Acids, bases and salt preparations - Chemistry - Pearson Edexcel IGCSE

化學溫習筆記：酸、鹼與鹽的製備

歡迎來到無機化學中最基礎且重要的章節之一！酸、鹼和鹽無處不在——從檸檬的酸味到你洗手用的肥皂。理解這些化學物質如何相互作用，對於我們之後要學習的幾乎每一個概念都至關重要。

如果起初覺得這些概念有點複雜，不用擔心！我們將把定義和實際製備方法拆解成簡單、易懂的步驟！讓我們開始吧！

第一部分：酸、鹼與鹼性的定義

什麼是酸？

根據 IGCSE 課程，定義酸最簡單的方法是觀察它在水中溶解時的反應：

酸是溶解於水時會產生氫離子（\(H^+\)）的物質。
溶液的酸鹼度（酸性強度）取決於 \(H^+\) 離子的濃度。

強酸的主要例子：

鹽酸 (HCl)
硫酸 (\(H_2SO_4\))
硝酸 (\(HNO_3\))

你知道嗎？ 你胃裡的胃酸其實就是鹽酸，它能幫助分解食物並殺死有害細菌！

什麼是鹼（Base）與鹼性溶液（Alkali）？

鹼（Base）通常指能與酸反應並進行中和作用的物質。鹼通常是金屬氧化物或金屬氫氧化物。

鹼性溶液（Alkali）是一種特殊的鹼：

鹼性溶液是指可溶於水的鹼。
當鹼性溶液溶解於水時，會產生氫氧根離子（\(OH^-\)）。

記憶小撇步：記住「Alkali」和「Aqua」（水）都有「A」字。鹼性溶液（Alkali）就是能溶於水的鹼。

鹼性溶液（可溶性鹼）的主要例子：

氫氧化鈉 (NaOH)
氫氧化鉀 (KOH)
氨水 (\(NH_3(aq)\))

測量酸鹼度：pH 值與指示劑

pH 值是用來衡量溶液酸性或鹼性的指標，範圍從 0 到 14。

pH 值快速複習：

pH 0 至 < 7：酸性（\(H^+\) 濃度較高）
pH 7：中性（純水，\(H^+\) 和 \(OH^-\) 的含量相等）
pH > 7 至 14：鹼性（\(OH^-\) 濃度較高）

指示劑

指示劑是一些會根據溶液 pH 值而變色的染料，用來快速檢測物質是酸性還是鹼性。

需要掌握的重要指示劑：

萬用指示劑 (Universal Indicator)： 最實用，因為它能顯示一系列顏色（強酸為紅色，中性為綠色，強鹼為紫色）。
石蕊試紙 (Litmus Paper)： 簡單的測試方法。酸會使藍色石蕊試紙變紅，鹼會使紅色石蕊試紙變藍。
甲基橙 (Methyl Orange)： 常見於滴定實驗。在酸中呈紅色，在鹼中呈黃色。
酚酞 (Phenolphthalein)： 常見於滴定實驗。在酸中無色，在鹼中呈粉紅色。

重點摘要 I：酸會釋放 \(H^+\)，鹼性溶液會釋放 \(OH^-\) 且是可溶的鹼。pH 值用來測量它們的強度。

第二部分：酸的主要反應

酸具有很強的反應性。你必須掌握酸進行的四種主要反應的通用化學方程式。

1. 與鹼反應（中和作用）

這是最重要的反應。當酸與鹼（或鹼性溶液）反應生成鹽和水時，就會發生中和反應。

通用方程式：
酸 + 鹼（或鹼性溶液） \(\rightarrow\) 鹽 + 水

鹽的名稱取決於所用的酸：

鹽酸生成氯化物。
硫酸生成硫酸鹽。
硝酸生成硝酸鹽。

例子：
\(HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O\)

中和作用的離子方程式：
無論使用哪種酸和鹼，其實質反應都是：
\(H^+(aq) + OH^-(aq) \rightarrow H_2O(l)\)

2. 與金屬反應

酸會與比氫更活躍的金屬反應（請參考金屬活動順序表）。此反應會產生鹽和氫氣。

通用方程式：
酸 + 金屬 \(\rightarrow\) 鹽 + 氫氣

例子：鋅與硫酸反應
\(Zn(s) + H_2SO_4(aq) \rightarrow ZnSO_4(aq) + H_2(g)\)

