HKDSE化學溫習筆記：酸和鹼
各位好！歡迎來到「酸和鹼」這個課題的溫習筆記。請勿擔心，這個課題其實無處不在，從您飲品中的檸檬到洗手用的肥皂，都與其息息相關。了解酸和鹼是化學中一個非常基礎且重要的部分。在這些筆記中，我們將所有內容分解為簡單易懂的部分。我們將學習酸為何是酸、什麼是鹼，以及如何利用pH標度來量度它們的酸度。準備就緒，便一同開始！
1. 認識酸
重點概念為何？H⁺(aq)的概念
關於酸，最重要的一點就是：酸是當溶於水時，會產生氫離子作為唯一正離子的物質。氫離子寫作H⁺(aq)。`(aq)`表示它是「水溶液」或溶於水中。
不妨這樣想像吧： 一個酸分子就像一個包裹，裡面裝著一個或多個H⁺離子。當您把它放進水裡時，水會「拆開」這個包裹，把H⁺離子釋放出來！
水的關鍵作用與導電性
酸只有在溶於水時才會顯現其酸性。沒有水，H⁺離子就不會被釋放。例如，純淨、乾燥的氯化氫(HCl)氣體以共價分子形式存在，並沒有酸性。但當您將它溶於水中時，它會電離並釋放出H⁺(aq)和Cl⁻(aq)離子，使溶液呈現酸性。
由於酸水溶液含有可自由移動的離子（流動離子），因此它們是電的導體。
比喻：一個茶包有潛力沖泡出茶，但唯有加入熱水後方能獲得茶（它的味道和顏色）。同理，酸只有在加水後才會顯現其特性和流動離子。
常見酸類須謹記
在實驗室中：
• 鹽酸 (HCl)
• 硫酸 (H₂SO₄)
• 硝酸 (HNO₃)
在日常生活中：
• 乙酸（在醋中）
• 檸檬酸（在檸檬和橙中）
• 碳酸（在汽水飲品中）
酸的典型反應
因為所有酸在水中都會產生H⁺(aq)，它們具有相似的特性化學反應。
1. 酸與活潑金屬反應：
這個反應會產生鹽和氫氣。
例子：鎂 + 鹽酸 → 氯化鎂 + 氫氣
化學方程式：\(Mg(s) + 2HCl(aq) \rightarrow MgCl_2(aq) + H_2(g)\)
離子方程式：\(Mg(s) + 2H^+(aq) \rightarrow Mg^{2+}(aq) + H_2(g)\)
（請留意，此反應之關鍵為金屬與H⁺離子之間的反應！）
2. 酸與碳酸鹽和碳酸氫鹽反應：
這個反應會產生鹽、水和二氧化碳氣體。
例子：碳酸鈣（石灰石）+ 鹽酸 → 氯化鈣 + 水 + 二氧化碳
化學方程式：\(CaCO_3(s) + 2HCl(aq) \rightarrow CaCl_2(aq) + H_2O(l) + CO_2(g)\)
離子方程式：\(CaCO_3(s) + 2H^+(aq) \rightarrow Ca^{2+}(aq) + H_2O(l) + CO_2(g)\)
3. 酸與鹼基／鹼反應（中和作用）：
酸 + 鹼基 → 鹽 + 水。
何謂酸的「鹽基度」？
鹽基度是指一個酸分子在水中完全電離時最多可以產生的H⁺離子數量。
• 單鹽基酸： 每個分子可釋放一個H⁺離子。（例如：HCl, HNO₃, CH₃COOH）
• 二鹽基酸： 每個分子可釋放兩個H⁺離子。（例如：H₂SO₄）
• 三鹽基酸： 每個分子可釋放三個H⁺離子。（例如：H₃PO₄）
強度與濃度：切勿混淆！
• 強度： 指電離程度。強酸（如HCl或HNO₃）在水中會完全電離。弱酸（如CH₃COOH）在水中只會微弱電離。
• 濃度： 指每單位體積溶液中溶解的溶質數量（\(mol\ dm^{-3}\)）。您可以有一種稀的強酸溶液（例如 \(0.001\ mol\ dm^{-3}\) HCl），也可以有一種濃的弱酸溶液（例如 \(6\ mol\ dm^{-3}\) CH₃COOH）。
2. 了解鹼（和鹼基！）
鹼基與鹼：有何分別？
• 鹼基是一種與酸反應只產生鹽和水的物質（金屬氧化物或金屬氫氧化物）。
• 鹼是一種可溶性鹼基。當它溶於水中時，會產生氫氧根離子 (OH⁻(aq))作為唯一的負離子。鹼性溶液由於含有流動離子，同樣能夠導電。
記憶要訣： 所有鹼都是鹼基，但並非所有鹼基都是鹼。 鹼只是鹼基中能溶於水的一個子集。
常見鹼類須謹記
在實驗室中：
• 氫氧化鈉 (NaOH)
• 氫氧化鉀 (KOH)
• 氨水 (NH₃(aq))
• 氫氧化鈣溶液／石灰水 (Ca(OH)₂)
在日常生活中：
• 肥皂和洗滌劑
• 焗爐及通渠清潔劑（含有濃NaOH）
鹼的典型反應
1. 鹼與酸反應（中和作用）：
例子：氫氧化鈉 + 鹽酸 → 氯化鈉 + 水
化學方程式：\(NaOH(aq) + HCl(aq) \rightarrow NaCl(aq) + H_2O(l)\)
