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单元: 物质 · 原子结构 · 键合 · 反应 · 溶液 · 物质的相 · 平衡 · 动力学 · 热力学 · 元素
附录: 元素周期表 · 单位 · 常数 · 公式 · 还原电位 · 元素及其性质

酸碱反应理论

酸和碱无处不在。一些食物含有酸，比如柠檬中的柠檬酸和乳制品中的乳酸。漂白剂和氨水等清洁用品是碱。酸性或碱性的化学物质是化学中的重要组成部分。

有几种不同的理论解释了什么是酸和碱。 18世纪，法国化学家安托万·拉瓦锡提出了酸的第一个科学定义。他提出酸包含氧气，尽管他不知道盐酸 (HCl) 等酸的双重组成。多年来，酸和碱的更准确定义被创造出来。

阿伦尼乌斯理论

瑞典化学家斯万特·阿伦尼乌斯于1887年发表了他的酸碱理论。它可以用以下两点简单解释

阿伦尼乌斯酸和碱

酸是在溶剂中解离产生一个或多个氢离子 (H⁺) 的物质。
碱是在溶剂中解离产生一个或多个氢氧根离子 (OH^-) 的物质。

根据这个定义，您可以看到阿伦尼乌斯酸必须可溶于水。阿伦尼乌斯酸碱反应可以用三个通用方程式概括

${\hbox{HA}}\to {\hbox{H}}^{+}+{\hbox{A}}^{-}$	酸在水中解离会产生氢离子。
${\hbox{MOH}}\to {\hbox{M}}^{+}+{\hbox{OH}}^{-}$	碱（通常含有金属）在水中解离会产生氢氧根离子。
${\hbox{HA}}_{(aq)}+{\hbox{MOH}}_{(aq)}\to {\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}_{(l)}+{\hbox{MA}}_{(aq)}$	酸和碱混合时会相互中和。它们会产生水和离子盐，它们都不具有酸性或碱性。

阿伦尼乌斯理论简单且实用。它解释了许多酸和碱的性质和反应。例如，将盐酸 (HCl) 与氢氧化钠 (NaOH) 混合会得到含有食盐 (NaCl) 的中性溶液。

然而，阿伦尼乌斯理论并非没有缺陷。有很多众所周知的碱，比如氨 (NH₃)，它们不含氢氧根离子。此外，酸碱反应在不含水的溶液中也有观察到。为了解决这些问题，存在一个更高级的酸碱理论。

