Acids, bases and salts

IGCSE 綜合科學 (0653) 化學筆記：C7 酸、鹼與鹽

歡迎來到化學中最基礎的課題之一！酸、鹼和鹽無處不在——從遙控器裡的電池到洗手用的肥皂，甚至是胃裡的化學反應。掌握這些概念是學好化學反應的關鍵！

溫馨提示：什麼是中和反應？

本章的核心概念是中和反應。中和反應是指酸與鹼（或鹼性物質）反應，生成鹽和水。

記憶口訣：酸 + 鹼 = 鹽 + 水 (ABSW)

C7.1 酸與鹼的特性

什麼是 pH 值及指示劑的作用？

pH 值（酸鹼值）是一個用來表示物質酸性或鹼性強弱的數值量表。其範圍從 0 到 14。

• pH < 7：酸性溶液（數值越小，酸性越強；pH 為 1 表示強酸）。
• pH = 7：中性溶液（純水）。
• pH > 7：鹼性溶液（數值越大，鹼性越強；pH 為 14 表示強鹼）。

我們使用稱為指示劑的物質來判斷溶液是酸性、鹼性還是中性。

萬用指示劑 (Universal Indicator)

比較酸性和鹼性強弱最有用的指示劑是萬用指示劑。它能顯示出一系列對應特定 pH 值的顏色。

中性、酸性和鹼性的對應顏色：

• 中性 (pH 7)：綠色
• 強酸性 (pH 1–3)：紅色/橙色
• 弱酸性 (pH 4–6)：黃色
• 弱鹼性 (pH 8–10)：藍色
• 強鹼性 (pH 11–14)：紫色

常見的指示劑

你必須了解酸和鹼對以下兩種常見指示劑的影響：

指示劑	在酸中（酸性溶液）	在鹼中（鹼性溶液）
石蕊（試紙或溶液）	變紅色	變藍色
甲基橙	變紅色	變黃色

C7.1（續）酸的特性

酸的反應有特定的規律。你需要了解常見酸（如 \(\text{HCl}\) 或 \(\text{H}_2\text{SO}_4\)）的三大反應。

1. 酸 + 金屬

當酸與活性金屬（如鎂或鋅）反應時，會生成鹽和氫氣。

反應規律：

\( \text{Acid} + \text{Metal} \rightarrow \text{Salt} + \text{Hydrogen} \)

例子：

\( \text{Sulfuric acid} + \text{Zinc} \rightarrow \text{Zinc sulfate} + \text{Hydrogen} \)

觀察現象：你會看到冒泡/產生氣泡（這是因為產生了氫氣），金屬會慢慢消失。

氫氣檢驗法：收集氣體，將燃燒中的木條靠近氣體。你會聽到一聲清脆的「噗」聲。

2. 酸 + 鹼（中和反應）

鹼的定義為金屬的氧化物或氫氧化物。鹼與酸反應只生成鹽和水。

反應規律：

\( \text{Acid} + \text{Base} \rightarrow \text{Salt} + \text{Water} \)

例子：

\( \text{Hydrochloric acid} + \text{Copper(II) oxide} \rightarrow \text{Copper(II) chloride} + \text{Water} \)

觀察現象：如果鹼是不溶性的（如 \(\text{CuO}\)），固體會隨反應消失，溶液會變色（例如，從無色的酸變成藍色的 \(\text{CuCl}_2\)）。

3. 酸 + 碳酸鹽

酸與碳酸鹽反應生成鹽、水和二氧化碳氣體。

反應規律：

\( \text{Acid} + \text{Carbonate} \rightarrow \text{Salt} + \text{Water} + \text{Carbon dioxide} \)

例子：

\( \text{Nitric acid} + \text{Sodium carbonate} \rightarrow \text{Sodium nitrate} + \text{Water} + \text{Carbon dioxide} \)

觀察現象：你會看到劇烈的冒泡/產生氣泡（這是因為產生了 \(\text{CO}_2\)）。

二氧化碳檢驗法：將產生的氣體通入石灰水（\(\text{aqueous calcium hydroxide}\)）。若有 \(\text{CO}_2\)，石灰水會變渾濁/呈乳白色。

C7.1（續）鹼和鹼性物質的特性

鹼和鹼性物質的定義

• 鹼 (Base) 是金屬的氧化物或氫氧化物。
• 鹼性物質 (Alkali) 是可溶性的鹼。所有的鹼性物質都是鹼，但並非所有的鹼都是鹼性物質（例如：\(\text{CuO}\) 是鹼，但不是鹼性物質，因為它不溶於水）。

鹼/鹼性物質的主要化學反應是與酸進行中和反應（如上述反應 2）。

重點總結：鹼性物質可溶於水並產生氫氧離子 (\(\text{OH}^-\))，這賦予了它們強大的清潔能力和較高的 pH 值。

你必須了解鹼性物質（可溶性鹼）對指示劑的影響：

• 石蕊：變藍色。
• 甲基橙：變黃色。

避免常見錯誤：務必分清楚 鹼 (base)（可溶或不溶）和 鹼性物質 (alkali)（必須可溶）。

C7.2 氧化物

氧化物是由氧和其他元素組成的化合物。我們根據它們與水或其他物質反應時表現出的酸性或鹼性來進行分類。

1. 鹼性氧化物

這些是由金屬形成的氧化物。它們與酸反應生成鹽和水（表現出鹼的性質）。

• 特性：由金屬形成。與酸反應。
• 例子：氧化銅(II) (\(\text{CuO}\)) 和 氧化鈣 (\(\text{CaO}\))。
• 類比：由於金屬形成鹼性氧化物，它們就像是化學團隊中的「鹼性」成員。

