常见的酸和碱(二)

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酸碱反应电离平衡pH计算指示剂原理

常见的酸和碱(二)

从电离平衡到pH计算,彻底吃透酸碱反应的底层原理

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酸碱反应电离平衡pH计算指示剂原理

常见的酸和碱(二)

从电离平衡到pH计算,彻底吃透酸碱反应的底层原理

1第 1 页 · 常见的酸和碱(二)

酸与金属反应生成氢气

厨房里的醋能除水垢,盐酸能除铁锈——这种去污能力,根源都和酸与金属的反应有关。

反应通式
酸 + 活泼金属 → 盐 + H₂↑
发生条件
金属活动性必须排在氢前面,如 Mg、Al、Zn、Fe
典型实例
Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑
重要例外
浓硫酸、硝酸与金属反应不生成氢气
班级换座位对应 →金属置换出氢

活动性比氢强就像成绩更好,能把氢从化合物里顶走、自己坐下

Zn+2HCl=ZnCl2+H2Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑
2第 2 页 · 酸与金属反应生成氢气

酸与金属氧化物反应

上一页酸和金属反应会冒出氢气。但铁放在外面会生锈,铁锈是金属氧化物,酸遇到它会发生完全不同的反应——不冒气,而是默默溶解。

反应规律
金属氧化物 + 酸 → 盐 + 水
与金属反应的区别
不放氢气,产物是水而非气体
典型应用:除铁锈
盐酸或硫酸可溶解铁锈,恢复金属表面
反应类型
属于复分解反应,两种化合物互换成分
除锈剂擦自行车对应 →酸溶解金属氧化物

除锈剂里的酸把铁锈「吃掉」,像药水溶解污垢

Fe2O3+6HCl2FeCl3+3H2O\text{Fe}_2\text{O}_3 + 6\text{HCl} \rightarrow 2\text{FeCl}_3 + 3\text{H}_2\text{O}
3第 3 页 · 酸与金属氧化物反应

碱与酸碱指示剂的作用

前面我们看到酸能和金属、金属氧化物反应。那怎么判断一种溶液到底是酸性还是碱性?总不能每次都用金属去试吧——这时就需要一类特殊的「信号兵」出场。

酸碱指示剂
在不同酸碱度的溶液中显示不同颜色的物质,本身多为弱有机酸或弱碱
变色原理
分子形式 HIn 与离子形式 In⁻ 颜色不同;H⁺ 浓度变化时电离平衡移动,颜色随之改变
三种常用指示剂
石蕊:酸红碱蓝;酚酞:酸无色碱红;甲基橙:酸红碱黄
典型应用
用酚酞判断中和反应终点:碱恰好被中和时,溶液由红色变回无色
变色龙对应 →酸碱指示剂

变色龙随环境变换体色,指示剂随 H⁺ 浓度变换颜色——都在「翻译」周围环境的化学信号

HInH++In(两形式颜色不同)\text{HIn} \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{In}^-\quad\text{(两形式颜色不同)}
4第 4 页 · 碱与酸碱指示剂的作用

碱与非金属氧化物反应

上一页讲过酸能溶解金属氧化物生成盐和水。反过来,碱也能「吃掉」非金属氧化物——比如 NaOH 溶液吸收 CO₂,就是这类反应的典型代表。

反应通式
碱 + 非金属氧化物 → 盐 + 水,与酸+金属氧化物互为镜像
典型实例
2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O(NaOH 吸收 CO₂)
实际应用
工业脱硫(除 SO₂)、实验室除 CO₂、隔绝空气保存
酸溶解金属氧化物对应 →碱吸收非金属氧化物

酸碱各管对方的「对手」——酸管碱性氧化物,碱管酸性氧化物,模式完全对称

2NaOH+CO2Na2CO3+H2O2\text{NaOH} + \text{CO}_2 \rightarrow \text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{H}_2\text{O}
5第 5 页 · 碱与非金属氧化物反应