布朗斯特-劳里理论

布朗斯特-劳里理论于 1923 年提出。它比阿伦尼乌斯理论更普遍——所有阿伦尼乌斯酸/碱也是布朗斯特-劳里酸/碱（但反之不一定成立）。

布朗斯特-劳里酸和碱

酸是一种可以从中去除质子（H⁺ 离子）的物质。从本质上讲，酸会将质子捐赠给碱。
碱是一种可以添加质子（H⁺）的物质。从本质上讲，碱会从酸中接受质子。

维基百科在 酸碱反应 中提供了相关信息。

只能捐赠一个质子的酸称为一元酸，而可以捐赠多个质子的酸称为多元酸。

这些反应展示了布朗斯特-劳里酸和碱的行为。

${\hbox{HCl}}+{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}\to {\hbox{Cl}}^{-}+{\hbox{H}}_{3}{\hbox{O}}^{+}$	酸（在本例中为盐酸）会将质子捐赠给碱（在本例中，水是碱）。酸会失去它的质子，而碱会获得它。
${\hbox{HCl}}+{\hbox{N}}{\hbox{H}}_{3}\to {\hbox{Cl}}^{-}+{\hbox{N}}{\hbox{H}}_{4}^{+}$	水不是必需的。在本例中，盐酸仍然是酸，但氨气充当碱。
${\hbox{Cl}}^{-}+{\hbox{N}}{\hbox{H}}_{4}^{+}\to {\hbox{HCl}}+{\hbox{N}}{\hbox{H}}_{3}$	正在发生相同的反应，但现在是反向的。曾经的酸现在变成了碱（HCl → Cl^-），曾经的碱现在变成了酸（NH₃ → NH₄⁺）。这个概念称为共轭，将在稍后详细解释。
${\hbox{HCl}}+{\hbox{NaOH}}\to {\hbox{NaCl}}+{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}$ ${\hbox{H}}_{3}{\hbox{O}}^{+}+{\hbox{OH}}^{-}\to 2{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}$	两个酸（HCl 和 H₃O⁺）与碱（NaOH 和 OH^-）混合形成中性物质（NaCl 和 H₂O）的例子。
${\hbox{NaOH}}+{\hbox{N}}{\hbox{H}}_{3}\to {\hbox{Na}}^{+}+{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}+{\hbox{N}}{\hbox{H}}_{2}^{-}$	碱（氢氧化钠）会从酸（氨气）中接受质子。会产生中性物质（水），这并不一定每个反应中都会发生。将此反应与第二个反应进行比较。氨气是碱，现在它是酸。这个概念称为两性，将在稍后解释。

布朗斯特-劳里理论是迄今为止最有用、最常用的定义。在整个普通化学课程中，您可以假设任何酸/碱都使用布朗斯特-劳里定义，除非另有说明。

此布朗斯特-劳里酸将质子（以绿色显示）捐赠给水（碱）。

路易斯理论

路易斯定义是最普遍的理论，对溶解度或质子没有要求。

路易斯酸和碱

酸是一种接受孤对电子的物质。
碱是一种捐赠孤对电子的物质。

路易斯酸和碱反应生成加合物，一种酸和碱通过共享电子对键合形成的化合物。路易斯酸碱反应不同于氧化还原反应，因为氧化态没有变化。

两性性和水

能够同时作为酸或碱的物质称为两性。水是最重要的两性物质。它可以电离成氢氧根离子 (OH^-，碱) 或水合氢离子 (H₃O⁺，酸)。通过这样做，水可以

增加 H⁺ 或 OH^- 浓度 (阿伦尼乌斯理论)，
捐赠或接受质子 (布朗斯特-劳里理论)，以及
接受或捐赠电子对 (路易斯理论)。

水会非常轻微地解离（这进一步解释了它的两性性质）。

${\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}\leftrightarrow {\hbox{H}}^{+}+{\hbox{OH}}^{-}$	氢离子的存在表明它是酸，而氢氧根离子的存在表明它是碱。由于水呈中性，它会等量地解离成两者。
$2{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}\leftrightarrow {\hbox{H}}_{3}{\hbox{O}}^{+}+{\hbox{OH}}^{-}$	该方程式更准确——氢离子不存在于水中，因为它们会键合形成水合氢离子。

氨

另一个常见的两性物质的例子是氨。氨通常是碱，但在某些反应中它可以表现得像酸。

${\hbox{NH}}_{3}+{\hbox{HCl}}\to {\hbox{NH}}_{4}^{+}+{\hbox{Cl}}^{-}$	氨表现为碱。它接受一个质子形成铵离子。
${\hbox{Li}}_{3}{\hbox{N}}+2{\hbox{NH}}_{3}\to 3{\hbox{Li}}^{+}+3{\hbox{NH}}_{2}^{-}$	氨也表现为酸。在这里，它捐赠一个质子形成酰胺离子。

氨的两性性质并不常见，因为氨通常表现得像碱。另一方面，水是完全中性的，因此它的酸性和碱性行为在日常生活中都被观察到。

共轭酸和碱

在所有酸碱反应理论中，反应产物与反应初始反应物相关联。例如，在布朗斯特-劳里理论中，这种关系是反应物和产物之间的一个质子的差异。两种表现出这种关系的物质形成共轭酸碱对。

