化学伙伴/酸和碱

酸和碱

酸和碱是化合物，它们具有一个或多个“松散”的氢 (H) 或氢氧根 (OH) 附着在它们上面。这些氢或氢氧根与化合物的键合并不牢固，它们很容易断裂。正是氢和氢氧根赋予了酸和碱它们的性质。

我们对酸和碱的认识如何改变

人们很早就注意到了酸和碱之间的差异。自从中世纪以来，人们就开始注意到两者之间的差异。关于 pH 值和酸碱反应的发现始于 20 世纪初。

大多数早期的酸碱理论都是错误的，但至少它们是在尝试。在 1700 年代中期，一位名叫安托万·拉瓦锡的人提出了一种理论。他得出结论，氧气和水使物质呈酸性。硫酸是 H₂SO₄，它可以由 H₂O 和 SO₃ 制成。因此，他认为是氧气使其呈酸性。事实并非如此。一些含有氧气的溶液，如 CaO，是碱性的。还有一些不含氧气的酸。

一位名叫汉弗莱·戴维爵士的人得出结论，氢是酸性的原因。另一位名叫尤斯图斯·冯·李比希的人同意汉弗莱的观点，并详细阐述了该理论。他假设氢可以形成离子键，其中氢起着金属的作用。他认为酸是氢的盐。这是一个很好的理论，但它没有解释为什么许多含有氢的化合物是中性的，如水，或碱性的，如 NH₃。

最后，在 1887 年，斯万特·阿伦尼乌斯提出了一个相当好的解释。他得出结论，酸在水溶液中发生电离。在溶液中，它们与氢离子形成键。碱也是这样，只不过它们与氢氧根形成离子键。这可能有一点偏差，但它确实解释了一些事情，比如水是中性的。由于 H₂O 是氢 (H⁺) 和氢氧根 (OH^-) 的组合，所以它是中性的。

修正阿伦尼乌斯定义

阿伦尼乌斯关于酸释放氢离子和碱吸收氢离子的说法是正确的，但该理论并不完整。当酸释放氢时，它不会长时间保持单个氢的形态，如果有任何水在附近，正氢离子会被氧原子的负极吸引，形成 H₃O⁺。这不是共价键。氢只是被略微负性的氧吸引。

两性离子的水解

两性离子是既不显酸性也不显碱性的物质，但只要加水就会变成酸性或碱性。以 NaHCO₃ 为例。它本身看起来并不太酸性，但如果把它和水混合，钠就会分离。它仍然靠近其他离子，仍然在技术上与 HCO₃ 键合。这就像在跳舞，如果你没有与你的舞伴手拉手，你只是靠得很近。然后，溶液中发生了一些事情。水想要与 HCO₃ 键合，所以它们就让 Na 留在那里。这就像如果其中一个舞者找到另一个跳舞的人，就离开了。真是粗鲁。无论如何，HCO₃ 和 H₂O 键合，形成 OH^- 和 H₂CO。OH^- 当然是碱性的。另一个例子是 NaHSO₄。在水中，Na 再次与离子解离，H₂O 进入。它们形成 HSO₄ 和一个额外的氢 (酸)。这个氢发现一些水，并形成 H₃O。

金属和非金属氧化物的水解

这些与两性离子非常相似，只是它们是简单的金属和非金属，而不是多原子离子。对于这些物质，只有一个简单的规则：如果金属离子与水混合，它会形成碱性溶液。如果化合物是非金属的，它会形成酸。

金属离子的水解

当金属离子与水溶液混合时，它会与水结合形成与水形成的复杂离子。这些离子会在水中释放氢，形成酸。

预测氢的结果

有一种方法可以找出酸的浓度（通常是氢）。你看，在反应中，并非所有的化学物质都会发生反应。如果你混合 Na 和 Cl，你会得到大量的 NaCl，也会有一些单独的 Na 和 Cl。这个等式告诉我们浓度是多少：K_a× K_b=K_w。假设你有一个像 HF + H₂O → H₃O + F 这样的反应。K 是 HF × H₂O/H₃O × F。由于 H₃O 是酸，所以 K 被替换为 K_a，它基本上是相同的，只是它指定我们正在寻找酸的浓度。如果我们使用 K_b，我们就在寻找碱。K_w 是水。所以，假设我们有反应 CO_3(aq) + H₂O_(aq) → OH_(aq) + HCO_3(aq)。如果我们知道 CO₃ 的浓度为 0.100 mol/L，pH 值为 11.66。由于我们正在处理碱，因此我们将使用 K_b。为了找到浓度，我们对等式的两边进行乘法和除法。我们用没有碱的那一边除以有碱的那一边。它看起来像这样

K_b = [OH] × [HCO₃]/ [CO₃]