氢氧化钠

前几页我们说了碱的通性:遇指示剂变色、和酸中和、和非金属氧化物反应。今天要认识一位碱里的"老大哥"——氢氧化钠,化学实验和工厂里几乎绕不开它。

身份与俗称
化学式 NaOH,又叫烧碱、火碱、苛性钠——"苛性"就暗示它的厉害
物理性质
白色固体,易潮解,极易溶于水且剧烈放热,触摸有滑腻感
强腐蚀性
能腐蚀纸张、织物、皮肤,溶解时放热加剧伤害,使用必须戴护具
化学性质
典型强碱,溶于水完全电离出 OH⁻,碱性比氨水等弱碱强得多
典型应用
制肥皂、造纸、纺织印染、石油精炼、污水处理,是基本化工原料
厨房通渠(管道疏通剂)对应 →氢氧化钠的强碱性与放热

疏通剂主要成分就是 NaOH,倒入下水道遇水放热、油脂被"皂化"溶解——这就是它腐蚀性的日常版

NaOHNa++OH\text{NaOH} \xrightarrow{\text{水}} \text{Na}^+ + \text{OH}^-
6第 6 页 · 氢氧化钠

氢氧化钠的潮解和变质

实验室里开盖放久了的 NaOH 瓶口常结一层黏糊糊的浆,瓶底还可能有白色硬块——这是潮解和变质两件事,今天分清楚。

潮解
NaOH 强烈吸水,固体表面逐渐溶解成稠状溶液
变质
NaOH 与空气中 CO₂ 反应,生成 Na₂CO₃ 而非 NaOH
变质反应式
2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O,碱性减弱
保存要点
密封保存;称量用玻璃器皿,不用纸以免腐蚀
衣服先受潮再发霉对应 →NaOH 先潮解后变质

先抢空气中的水变湿(潮解),再与 CO₂ 反应变质

2NaOH+CO2Na2CO3+H2O2\text{NaOH} + \text{CO}_2 \rightarrow \text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{H}_2\text{O}
7第 7 页 · 氢氧化钠的潮解和变质

氢氧化钙及石灰水、石灰乳

上一页讲了NaOH——极易溶于水的强碱。化学里还有一种常见的碱,偏偏只肯在水里化一点点,这反而造就了它独特的形态和应用方式。

氢氧化钙 Ca(OH)₂
生石灰CaO加水放热生成的白色粉末,又称熟石灰/消石灰
微溶于水
20℃时100g水仅溶约0.17g,是与NaOH最本质的区别
石灰水
Ca(OH)₂的澄清饱和溶液,实验室里用来检验CO₂
石灰乳
过量Ca(OH)₂与水混合的悬浊液,乳白色,浓度远高于石灰水
典型应用
检验CO₂、改良酸性土壤、砌墙抹灰、配制波尔多液
糖水、糖浆、糖块对应 →石灰水、石灰乳、Ca(OH)₂固体

糖少水多全溶→澄清糖水;糖多到饱和→浓稠糖浆;干糖块是固体。水量决定Ca(OH)₂形态

CaO+H2OCa(OH)2Ca(OH)2+CO2CaCO3+H2OCaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 \quad Ca(OH)_2 + CO_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O
8第 8 页 · 氢氧化钙及石灰水、石灰乳

生石灰的干燥性

上一节讲了石灰水 Ca(OH)₂,它的前身是生石灰 CaO——装修工地墙角撒的白色粉末就是它。硅胶吸水是物理'装'能挤出,生石灰吸水是化学'吃',水被彻底消耗。这就是生石灰干燥的本质。

化学干燥本质
CaO 与水反应生成 Ca(OH)₂,块状变粉末,水被消耗而非储存
不可逆性
化学吸收后变成熟石灰,无法再释放水分,与硅胶等物理干燥剂本质不同
选择性干燥
只能干燥中性和碱性气体(如 O₂、N₂),酸性气体(如 CO₂、HCl)会与之反应,不能用
饿汉把饭吃掉对应 →生石灰吸水

硅胶像海绵'装水'能挤出;生石灰像饿汉'吃水',水变成自身一部分

CaO+H2OCa(OH)2CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2
9第 9 页 · 生石灰的干燥性

