IB 化学/酸和碱

这是第 9 章，希望这个空间能容纳本章的介绍。

酸和碱的性质

酸和碱在水溶液中的性质

强酸与强碱之间的反应生成水和盐。弱酸与强碱之间或强酸与弱碱之间的反应仅生成盐。例如

${}^{\rm {{HCl}+{\rm {{NaOH}\to {\rm {{H}_{2}{\rm {{O}+{\rm {NaCl}}}}}}}}}}$

${\displaystyle {}^{\rm {{HCl}+{\rm {{NH}_{3}\to {\rm {{NH}_{4}{\rm {Cl}}}}}}}}}.$

酸与金属反应会生成氢气，例如 ${}^{2{\rm {{HCl}+{\rm {{Mg}\to {\rm {{MgCl}_{2}+{\rm {{H}_{2}}}}}}}}}}$.

酸与碳酸盐反应会生成水和二氧化碳，例如 ${}^{2{\rm {{HCl}+{\rm {{CaCO}_{3}\to {\rm {{CO}_{2}+{\rm {{H}_{2}{\rm {{O}+{\rm {{CaCl}_{2}}}}}}}}}}}}}}$.

酸和碱的实验性质

当酸和碱中和时，反应明显放热（即可以感觉到来自反应的热量）。显然，它们会影响指示剂的颜色，如下所述。酸与金属反应产生的氢气，如果将其与火柴靠近，会发出“砰”的一声，而碳酸盐反应产生的 CO₂，如果通过石灰水，会使石灰水变浑浊。

一些酸的例子：${}^{\rm {HCl}}$, ${}^{\rm {{CH}_{3}{\rm {COOH}}}}$, ${}^{\rm {{H}_{2}{\rm {{SO}_{4}}}}}$, ${}^{{\rm {{NH}_{4}}}^{+}}$.

碱的例子：${}^{\rm {NaOH}}$, NH₃, CH₃COO^-.

布朗斯台德-劳里酸碱

8.1.1: 根据布朗斯台德-劳里理论定义酸和碱

根据布朗斯台德-劳里理论，酸被定义为质子（H⁺离子）的供体，碱被定义为质子的受体。

要使化合物充当B-L酸，它必须含有氢原子，它能够失去该氢原子，同时保持相当的稳定性。BL碱必须能够接受一个氢离子，同时保持相对的稳定性（或反应形成稳定的化合物，例如水和盐）。有些化合物（例如水）可以同时充当酸和碱，例如（H₂O-> OH^- 或 H₃O⁺）。这些物质被称为“两性”。

酸碱反应总是涉及一个酸碱共轭对。如果反应物是酸，则匹配的产物是其共轭碱，例如HCl/Cl^-、CH₃COOH/CH₃COO^-、NH₄⁺/NH₃。

共轭碱的H原子总是比酸少一个（或者酸比碱多一个）。在含有许多氢原子的化合物中，最弱的氢原子通常是最容易失去的，这必须反映在化合物的书写中，如上面的CH₃COOH示例。

路易斯理论

路易斯将酸定义为电子对受体，碱定义为电子对供体。

一个简单的质子-氢氧化物反应表明，这等同于布朗斯台德-劳里理论。

H⁺ + :OH^- --> H-OH

质子被接受是因为氢氧根有一个电子对，它用这个电子对与质子形成共价键。

路易斯理论超越了布朗斯台德-劳里理论，描述了非质子酸碱反应。

F₃B + :NH₃ --> F₃B-NH₃

配体和亲核试剂可以归类为路易斯碱。路易斯酸包括金属离子 and 亲电试剂.

Ag⁺ + 2 :NH₃ --> [Ag(NH₃)₂]⁺

8.3 - 强酸和弱酸以及强碱和弱碱

8.3.1 区分强酸和弱酸以及强碱和弱碱，从解离程度、与水的反应和导电性方面考虑。

强酸和弱酸的定义是它们失去（或捐赠）质子的难易程度。强酸，当放入水中时，几乎会立即完全电离/解离，从水中产生H₃O⁺离子。然而，弱酸只会部分地发生这种情况，留下一些未反应的酸。这是一个平衡反应，所以当弱酸产生的部分H₃O⁺离子发生反应时，LCP表示会有更多酸反应形成H₃O⁺离子。这意味着，给定等摩尔的酸，它们将被等量的强碱中和，但它们的溶液将具有不同的pH值。弱碱与之类似，只是它接受质子，因此从水中产生OH^-离子而不是H₃O⁺离子。任何溶液的导电能力是由其离子电荷决定的。因此，强酸会比弱酸产生更多的带电离子，因此它的溶液会比弱酸的溶液具有更好的导电性。强碱/弱碱也是如此。

强酸和弱酸以及强碱和弱碱的例子

强酸 : HCl, HNO₃, H₂SO₄, HClO₃, HBr .

弱酸 : CH₃COOH, H₂CO₃.

强碱 : 1族氢氧化物（例如 NaOH 等）、BaOH。

弱碱 : NH₃, CH₃CH₂NH₂.

8.3.3 - 区分强酸和弱酸以及强碱和弱碱，并使用实验数据确定酸和碱的相对强度。

显然，可以用通用指示剂或pH计来测量酸或碱的强度，也可以测量反应速率。用金属生成氢气或用CaCO₃生成CO₂可以揭示酸的强度。还可以通过用强碱在指示剂的存在下中和两种酸来确定相对酸性。

pH 标度

pH 值在 7（纯水的中性值，在 25°C 和 1 个大气压下）上下波动。较低的 pH 值为酸性；较高的值为碱性。pH 可以用 pH 计或 pH 试纸（包含混合指示剂以引起连续颜色变化的纸）测量。pH 是 H₃O⁺ 离子浓度的量度。

如果我们有两个溶液及其 pH 值，较低的那个将更酸性，较高的那个将更碱性（尽管它们都可能相对于水（pH 7）仍然是碱性/酸性）。

9.4.3 : pH 标度上每变化 1 个单位，溶液的酸度或碱度就会发生 10 倍的变化（因为它是对数标度）。浓度等于 10^-pH 或 pH=-log₁₀[H₃O⁺]，其中 [H₃O⁺] 是溶液中氢离子的浓度。

HL 材料

主题 18 是主题 9 的额外 HL 材料。

布朗斯特-劳里酸和碱

酸是一种可以捐献质子或氢离子的物质，碱是一种可以接受质子或氢离子的物质。

路易斯 理论

路易斯酸是孤对电子接受体，路易斯碱是孤对电子供体。

涉及酸和碱的计算

此 HL 子主题是 SL 选项 A 的子主题 5，只有一个区别：SL 选项不需要了解 K_a x K_b = K_w。

指示剂

指示剂会根据酸或碱的存在改变颜色。这是一个常见指示剂的表格。

指示剂	pKa	pH 范围	酸的颜色	碱的颜色
甲基橙	3.7	3.1-4.4	红色	黄色
溴酚蓝	4.0	3.0-4.6	黄色	蓝色
溴酚绿	4.7	3.8-5.4	黄色	蓝色
甲基红	5.1	4.2-6.3	红色	黄色
溴百里酚蓝	7.0	6.0-7.6	黄色	蓝色
酚红	7.9	6.8-8.4	黄色	红色
酚酞	9.3	8.3-10.0	无色	红色

表格改编自：Stark JG & Wallace, HG (1982) 化学数据手册 p103 第 2 版，John Murray，伦敦。