注意，我们没有将水放在等式中。这是因为所有物质都溶解在水中，CO₃ 的浓度是以每升水的摩尔数来衡量的。现在，让我们在等式中加入一些数字！我们知道 pH 值为 11.66，这意味着 pOH 为 14 - 11.66 或 2.34 或 10^-2.34。如果我们将 10^-2.34 转换为正确的指数，我们将知道 OH 的浓度。如果你在计算器中输入 10^-2.34，它将以正确的指数形式显示出来：4.57×10^-3。这是 OH 的浓度，由于 OH 和 HCO₃ 之间的浓度相等，因此这个数字也是 HCO₃ 的浓度。现在我们知道所需的三个数字了！

K_b = (4.57 × 10^-3)(4.57 × 10^-3)/ 0.100

K_b = 2.0 × 10^-4

测量酸和碱

pH 值

酸和碱的测量使用的是pH标尺。它是一个从0到14的标尺，1是最酸性的，14是最碱性的。7位于标尺的中间，因此是中性的。

日常溶液有不同的pH值。

氢离子浓度

pH标尺测量的是化合物中氢浓度的相对值。从7开始，标尺上每上升或下降一级，代表氢浓度增加或减少10倍。因此，pH值为6的物质比pH值为7的物质酸性强10倍，而pH值为5的物质比pH值为7的物质酸性强100倍。反之，pH值为8的物质比pH值为7的物质碱性强10倍，等等。这就是所谓的对数。在本例中，它是一个负对数，因为酸的氢浓度比碱高。这个原理可以帮助你根据氢离子浓度来确定pH值。如果你给定氢离子浓度为0.000006 M。你可以将其转换为科学计数法来找到它的pH值。小数点必须向后移动6位，因此科学计数法将为6.0 x 10^-6。这意味着你将6.0乘以负10的6次方，因此如果它是pH值，它将是6。参考资料: 虚拟化学手册 (将添加为实际参考资料)

酸的命名

根据氢原子所连接的阳离子不同，酸的名称也会不同。简单的酸，称为二元酸，只含有一个阳离子和一个氢原子。这些酸的命名方法是在前缀hydro后面加上阳离子的第一个音节，然后加上后缀-ic。例如，HCl是氢和氯，它是hydrochloric acid（盐酸）。更复杂的酸是指化合物中含有氧原子的酸。对于这些酸，有一个简单的规则。以硝酸根（NO₃）为例。任何以-ate结尾的多原子离子在酸中使用-ic作为后缀。所以HNO₃将是nitric acid（硝酸）。当多原子离子比-ate离子多一个氧原子时，酸名前缀为per，后缀为-ic。当多原子离子比-ate离子少一个氧原子时，后缀为-ous。当多原子离子比-ate离子少两个氧原子时，前缀为hypo，后缀为-ous。 例如: (以下某些酸并不存在，仅用于示例)

  Nitrate > HNO3 >Nitric Acid.   
  One more Oxygen > HN2O4 >pernitric Acid. 
  One less oxygen > HNO2  >Nitrous Acid.
  Two less oxygen > HNO  > Hyponitrous Acid.

布朗斯特和劳里的酸碱理论

布朗斯特和劳里都提出了一种理论来解释酸和碱是如何工作的。酸是会释放氢离子的化合物。这些游离的氢离子会继续与其他化合物结合。碱则相反，它们会吸收氢离子。强酸比弱酸更容易释放氢离子。强碱比弱碱更能吸收氢离子。非常强的碱甚至会从那些不想放弃氢离子的化合物中吸收氢离子。

共轭酸和共轭碱

强酸释放氢离子后，会变成弱碱。反之，强碱获得氢离子后，会变成弱酸。对此有一个简单的解释。酸含有一个氢原子，并与其形成键。这个键可能很弱，但毕竟是一个键。当酸释放氢离子后，它并不想再获得另一个氢离子，但它确实有空间形成新的键。碱的工作原理正好相反。

酸碱指示剂

当一种物质与酸或碱混合时改变颜色时，它被称为酸碱指示剂。石蕊试纸是最常见的类型。当将一块石蕊试纸放入酸中时，它会变红。当将它放入碱中时，它会变蓝。记住: Acid Red, Base Blue。

缓冲液

缓冲液是一种能将溶液的pH值保持在一定范围内的溶液。对于酸来说，它是一个弱碱，对于碱来说，它是一个弱酸。当将缓冲液加入酸中，使溶液中大约一半是酸，一半是缓冲液时，它就起到了缓冲作用。在此期间，酸会将其氢离子释放给碱性缓冲液。但是，当所有氢离子都被缓冲液吸收后，溶液就会达到缓冲容量。然后，如果你再添加缓冲液，pH值只会上升到缓冲液的pH值。