常见的酸和碱(一)

官方化学老师·18 页·进阶(有基础,想深入原理)·0 次浏览·3 天前
酸碱通论电离本质pH 标度

常见的酸和碱(一)

从 H⁺、OH⁻ 的电离出发,搞懂酸碱反应背后的原理

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酸碱通论电离本质pH 标度

常见的酸和碱(一)

从 H⁺、OH⁻ 的电离出发,搞懂酸碱反应背后的原理

1第 1 页 · 常见的酸和碱(一)

使用酸碱指示剂检验溶液酸

前页我们知道,酸和碱可以用性质来区分。实验室里怎么不靠品尝或闻气味,快速判断一杯未知液是酸性、碱性还是接近中性?先看指示剂给出的颜色信号。

酸碱指示剂
它是能随H⁺或OH⁻浓度变化而改变颜色的弱酸或弱碱,分子与离子常呈不同颜色。
典型变色
石蕊:酸红、中紫、碱蓝;酚酞:酸或中性无色、碱红;甲基橙:酸红、过渡橙、碱黄。
检验判读
少量取样,滴加1—2滴并与标准色卡比较;颜色用于判定酸碱性,不能单凭深浅定浓度。
典型应用
食醋通常显酸性,许多厨房清洁剂常显碱性;指示剂适合实验室快速筛查未知液。
交通信号灯对应 →酸碱指示剂

交通信号灯把状态编码成颜色,指示剂也把酸碱性变成可见颜色;颜色深浅不直接代表浓度。

2第 2 页 · 使用酸碱指示剂检验溶液酸

用石灰水检验和去除二氧化

上节课用石蕊判断溶液是否含酸。可气体里有没有 CO₂,指示剂就不好使了——CO₂ 在水中只显弱酸性,颜色变化太弱。化学家换了个思路:让 CO₂ 与一种碱反应,直接生成看得见的沉淀。这就是石灰水。

石灰水的成分
Ca(OH)₂ 的水溶液,是一种可溶性碱,澄清透明
核心反应
CO₂ 与 Ca(OH)₂ 反应,生成不溶于水的 CaCO₃ 和水
浑浊的信号
澄清石灰水变浑浊,肉眼立刻看见,远比指示剂灵敏
一举两得
同一个反应,既验证了 CO₂ 存在,又把 CO₂ 从气体中除去
哨兵对应 →石灰水

发现入侵者(CO₂)就拉响警报(变浑浊),同时把人扣下带走(吸收 CO₂)

CO2+Ca(OH)2CaCO3+H2OCO_2 + Ca(OH)_2 \longrightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O
3第 3 页 · 用石灰水检验和去除二氧化

安全操作腐蚀性酸碱(尤其

上节用石灰水验气体,今天碰一下就烧皮肤的浓硫酸和 NaOH,操作它们有哪些铁律?

稀释浓硫酸
酸入水,沿器壁,慢倒勤搅,切勿水入酸
NaOH 称量
固体放烧杯不用纸,称量要快防潮解
防护装备
护目镜、手套、实验服,少一件都不行
皮肤接触处理
浓硫酸先干布擦再大量冲;NaOH 直接冲
废液处理
不直排水槽,先中和再入指定容器
浓汤兑入清汤对应 →酸慢慢倒入水

稠的进稀的、慢慢倒并搅;反向会让局部过热暴沸

4第 4 页 · 安全操作腐蚀性酸碱(尤其

用电导实验判断溶液中是否

前面我们用指示剂判断酸碱性——靠的是颜色变化,眼睛看到的只是「结果」。如果想直接「听到」溶液里有什么在动呢?接上电,看灯泡亮不亮,就能知道水里有没有自由移动的离子。

电导实验装置
电源、两根电极、灯泡(或电流表)串联,把电极插入待测溶液
灯泡亮=有离子
溶液能导电,说明里面有自由移动的带电粒子——离子
酸碱盐溶液都导电
酸、碱、盐溶于水发生电离,产生自由移动的离子
蔗糖水不导电
蔗糖、酒精溶于水以分子形式存在,不能电离出离子
快递员在街道上送包裹对应 →离子在溶液中传递电荷

快递员上岗才能把「电流包裹」送到那头;糖分子只是逛街,不送件

5第 5 页 · 用电导实验判断溶液中是否

做实验时我们发现,盐酸、稀硫酸、醋酸都能让紫色石蕊变红——它们性质不同,行为却一样。为什么不同物质会有相同的「酸味」?