離子方程式：\(H^+(aq) + OH^-(aq) \rightarrow H_2O(l)\)
2. 鹼與銨鹽加熱反應：
這個反應會釋放出氨氣，能使濕潤的紅色石蕊試紙變藍。
例子：氫氧化鈉 + 氯化銨 → 氯化鈉 + 水 + 氨
化學方程式：\(NaOH(aq) + NH_4Cl(aq) \xrightarrow{heat} NaCl(aq) + H_2O(l) + NH_3(g)\)
離子方程式：\(OH^-(aq) + NH_4^+(aq) \xrightarrow{heat} H_2O(l) + NH_3(g)\)
3. 鹼與金屬離子溶液反應生成不溶性金屬氫氧化物（沉澱作用）：
稀鹼會使具特徵顏色的不溶性金屬氫氧化物沉澱出來：
\(Cu^{2+}(aq) + 2OH^-(aq) \rightarrow Cu(OH)_2(s)\)（淡藍色沉澱物）
\(Fe^{2+}(aq) + 2OH^-(aq) \rightarrow Fe(OH)_2(s)\)（暗綠色沉澱物）
\(Fe^{3+}(aq) + 3OH^-(aq) \rightarrow Fe(OH)_3(s)\)（紅棕色沉澱物）
\(Mg^{2+}(aq) + 2OH^-(aq) \rightarrow Mg(OH)_2(s)\)（白色沉澱物）
3. 安全第一！腐蝕性
濃酸和濃鹼都具高度腐蝕性，會對皮膚和眼睛造成嚴重灼傷。務必佩戴安全眼鏡和手套。
• 稀釋濃酸（特別是硫酸）時，務必在不斷攪拌下慢慢將酸加入水中，切勿將水加入酸中。稀釋過程是強烈放熱的；將水加入濃酸中可能導致局部過熱、劇烈沸騰並濺出危險酸液！
• 記憶要訣： 「稀釋時，酸入水，切勿倒置。」
4. pH標度：量度酸度的標尺
我們使用pH標度來表示水溶液的酸性或鹼性，在 25 °C 下數值通常為 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 下的純水）
• pH > 7： 鹼性溶液（pH值越高 = [OH⁻(aq)] 越高）
pH值的背後數學（適用於強單鹽基酸）
pH值的數學定義為：
\(pH = -\log[H^+(aq)]\)
其中 [H⁺(aq)] 是氫離子的摩爾濃度，單位為 \(mol\ dm^{-3}\)。
pH值逐步計算
例子一：找出 0.1 mol dm⁻³ HCl(aq) 的pH值。
1. 識別酸的類型： HCl是一種強單鹽基酸，會完全電離：\(HCl(aq) \rightarrow H^+(aq) + Cl^-(aq)\)。
2. 確定 [H⁺(aq)]： \([H^+(aq)] = 0.1\ mol\ dm^{-3}\)。
3. 計算pH值： \(pH = -\log(0.1) = 1\)。
例子二：找出 0.01 mol dm⁻³ HNO₃(aq) 的pH值。
1. 識別酸的類型： HNO₃是一種強單鹽基酸，會完全電離：\(HNO_3(aq) \rightarrow H^+(aq) + NO_3^-(aq)\)。
2. 確定 [H⁺(aq)]： \([H^+(aq)] = 0.01\ mol\ dm^{-3} = 1.0 \times 10^{-2}\ mol\ dm^{-3}\)。
3. 計算pH值： \(pH = -\log(0.01) = 2\)。
5. 如何在實驗室中測定pH值
在學校實驗室中，有數種方法可測試酸度或測定pH值：
酸鹼指示劑
酸鹼指示劑是弱有機酸或弱有機鹼，在酸性和鹼性溶液中會顯示不同的顏色：
• 石蕊： 在酸中呈紅色，在鹼中呈藍色。
• 甲基橙： 在酸性溶液中（pH < 3.1）呈紅色，在鹼性溶液中（pH > 4.4）呈黃色。
• 酚酞： 在酸性／中性溶液中呈無色，在鹼性溶液中（pH > 8.3）呈粉紅色。
廣用指示劑與pH試紙
這是一種混合了多種指示劑的物質，在整個pH標度（pH 1 至 14）上顯示連續的顏色變化。透過將所得溶液顏色與標準pH比色卡進行比對，我們便可估計出大約的pH值。
pH計或配合pH傳感器的數據記錄儀
這是最精確的方法。已校準的pH計透過量度電極電位，提供準確且定量的數碼讀數（例如 pH 3.45）。
快速總結：選擇方法
• 定性檢驗（酸 vs 鹼）：簡單指示劑如石蕊。
• 大約pH值估計：廣用指示劑。
• 準確、連續的定量pH測量：pH計。