布朗斯特-劳里共轭对

捐赠了质子的酸变成共轭碱。
接受了质子的碱变成共轭酸。

${\color {Red}{\mathcal {HI}}_{(aq)}}+{\color {Blue}\mathbf {H} _{2}\mathbf {O} _{(l)}}\to {\color {Blue}{\mathcal {I}}_{(aq)}^{-}}+{\color {Red}\mathbf {H} _{3}\mathbf {O} _{(aq)}^{+}}$	氢碘酸与水（充当碱）反应。共轭碱是碘离子，共轭酸是水合氢离子。酸用红色表示，碱用蓝色表示。一个共轭对用粗体表示，另一个共轭对用斜体表示。
${\color {Blue}{\mathcal {NH}}_{3(aq)}}+{\color {Red}\mathbf {H} _{2}\mathbf {O} _{(l)}}\to {\color {Red}{\mathcal {NH}}_{4(aq)}^{+}}+{\color {Blue}\mathbf {OH} _{(aq)}^{-}}$	氨气（碱性）与水（酸性）反应。共轭酸是铵根离子，共轭碱是氢氧根离子。同样地，酸用红色表示，碱用蓝色表示。共轭对用相同的字体区分。

强酸和弱酸/碱

强酸是指在水中完全电离的酸。也就是说，所有酸分子都分解成离子并溶解（附着）到水分子中。因此，强酸溶液中水合氢离子浓度等于酸的浓度。

大多数酸是弱酸，它们只部分电离。平均而言，在 0.1 mol/L 的弱酸溶液中，只有大约 1% 的酸会电离。因此，弱酸溶液中水合氢离子浓度总是小于溶解的酸的浓度。

强碱和弱碱的概念相同，无需进一步解释。

这解释了为什么在上述所有示例反应中，逆向化学反应不会发生。更强的酸/碱将占主导地位，而更弱的酸/碱不会对整体酸性/碱性产生贡献。例如，盐酸是强酸，电离后会形成氯离子。氯离子是一种弱碱，但溶液不会呈现碱性，因为 HCl 的酸性远远强于 Cl^- 的碱性。

大多数酸和碱是弱酸/碱。你应该熟悉最常见的强酸，并假设其他任何酸都是弱酸。

化学式	强酸
HClO₄	高氯酸
HNO₃	硝酸
H₂SO₄	硫酸
HCl, HBr, HI	氢卤酸

在一系列含氧酸中，氧原子数最多的离子是最强的。例如，硝酸 (HNO₃) 是强酸，但亚硝酸 (HNO₂) 是弱酸。高氯酸 (HClO₄) 比氯酸 (HClO₃) 强，氯酸比弱的亚氯酸 (HClO₂) 强。次氯酸 (HClO) 是这四种中最弱的。

常见的强碱是第 1 族和大多数第 2 族金属的氢氧化物。例如，氢氧化钾和氢氧化钙是其中一些最强的碱。你可以假设任何其他碱（包括氨和氢氧化铵）都是弱碱。

化学式	强碱
LiOH	氢氧化锂
NaOH	氢氧化钠
KOH	氢氧化钾
RbOH	氢氧化铷
CsOH	氢氧化铯
Ca(OH)₂	氢氧化钙
Sr(OH)₂	氢氧化锶
Ba(OH)₂	氢氧化钡

^[1]

酸和碱的性质

现在你已经了解了酸碱理论，可以学习酸和碱的物理和化学性质。酸和碱具有非常不同的性质，可以通过观察来区分它们。

指示剂

指示剂由特殊的化学化合物制成，这些化合物会与酸或碱发生轻微反应，在酸或碱存在时会改变颜色。常见的指示剂是石蕊试纸。石蕊试纸在酸性条件下变红，在碱性条件下变蓝。酚酞在酸性和中性溶液中无色，但一旦溶液变为碱性，它就会变成紫色。在试图中和酸性溶液时，它非常有用；一旦指示剂变为紫色，就意味着已经添加了足够的碱。

导电性

另一种不太有说服力的方法是测试导电性。酸和碱在水溶液中会导电，因为它们含有溶解的离子。因此，酸和碱是电解质。强酸和强碱将是强电解质。弱酸和弱碱将是弱电解质。这会影响导电性的程度。

然而，酸会与金属反应，因此测试导电性可能不可行。

物理性质

酸和碱的物理性质是相反的。

	酸	碱
味道	酸	苦
感觉	刺痛	滑腻
气味	刺鼻	无味

这些性质非常笼统；它们可能不适用于每一种酸或碱。

另一个警告：如果酸或碱溢出，必须立即并正确地清理（根据你工作的实验室的程序）。例如，如果氢氧化钠溢出，水会开始蒸发。氢氧化钠不会蒸发，因此碱的浓度会不断增加，直到它对周围表面造成损害。