定义
电离时产生的阳离子全部是 H⁺ 的化合物
通性来源
酸性源于水溶液中共同的 H⁺,而非酸根
常见酸
盐酸(HCl)、硫酸(H₂SO₄)、硝酸(HNO₃)、醋酸等
典型应用
金属除锈、化工原料、中和土壤酸性、胃药治胃酸过多
不同的钥匙打开同一扇门对应 →不同的酸分子释放相同的 H⁺

钥匙形状各异开同一扇门;酸结构不同但溶于水都释放 H⁺——这才是酸性的主角

HClH++ClH2SO42H++SO42HCl \xrightarrow{\text{水}} H^+ + Cl^- \quad H_2SO_4 \xrightarrow{\text{水}} 2H^+ + SO_4^{2-}
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石灰水让紫色石蕊变蓝,电导实验里它也能点亮灯泡——石灰水、烧碱、氨水这些毫无相似之处的物质,为什么都能叫「碱」?

电离出 OH⁻
在水溶液中电离出的阴离子全部是 OH⁻ 的化合物
接受 H⁺
能在反应里接受质子(H⁺)的物质,覆盖更广(NH₃ 也算)
典型反应
与酸中和生成盐和水;使指示剂变色;与某些盐或金属氧化物反应
常见成员
NaOH、KOH、Ca(OH)₂ 为强碱;NH₃·H₂O 为弱碱代表
接力赛里接棒的人对应 →质子(H⁺)接受者

H⁺ 在分子间不停被传来传去,碱就是「主动伸手接住它」的那一方

NaOHNa++OHH++OHH2O\text{NaOH} \rightarrow \text{Na}^+ + \text{OH}^- \\ \text{H}^+ + \text{OH}^- \rightarrow \text{H}_2\text{O}
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酸碱指示剂

上页我们用石蕊和酚酞检验了溶液酸碱性——石蕊遇酸变红、酚酞遇碱变红。但你有没有想过:指示剂为什么会变色?为什么不同指示剂变色规律不一样?

定义
本身是弱酸或弱碱,能随溶液 H⁺ 浓度变化显示不同颜色的物质
变色原理
存在 HIn ⇌ H⁺ + In⁻ 平衡,分子态与离子态结构不同,因而颜色不同
变色范围
每种指示剂只在特定 pH 区间变色,如酚酞 8.2~10.0
常用指示剂
石蕊(酸红碱蓝)、酚酞(无色→红)、甲基橙(红→黄)
典型应用
粗略检验酸碱性;酸碱滴定中判断反应终点
水的冰/液态对应 →指示剂的分子/离子态

温度决定水是冰还是水;H⁺ 浓度决定指示剂以分子态还是离子态存在,从而显不同颜色

HInH++InKa=[H+][In][HIn]HIn \rightleftharpoons H^+ + In^- \quad K_a = \dfrac{[H^+][In^-]}{[HIn]}
8第 8 页 · 酸碱指示剂

石蕊

上页我们用指示剂判断溶液酸碱——石蕊就是最经典的一种。它来自地衣植物,是人类使用数百年的'化学试纸鼻祖'。

有机弱酸本质
含多个酚羟基的天然有机弱酸,存在酸式 HL 与碱式 L⁻ 两种互变结构
变色机制
H⁺ 浓度改变时,两种结构比例移动,颜色随之翻转——本质是分子层面的结构互变
变色范围
pH ≈ 4.5(红)到 8.3(蓝),区间窄,只能定性判断酸碱
使用形式
石蕊试纸(红蓝两种)或紫色石蕊试液,实验室中常用试液
变色龙对应 →石蕊的变色

变色龙靠皮肤细胞内纳米晶体排列换色;石蕊靠分子两种结构比例移动换色——'环境一变,外在就跟着变'

