)$$（这个离子方程式是所有酸与碱中和反应的核心！）
2. 碱与铵盐加热反应：
这个反应会产生盐、水和氨气。氨气具有特有的刺激性气味。
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：$$OH^-(aq) + NH_4^+(aq) \xrightarrow{heat} H_2O(l) + NH_3(g)$$
碱的重点摘要
碱是可溶性碱基，在水中产生OH⁻(aq)离子。这个离子决定了它们的特性，包括中和酸的能力。
3. 安全第一！腐蚀性
浓酸和浓碱都具高度腐蚀性。这表示它们会对皮肤、眼睛和衣物造成严重损害。务必小心处理！
务必佩戴安全眼镜。
稀释浓酸（特别是硫酸）时，应将酸慢慢加入水中，而不是将水加入酸中。此乃因会释放大量热能。将水加入酸中可能导致酸沸腾并溅出危险酸液！
记忆要诀： “稀释时，酸入水，切勿倒置。”
你知道吗？ 浓硫酸是一种强效脱水剂，它能从糖中移除氢原子和氧原子（以水形式），留下黑色的碳块！
4. pH标度：量度酸度的标尺
我们需要一种方法来量度溶液的酸性或碱性。我们会使用pH标度。这是一个通常从0到14的数值标度。
pH < 7的溶液呈酸性。（pH值越低，酸性越强。）
pH = 7的溶液呈中性。（例如：纯水。）
pH > 7的溶液呈碱性。（pH值越高，碱性越强。）
pH值的数学计算（适用于强酸）
pH标度是一个对数标度。将pH值与H⁺(aq)离子浓度联系起来的公式是：
$$pH = -\log[H^+(aq)]$$
其中[H⁺(aq)]是氢离子浓度，单位为mol dm⁻³。
如果初感困难，请勿担心！对于须了解的强酸（例如HCl和H₂SO₄），计算pH值其实十分直接。“强”是指酸在水中会完全分解（电离）。
pH值计算步骤
例子一：找出0.1 mol dm⁻³ HCl(aq) 的pH值。
识别酸的类型。 HCl是一种强的单盐基酸。这表示1个HCl分子会释放1个H⁺离子。
找出[H⁺(aq)]。 因为它是强单盐基酸，[H⁺(aq)]与酸的浓度相同。所以，[H⁺(aq)] = 0.1 mol dm⁻³。
使用公式。 $$pH = -\log(0.1)$$
计算。 在计算器上，-log(0.1) = 1。pH值是1。
例子二：找出0.05 mol dm⁻³ H₂SO₄(aq) 的pH值。
识别酸的类型。 H₂SO₄是一种强的二盐基酸。这表示1个H₂SO₄分子会释放2个H⁺离子。
找出[H⁺(aq)]。 因为它是二盐基酸，我们必须将酸的浓度乘以2。所以，[H⁺(aq)] = 2 x 0.05 = 0.1 mol dm⁻³。
使用公式。 $$pH = -\log(0.1)$$
计算。 pH值是1。
常见错误提醒！ 在计算pH值之前，务必检查酸是否为二盐基酸（如H₂SO₄）或三盐基酸（如H₃PO₄）。忘记将浓度乘以2或3是一个十分常见的错误！
5. 如何在实验室中测量pH值
有数种方法可找出溶液的pH值，从粗略估计到精确测量皆有。
酸碱指示剂
这些是特殊的染料，在酸性或碱性条件下会改变颜色。它们提供一个简单的“是/否”答案，但未能告知确切的pH值。
石蕊试纸： 在酸性溶液中呈红色，在碱性溶液中呈蓝色。
甲基橙： 在酸性溶液中呈红色，在碱性溶液中呈黄色。
记忆要诀：“My Apple is Red, my Banana is Yellow”（MAR代表甲基橙－酸性－红色，BY代表碱性－黄色）。酚酞： 在酸性溶液中呈无色，在碱性溶液中呈粉红色。
广用指示剂
这是一种混合了多种不同指示剂的物质。它不会只显示一种颜色变化，而是产生一系列完整的颜色光谱，从极强酸（pH 1）的红色到极强碱（pH 14）的深紫色。透过将颜色与图表比对，便可估计pH值。
pH计
这是最准确的方法。pH计是一种电子仪器，带有一个探头，您将它放入溶液中。它会提供精确的pH值数字读数，通常精确到两位小数。
快速回顾：选择方法
若仅想简单检查某物是酸还是碱？可使用石蕊试纸或其他简单指示剂。
若想粗略了解pH值（例如pH 4或pH 10）？可使用广用指示剂。
为实验需要得到非常准确和精确的pH读数？可使用pH计。