酸溶液的导电性

上一节我们看到酸能和金属反应——推动反应发生的并不是酸分子本身,而是酸溶于水后电离出的自由离子。这些离子,同样也是酸溶液能够导电的根本原因。

导电前提
酸必须溶于水,电离才能产生自由移动的离子
导电本质
自由移动的离子在外加电场下定向移动,形成电流
两类离子
氢离子(H⁺)和酸根离子共同承担电荷传递
浓度影响
单位体积内自由离子越多,溶液导电能力越强
干旱河床上的石块对应 →未电离的酸分子

河床上的石块再多也不能流动;酸必须溶入水中获得自由移动的能力,才能像水流一样运送电荷

HClH++ClHCl \xrightarrow{\text{水}} H^+ + Cl^-
10第 10 页 · 酸溶液的导电性

碱溶液的导电性

上一页讲到酸溶液能导电,因为酸在水中电离出自由移动的离子。碱溶液会怎样?把电极插进 NaOH 溶液,灯泡同样亮起来——道理和酸溶液相通,但细节有差别。

电离产生自由离子
碱溶于水电离出金属阳离子和 OH⁻,两者都能自由移动
离子定向移动导电
通电时阳离子移向负极、OH⁻ 移向正极,形成电流
强弱碱导电性差异
强碱(NaOH、KOH)完全电离,导电性强;弱碱(如氨水)部分电离,导电性弱
典型应用:氯碱工业
电解饱和食盐水制取 Cl₂、H₂、NaOH
高速公路上的车流对应 →溶液中离子导电

离子像车流,电极像关卡;离子越多、跑得越齐,电流就越大

NaOH=Na++OHCa(OH)2=Ca2++2OH\text{NaOH}=\text{Na}^++\text{OH}^-\quad\text{Ca(OH)}_2=\text{Ca}^{2+}+2\text{OH}^-
11第 11 页 · 碱溶液的导电性

酸的相似化学性质(酸的通

前面我们看到稀盐酸、稀硫酸都能和铁反应放出氢气,也都能和氧化铁反应。不同的酸,反应却如此相似——背后有什么共同原因?这就要从「通性」说起了。

酸的通性
不同酸在溶液中表现出的相似化学性质
五条通性表现
①使指示剂变色 ②活泼金属→盐+H₂ ③金属氧化物→盐+水 ④碱→盐+水 ⑤某些盐→新酸+新盐
通性的本质
溶于水都能电离出 H⁺,化学性质由 H⁺ 决定,与酸根无关
足球队员穿统一队服对应 →酸在水中电离出 H⁺

队服(H⁺)才是上场资格,球衣号码(酸根)只区分谁是谁

HCl=H++Cl,H2SO4=2H++SO42\text{HCl}=\text{H}^++\text{Cl}^-,\quad\text{H}_2\text{SO}_4=2\text{H}^++\text{SO}_4^{2-}
12第 12 页 · 酸的相似化学性质(酸的通

碱的相似化学性质(碱的通

前面已看到,酸溶液的相似作用都绕不开 H⁺。把酸换成氢氧化钠或石灰水,它们也有相似的反应规律,关键仍在溶液里的 OH⁻。

碱的定义
在水溶液中解离出的阴离子全部是 OH⁻,这类物质叫碱。
通性来源
碱溶液使紫色石蕊变蓝、无色酚酞变红,共同根源是 OH⁻。
与酸反应
生成盐和水,可表示为中和反应,也用于处理酸性废液。
与酸性氧化物
部分碱与酸性非金属氧化物反应,如 NaOH 吸收 CO₂。
不同品牌的去污剂对应 →可溶性碱的通性

配方不同,共同去污依赖同一种有效成分;不同碱的相似反应也多由 OH⁻ 承担。

++\mathrm{酸+碱\rightarrow 盐+水}
13第 13 页 · 碱的相似化学性质(碱的通

酸和碱的腐蚀性及安全使用

上一页讲了酸碱通性:能跟金属、金属氧化物、非金属氧化物反应。但通性过头就是腐蚀——同样是「咬」东西,酸像明刀,反应剧烈、放热冒泡;碱像暗箭,无声无息却渗透深层。

腐蚀性的本质
酸靠 H⁺ 攻击金属/碳酸盐;碱靠 OH⁻ 破坏蛋白质、皂化油脂,作用于生物组织更深
酸腐蚀的特征
反应剧烈、放热,常伴随气泡(H₂);皮肤接触立即刺痛,组织损伤可见
碱腐蚀的特征
初期无痛、滑腻感(皂化反应),但 OH⁻ 会持续渗透深层组织
安全使用原则
稀释酸要「酸入水」;操作戴护目镜/手套;废液分类回收不混倒
明刀与暗箭对应 →酸腐蚀与碱腐蚀