9第 9 页 · 石蕊

酚酞

石蕊只能告诉你溶液是酸还是碱。滴定实验需要更精确的判断——酸碱何时恰好完全反应?这就需要对终点敏感的指示剂,酚酞是其中最常用的一个。

有机弱酸
一种常见的有机弱酸,分子式 C₂₀H₁₄O₄,本身就参与酸碱平衡
变色机制
遇碱时内酯环打开,形成共轭醌式结构而显色;遇酸闭环则无色
变色范围
pH 8.2~10.0,由无色变为粉红色,区间窄、变化敏锐
典型应用
强碱滴定弱酸(或中和滴定)中判断反应终点
花苞与花朵对应 →酚酞的两种结构

花苞紧闭看不出颜色,花瓣展开才显色;分子也一样,结构变了才显色

HIn (无色)H++In(粉红)\text{HIn (无色)} \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{In}^- \text{(粉红)}
10第 10 页 · 酚酞

H⁺(氢离子)

盐酸、硫酸、醋酸——结构迥异,溶于水后却都释放出同一位主角:H⁺。酸的共性都源于它。

裸质子
氢原子失去唯一电子后只剩一颗质子,体积极小、电荷密度极高
水合氢离子
在水中立即抓住 H₂O 形成 H₃O⁺,从不单独存在
酸性的本质
所有酸溶于水都释放 H⁺,指示剂变色等共性都由此而来
质子跳跃
沿 H₂O 链逐个传递电荷,比普通离子扩散快几倍
接力赛传接力棒对应 →质子在水分子间跳跃

H⁺ 不靠自身迁移,而是把「质子身份」沿水链逐个传下去

H++H2OH3O+\text{H}^+ + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+
11第 11 页 · H⁺(氢离子)

OH⁻(氢氧根离子)

上页认识了 H⁺——酸溶于水释放的'小推手'。酸有 H⁺,那碱溶于水释放的'推手'是什么?这就是它在水里的镜像:OH⁻。

定义
由 1 个氧原子和 1 个氢原子组成,带 1 个单位负电荷,化学式写作 OH⁻
来源
碱溶于水电离产生,如 NaOH 拆成 Na⁺ 和 OH⁻;水自身也会极微量电离出少量 OH⁻
检验特征
使无色酚酞变红,使红色石蕊变蓝——表现正好与 H⁺ 相反
核心反应
与 H⁺ 1:1 结合生成水:H⁺ + OH⁻ → H₂O,这就是中和反应的离子本质
磁铁的南北两极对应 →H⁺ 和 OH⁻

异性相吸、碰在一起合成为水分子——中和即'归位'

H++OHH2OH^+ + OH^- \longrightarrow H_2O
12第 12 页 · OH⁻(氢氧根离子)

盐酸

上页我们用石蕊、酚酞看到了酸能使指示剂变色——但酸的本质是什么?这页以盐酸为代表拆开来看,先纠正一个常见误解:氯化氢和盐酸并不是同一样东西。

盐酸的定义
盐酸是氯化氢(HCl)气体溶于水得到的混合物;浓盐酸质量分数约 37%,打开瓶口常冒白雾
强酸、完全电离
在水中几乎 100% 电离成 H⁺ 和 Cl⁻,这就是它能使石蕊变红、能腐蚀金属的本质
典型应用
人体胃液含约 0.5% 的盐酸,用于激活胃蛋白酶并杀菌;工业上常用来除铁锈
速溶咖啡粉对应 →盐酸

咖啡粉单独不是咖啡,溶进水里才成咖啡;HCl 气体单独也不是盐酸,溶进水才显酸性

HCl溶于水H++Cl\text{HCl} \xrightarrow{\text{溶于水}} \text{H}^{+} + \text{Cl}^{-}
13第 13 页 · 盐酸

硫酸

上一页讲盐酸易挥发,硫酸却几乎不挥发——同为强酸,差别从何而来?