安全須知：我們通常不會將酸與鈉或鉀等極活躍的金屬反應，因為反應會過於劇烈甚至爆炸！在實驗室中，我們通常使用鎂或鋅。

3. 與金屬碳酸鹽反應

當酸與金屬碳酸鹽反應時，總是會產生三種產物：鹽、水和二氧化碳氣體。

通用方程式：
酸 + 碳酸鹽 \(\rightarrow\) 鹽 + 水 + 二氧化碳氣體

例子：碳酸鈣（粉筆/石灰岩）與鹽酸反應
\(2HCl(aq) + CaCO_3(s) \rightarrow CaCl_2(aq) + H_2O(l) + CO_2(g)\)

二氧化碳的檢測：如果將產生的氣體通入澄清石灰水（氫氧化鈣溶液），石灰水會變渾濁（形成了碳酸鈣白色沉澱）。

常見錯誤：酸與金屬反應會生成氫氣（\(H_2\)），而酸與碳酸鹽反應則生成二氧化碳（\(CO_2\)）。千萬不要搞混了！

第三部分：鹽的製備

鹽是指酸中的氫離子（\(H^+\)）被金屬離子或銨離子（\(NH_4^+\)）取代後形成的化合物。

在 IGCSE 課程中，你需要根據鹽是否溶於水，掌握製備鹽的三種主要方法。

預備概念：溶解度規則
雖然你不必背下每一條規則，但理解這些基本規律對於選擇正確的製備方法至關重要：

所有鈉 (Na)、鉀 (K) 和銨 (\(NH_4\)) 鹽都是可溶的。
所有硝酸鹽都是可溶的。
大多數氯化物是可溶的（銀鹽和鉛鹽除外）。
大多數硫酸鹽是可溶的（鋇鹽、鈣鹽和鉛鹽除外）。
大多數碳酸鹽是不溶的（鈉、鉀和銨鹽除外）。

方法 1：製備可溶性鹽（滴定法）

當起始的鹼（或鹼性溶液）與最終生成的鹽都是可溶的時，會使用此方法。這對於製備鈉鹽、鉀鹽或銨鹽是必不可少的。

由於所有反應物和產物都已溶解，我們不能簡單地加入過量的反應物然後過濾；我們必須使用滴定法 (Titration) 來確定完全中和所需的确切用量。

滴定步驟：

使用移液管將定量的鹼（如 NaOH）放入錐形瓶中。
加入幾滴合適的指示劑（如甲基橙）。
從滴定管中緩慢加入酸（如 HCl），直到指示劑剛好變色（即滴定終點）。
記錄所用的酸體積。這稱為滴定讀數 (Titre)。
重複實驗（不加指示劑）：使用第一次實驗測得的精確體積再次進行實驗，但這次不加指示劑。這樣能確保生成的鹽溶液是純淨的。
結晶：輕輕加熱所得的鹽溶液（NaCl 溶液）以蒸發部分水分（直到達到飽和點/結晶點）。
讓熱的飽和溶液緩慢冷卻。晶體就會析出。
過濾並晾乾晶體（例如，放在兩張濾紙之間）。

方法 2：製備可溶性鹽（過量不溶性反應物法）

當起始的鹼是不溶的（金屬氧化物、氫氧化物或碳酸鹽），而最終生成的鹽是可溶的時，會使用此方法。此方法適用於大多數金屬（不包括鈉、鉀或銨）。

我們使用過量的不溶性反應物，以確保所有酸都參與了反應（被中和）。

步驟：

將選定的酸（如硫酸）放入燒杯中輕微加熱。
緩慢加入不溶性反應物（如過量的氧化銅(II)），同時攪拌，直到不再溶解為止（表示鹼已過量）。
過濾：過濾混合物以除去過量、未反應的不溶性鹼。濾液（穿過濾紙的液體）即為純淨的鹽溶液（如硫酸銅(II)）。
結晶：加熱濾液以蒸發部分水分，直至達到結晶點。
緩慢冷卻溶液以形成晶體。
過濾並晾乾晶體。

為什麼此方法有效：由於鹼是不溶的，我們可以透過過濾輕鬆除去過量的部分，從而保證獲得純淨的鹽溶液。

方法 3：製備不溶性鹽（沉澱法）

當目標鹽是不溶的（如硫酸鋇或氯化鉛）時，使用此方法。此方法涉及將兩種不同的可溶性鹽混合。

當含有不同離子的兩種溶液混合，且形成的組合是不溶性化合物時，該化合物會從溶液中析出，稱為沉澱 (Precipitate)。