化学反应

中和

酸会与碱反应生成盐和水。这是一种中和反应。中和反应的产物比反应物酸性或碱性弱得多。例如，将氢氧化钠（碱）加入到盐酸中。

{\hbox{NaOH}}_{(aq)}+{\hbox{HCl}}_{(aq)}\to {\hbox{NaCl}}_{(aq)}+{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}_{(l)}

这是一个复分解反应。

酸

$2{\hbox{HCl}}_{(aq)}+{\hbox{Zn}}_{(s)}\to {\hbox{ZnCl}}_{2(aq)}+{\hbox{H}}_{2(g)}$	酸与金属反应生成金属盐和氢气泡。
${\hbox{H}}_{2}{\hbox{SO}}_{4(aq)}+{\hbox{CaCO}}_{3(s)}\to {\hbox{CaSO}}_{4(s)}+{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}_{(l)}+{\hbox{CO}}_{2(g)}$	酸与金属碳酸盐反应生成水、CO₂气泡和盐。
$2{\hbox{HNO}}_{3(aq)}+{\hbox{Na}}_{2}{\hbox{O}}_{(s)}\to 2{\hbox{NaNO}}_{3(aq)}+{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}$	酸与金属氧化物反应生成水和盐。

碱

碱通常比酸反应性低，反应也较不剧烈。它们仍然会发生许多化学反应，特别是与有机化合物反应。一种常见的反应是皂化反应：碱与脂肪或油反应生成肥皂。

皂化反应将“酯”转化为“醇”和盐。这是一个有机反应，不在普通化学的范围内。

练习题

1. 命名以下将形成的化合物，并确定其为酸或碱

a) Br + H

b) 2H + SO₃

c) K + H

d) 2H + SO₆

e) 3H + P₂

f) H + BrO₂

g) Na + Cl

2. 以下物质的共轭酸和共轭碱是什么

a) 水

b) 氨气

c) 硫酸氢根离子

d) 氢氧化锌

e) 氢溴酸

f) 亚硝酸根离子

g) 二氢磷酸根离子

3. 在电导率测试中，设置了 5 种不同的溶液，并使用灯泡进行测试。记录了以下观察结果

溶液 A 闪耀明亮。

溶液 B 微弱发光。

溶液 C 微弱发光。

溶液 D 不会发光。

溶液 E 闪耀明亮。

a) 哪些溶液可能含有强碱？

b) 哪些溶液可能含有弱酸？

c) 哪些溶液可能含有离子？

d) 哪些溶液可能含有纯净水？

e) 仅基于这些观察结果，是否可以区分酸性和碱性溶液？

4. 确定以下方程式中的共轭碱和共轭酸

a) HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl^-

b) HClO + H₂O → ClO^- + H₃O⁺

c) CH₃CH₂NH₂ + H₂O → CH₃CH₂NH₃⁺ + OH^-

5. 确定以下碱是阿累尼乌斯碱、布朗斯特-劳里碱还是两者兼有。

a) 氢氧化锶

b) 丁基锂 (C₄H₉Li)

c) 氨气

d) 氢氧化钾

e) 碘化钾

6. 根据布朗斯特-劳里酸碱理论，你是否预计纯净水中根本没有溶解的离子？解释，使用平衡化学方程式。

答案

注释

有用提示！
	虽然其他卤素可以形成强酸，但氢氟酸 (HF) 是一种弱酸。尽管很弱，但它具有极强的腐蚀性——氢氟酸会溶解玻璃和金属！

有用提示！
	您可能需要回顾一下有关酸命名的知识。

^ Brown, Theodore E.; Lemay, H. Eugene; Bursten, Bruce E.; Murphy, Catherine; Woodward, Patrick (2009), Chemistry: The Central Science (11th ed.), New York: Prentice-Hall, ISBN 0136006175.

酸碱性质练习题答案

[1]