化学式与电离
二元强酸,在水中完全电离出 H⁺ 与 SO₄²⁻
难挥发性
高沸点酸,加热也不挥发,可制其他挥发性酸
浓硫酸的脱水性
按 H:O=2:1 从有机物中夺取 H、O,剩余炭化发黑
典型应用
铅蓄电池电解液、化肥原料、金属精炼等
蔗糖被榨干变炭对应 →浓硫酸按比脱水

浓硫酸按 H:O=2:1 从糖分子里抽走 H、O 组合成水,余下碳

H2SO42H++SO42H_2SO_4 \rightarrow 2H^+ + SO_4^{2-}
14第 14 页 · 硫酸

浓硫酸的腐蚀性和吸水性

糖块上滴一滴浓硫酸,白糖慢慢变黑、膨胀成疏松的碳——这不是燃烧,而是浓硫酸两个核心特性在起作用:腐蚀性和吸水性。

腐蚀性 = 脱水性
按 H:O=2:1 从有机物中夺取氢氧元素,生成水——这是腐蚀的本质
脱水性现象
蔗糖变黑、木条碳化、纸张变脆,都是被「榨干」水分
吸水性
吸收现成的 H₂O 分子,可作气体干燥剂(不能干燥 NH₃ 等碱性气体)
关键区分
脱水性是「造水」,吸水性是「吸水」——对象和过程都不同
海绵 vs 拆解机器人对应 →吸水性 vs 脱水性

吸水性像海绵直接吸水;脱水性像拆解机器人,按2:1从有机物里抽出 H、O 组装成水

C12H22O11H2SO412C+11H2OC_{12}H_{22}O_{11} \xrightarrow{\text{浓}H_2SO_4} 12C + 11H_2O
15第 15 页 · 浓硫酸的腐蚀性和吸水性

浓硫酸稀释的安全操作

上一页说过浓硫酸有强吸水性,遇水会剧烈放热。这一页解决一个实操问题:怎么稀释才不翻车?

原因:大量放热
浓硫酸与水混合释放大量热,水少时局部温度飙升,水沸腾把酸液带出来
酸入水,沿器壁
把浓硫酸沿烧杯壁缓慢倒入水中,绝不能反过来
边倒边搅拌
用玻璃棒不断搅动,让热量及时散开
水量要足
水的体积远大于酸,热量被大水体吸收,不会暴沸
往热油锅里滴水对应 →往浓硫酸里倒水

都会瞬间沸腾飞溅——热油锅炸油花,水加酸炸酸液

16第 16 页 · 浓硫酸稀释的安全操作

本节要点

  • 酸碱的本质在于电离出的 H⁺ 与 OH⁻
  • 指示剂变色是 H⁺/OH⁻ 的宏观信号
  • 浓硫酸吸水是物理过程,脱水才是化学反应
  • 稀释浓酸要酸入水、沿器壁、慢搅拌
  • 溶液导电证明存在自由移动的离子
延伸主题:酸和碱(二):中和反应与 pH复分解反应与酸碱盐通性生活中常见的酸碱应用
17第 17 页 · 本节要点

课后思考

三个问题层层递进——先独立思考,再对照参考答案补全思路。

1导电实验中,为什么不同溶液使小灯泡亮度不同?这说明酸、碱溶液在微观组成上有什么共同点?

参考答案灯泡亮说明溶液能导电,存在自由移动的离子。酸溶液电离出 H⁺,碱溶液电离出 OH⁻——这些自由移动的离子,正是它们导电和表现酸碱性的微观根源。

2给你一瓶无色无味的未知溶液,仅用本节学过的工具,设计一个能互相验证的实验方案,判断它是酸性、碱性还是中性。

参考答案可先用紫色石蕊粗判酸碱性;若显酸性,再用 pH 试纸粗测 pH 值,并测导电性——能导电说明含自由移动离子,与酸的特征吻合。多方法结果一致时,结论才可靠。

3浓硫酸有强吸水性,那么是不是所有酸都能像浓硫酸一样吸水?什么决定了这种差异?

参考答案不是。吸水性源于酸分子对水分子的亲和力。浓硫酸分子能与水形成稳定水合物,且高浓度下此性质突出;稀硫酸、盐酸等并无显著吸水性——这是分子结构层面的差异,不是酸的通性。

18第 18 页 · 课后思考