2. 酸性氧化物

這些是由非金屬形成的氧化物。當溶於水時，通常會形成酸性溶液。

• 特性：由非金屬形成。與鹼/鹼性物質反應。
• 例子：二氧化硫 (\(\text{SO}_2\)) 和 二氧化碳 (\(\text{CO}_2\))。
• 現實聯繫：\(\text{SO}_2\) 和氮氧化物是導致酸雨的原因，因為它們溶於雨水後會形成稀酸。

C7.3 鹽的製備

鹽是一種離子化合物，當酸中的氫原子被金屬離子或銨離子 (\(\text{NH}_4^+\)) 取代時形成。

由於我們正學習核心部分，我們只集中於製備可溶性鹽。可溶性鹽通常通過酸與過量的不溶性固體（金屬、鹼或碳酸鹽）反應，或通過酸與可溶性鹼進行滴定來製備。

方法 1：使用過量不溶性反應物製備（酸 + 過量金屬/不溶性鹼/不溶性碳酸鹽）

這種方法之所以有效，是因為金屬、不溶性鹼或不溶性碳酸鹽可以通過過濾輕鬆移除，從而留下純淨的鹽溶液。

你可以使用：

(b) 過量金屬：（例如：\(\text{Zn}\) 與 \(\text{H}_2\text{SO}_4\) 製備 \(\text{ZnSO}_4\)）

(c) 過量不溶性鹼：（例如：\(\text{CuO}\) 與 \(\text{HCl}\) 製備 \(\text{CuCl}_2\)）

(d) 過量不溶性碳酸鹽：（例如：\(\text{CaCO}_3\) 與 \(\text{HNO}_3\) 製備 \(\text{Ca}(\text{NO}_3)_2\)）

不溶性反應物製備步驟：

1. 加入過量：將不溶性反應物（金屬、鹼或碳酸鹽）加入溫熱的稀酸中，直到固體過量（意即底部仍有未反應的固體）。這確保了酸完全反應。
2. 過濾：過濾混合物以移除多餘未反應的不溶性固體（殘渣）。濾液中即為純淨的鹽溶液（濾液）。
3. 加熱/蒸發：輕微加熱鹽溶液（濾液）以蒸發部分水份，直到溶液呈飽和狀態（達到結晶點）。
4. 結晶：讓飽和溶液緩慢冷卻。純鹽晶體將會析出。
5. 乾燥：取出晶體並進行乾燥（例如使用濾紙或溫暖的烤箱）。

注意：我們使用過量固體反應物，是因為我們不知道酸的準確濃度，並且我們希望確保最終溶液僅含有鹽和水，而不是殘留的酸。

方法 2：使用滴定法製備（酸 + 鹼性物質）

當酸和鹼性物質都可溶時（例如由 \(\text{NaOH}\) 和 \(\text{HCl}\) 製備 \(\text{NaCl}\)），必須使用此方法。由於兩種反應物都溶解在水中，我們無法簡單地使用過量並過濾移除未反應的固體。

(a) 透過滴定使用鹼性物質：（例如：\(\text{NaOH}\) 與 \(\text{HCl}\) 製備 \(\text{NaCl}\)）

滴定法製備步驟：

1. 滴定：使用滴定管和移液管，配合指示劑（如甲基橙或酚酞），小心地混合已知體積和濃度的酸與鹼性物質。
2. 找出終點：當指示劑剛好變色時停止加入鹼性物質，這表示溶液已達到完全中性。記錄所使用的體積。
3. 不加指示劑重複實驗：使用記錄的體積重複同樣的操作，但不要加入指示劑。這樣可以防止指示劑污染鹽的產物。
4. 結晶與乾燥：輕微加熱所得的中性鹽溶液以蒸發水分直到飽和，冷卻並結晶，最後乾燥純鹽晶體。

C7.3（補充內容 - 僅供 Extended 學生參考）

雖然核心部分專注於可溶性鹽，但 Extended 學生還必須了解如何製備不溶性鹽。

透過沉澱法製備不溶性鹽

沉澱是指在化學反應過程中，溶液中形成了固體（沉澱物）。這發生在兩種可溶性鹽反應生成不溶性鹽時。

方法：

1. 混合可溶溶液：混合兩種不同的水溶液，每種溶液各含不溶性鹽所需的一種離子。
2. 過濾：不溶性鹽會立即形成沉澱。然後通過過濾將沉澱物與液體分離。
3. 洗滌：用蒸餾水徹底清洗沉澱物，以去除任何殘留的可溶性離子。
4. 乾燥：將潔淨的固體沉澱物乾燥。

（考生無需記憶鹽的一般溶解度規則。）