明刀反应剧烈可见(冒泡放热);暗箭深层渗透不易察觉(皂化蛋白质)

油脂+3NaOH甘油+3RCOONa\text{油脂} + 3\text{NaOH} \rightarrow \text{甘油} + 3\text{RCOONa}
14第 14 页 · 酸和碱的腐蚀性及安全使用

自制植物酸碱指示剂

实验室有石蕊试纸,但古人没有。厨房里切开的紫甘蓝、泡过的红茶、放久变黄的报纸——都能告诉你哪杯是酸、哪杯是碱。这页拆解植物为什么能当'酸碱探测器'。

历史线索
在人造指示剂发明前,人们就靠植物汁液辨别酸碱
变色本质
色素(如花青素)在不同酸碱度下分子结构改变,反射光的颜色随之变化
制作方法
紫甘蓝切碎热水泡5分钟,过滤得紫色汁液,滴入待测液观察颜色
教学价值
把抽象的酸碱性变成肉眼可见的颜色变化,深化对指示剂的理解
紫甘蓝汁对应 →植物酸碱指示剂

遇酸变红、遇碱变绿——一杯厨房汁液就是一张天然的多色试纸

15第 15 页 · 自制植物酸碱指示剂

酸和碱在日常生活中的来源

学过了酸和碱能发生的反应,你有没有想过——这些物质最初从哪儿来?答案就在身边:厨房、卫生间、人体里。

食物中的有机酸
食醋含醋酸,水果含柠檬酸、苹果酸,酸奶中乳酸菌发酵产生乳酸
人体内的酸
胃液含约0.5%的盐酸,能杀菌并激活胃蛋白酶帮助消化
日用化学品中的碱
肥皂含高级脂肪酸钠,小苏打(碳酸氢钠)溶于水显碱性
工业与农业中的碱
生石灰CaO、熟石灰Ca(OH)₂用于建筑,也用于改良酸性土壤
超市分区货架对应 →酸碱的来源分布

食品饮料区是酸的'老家',清洁洗涤区是碱的'地盘',各有所归

16第 16 页 · 酸和碱在日常生活中的来源

本节要点

  • 酸碱反应像镜像:酸+金属氧化物→盐+水,碱+非金属氧化物→盐+水
  • 导电靠自由离子:固体酸碱不导电,溶于水后才电离出离子
  • 氢氧化钠潮解吸水、变质吸CO2,两者都增重但产物不同
  • 强腐蚀不分酸碱:稀释"酸入水"防溅出,浓强腐蚀是常态
  • 指示剂变色是化学变化:H+/OH- 改变指示剂分子结构
延伸主题:中和反应与pH值复分解反应的条件盐的命名与分类
17第 17 页 · 本节要点

课后思考

先独立想,再对照参考答案。三道题分别对应理解、应用和迁移三个层次。

1为什么不同的酸(如盐酸、硫酸)化学性质相似?根本原因是什么?

参考答案它们溶于水都能电离出H⁺,酸的通性其实是H⁺表现出来的性质,与酸根无关。

2若用氢氧化钾溶液代替氢氧化钠,与硫酸铜反应现象会一样吗?为什么?

参考答案一样。碱的通性实质是OH⁻的性质,KOH同样能电离出OH⁻,都会生成蓝色Cu(OH)₂沉淀。

3干燥的氯化氢气体能使干燥的紫色石蕊试纸变红吗?为什么?

参考答案不能。HCl以分子形式存在时不电离,没有H⁺生成,石蕊试纸需要H⁺才能变红。

18第 18 页 · 课后思考