第七章酸與鹼
單元內容 7-1 酸和鹼的定義與命名 7-2 水的解離 水的離子積常數與水的離子積常數與 ph 值 7-3 酸鹼中和 7-4 酸鹼滴定與常用的酸鹼指示計
鹼鹼的實驗定義 酸 1 水溶液有酸性水溶液有澀味 2 水溶液能使藍色石蕊試劑變為紅色水溶液有滑膩性 3 水溶液能導電 4 水溶液能與 Zn,Mg 等活性金屬作用生成 H 2(g) 2(g) 5 可與適量鹼反應而失去其酸性 6 H 2 SO 4,CH 3 COOH,HCl,H 3 BO 3, HClO 4 等 鹼 水溶液能使紅色石蕊試劑變為藍色 水溶液能導電 可與適量酸反應而失去其鹼性 NaOH,NH 3, Na 2 CO 3,Ca(OH) 2 等
阿瑞尼士 (S. Arrhenius,1859~1927) 學說 又稱之電離說 (Dissociation theory) 在水溶液中因電離或因與水作用而產生氫離子者, 稱為酸 HCl - (aq) H + (aq) +Cl (aq) ; H 2 CO 3(aq) H + (aq) +HCO 3 - (aq) 在水溶液中因電離或因與水作用而產生氫氧根離子者, 稱為鹼
布忍司特 - 羅瑞 (Brônsted-Lowry) 的質子說 布忍司特 (1879~1947 年 ) 與羅瑞 (1874~1936 年 ) 於 1923 年不約而同地提出相同的定義 : 提供質子 (proton donor, 質子即 H + ) 者, 稱為酸 例 :HCl (aq) +H 2 O (l) Cl - (aq) +H 3 O+ (aq) HCl 稱之布 - 羅酸 CH 3 COOH (aq) +H 2 O (l) CH 3 COO - (aq) +H 3 O + (aq) CH 3 COOH 稱之布 - 羅酸
接受質子 (proton acceptor), 稱為鹼 CN - (aq) +H 2 O (l) HCN (aq) +OH- (aq) CN - 稱之布 - 羅鹼
由上可知, 酸鹼的形成乃是質子 (H + ) 之授受而已, 一物質在反應中是酸是鹼端看它對 H + 之保持程度, 該物可能時而為酸, 時而為鹼 HCO 3- +OH - CO 2-3 +H 2 O,HCO - 3 在此為酸,OH - 為鹼 HCO 3- +H 2 O H 2 CO 3 +OH -,HCO - 3 在此為鹼,H 2O 為酸 HNO 3 +H 2 O NO 3- +H 3 O +,HNO 3 在此為酸,H 2O 為鹼
若化合物 X 為阿瑞尼士鹼, 則 X 必可放出 OH -, 但若為布 - 羅鹼, 則不一定要放出 OH -, 但必可接受 H 布 - 羅的酸鹼同義適用範圍比阿瑞尼士的更廣泛, 更可用於非水溶液中, 如 : HClO 4(l) +H 2 SO 4(l) ClO - 4 (l) +H 3 SO + 4 (l), HClO 4為酸, 而 H 2SO 4為鹼
共軛的觀念 共軛酸鹼對 H CO + H O 2 3 2 HCO +H O + 3 3 酸鹼鹼酸 共軛酸鹼對
共軛的觀念 共軛酸鹼對 備註 定義 酸放出質子後, 即成為鹼 ( 二者共軛 ) 鹼接受質子後, 即成為酸 ( 二者共軛 ) 是布 - 羅學說且反應是可逆的 通式 HA - - 1 +A 2 HA 2 +A 1 酸 1 鹼 2 酸 2 鹼 1 HA - 1 和 A 1 共軛且 A 2 -,HA 2 共軛 例 1 2 H - - 2 SO 4 +HCO 3 HSO 3 + H 2 CO 3 酸 1 鹼 2 鹼 1 酸 2 H 3 O + +OH - H 2 O+H 2 O 酸 1 鹼 2 鹼 1 酸 2 H 2 SO 3,HSO - 3 共軛 HCO 3-,H 2 CO 3 共軛 H 3 O +, H 2 O 共軛 OH - 和另一 H 2 O 共軛
學說 (III) 路以士電子說 : 說明 酸為接受電子的物質 鹼為提供電子的物質 回節目錄
酸的命名 不含氧酸 : 氣態時, 稱之某化某 ; 水溶液態則常稱之氫某酸 ; 如 :(1)HCl () (g), 氯化氫 ; HCl (aq), 氫氯酸 ;(2)H 2 S (g), 硫化氫 ; H 2 S (aq), 氫硫酸 ;(3)HCN (g), 氰化氫 ; HCN (aq), 氫氰酸
化合物化學式水溶液化學式 氟化氫 HF (g) 氫氟酸 HF (aq) 氯化氫 HCl (g) 氫氯酸 ( 鹽酸 ) HCl (aq) 溴化氫 HBr (g) 氫溴酸 HBr (aq) 碘化氫 HI (g) 氫碘酸 HI (aq) 氰化氫 HCN (g) 氫氰酸 HCN (aq) 三氧化硫 SO 3(g) 硫酸 H 2 2SO 4(aq) 二氧化氮 NO 2 (g) 硝酸 HNO 3 (aq) 二氧化碳 CO 2 (g) 碳酸 H 2 CO 3 (aq)
含氧酸 均為 H 與一個或二個非金屬元素命名, 並以該元素合乎 A 族行數 ( 如 :4A 族為 +4 價, 5A 族為 +5 價 ), 或最常見或最為個人所熟知者訂為某酸, 但鹵素含氧酸例外 ; 而氧化數低一層次 ( 或氧少ㄧ個 ) 稱為亞某酸 ; 氧化數再低一層次 ( 氧再少ㄧ個 ) 稱為次某酸 ; 但如氧化數高於原來某酸 ( 多一個氧 ) 則稱之過某酸
HNO 3 ( 硝酸 ),HNO 2 ( 亞硝酸 ) HPO 4 ( 磷酸 ),H 3PO 3 ( 亞磷酸 ),H 3PO 2 ( 次磷酸 ) H 2 SO 4 ( 硫酸 ),H 2 S0 3 ( 亞硫酸 ) HMnO 4 ( 過錳酸 ),H 2 MnO 4 ( 錳酸 )(Mn 分別具 +7 與 +6 的價數 ) HClO 4 ( 過氯酸 ),HClO 3 ( 氯酸 ), HClO 2 ( 亞氯酸 ),HOCl( 次氯酸 )
縮水酸兩個或多個同種含氧酸失去水分子 縮水酸兩個或多個同種含氧酸失去水分子而結合在一起的酸
1 偏某酸 H 3 BO 3 硼酸 HBO 2 ( 偏硼酸 ) nh 3 PO 4 n 2 HO+(HPO 3 ) n ( 偏磷酸 ) H 4 SiO 4 H 2 O+H 2 SiO 3 ( 偏矽酸 ) 平均一分子含氧酸失去 1 分子的水 2 焦某酸 : 2H 2 SO 4 H 2 S 2 O 7 ( 焦硫酸 ) 2H 2 SO 3 H 2 S 2 O 5 ( 焦亞硫酸 ) 2H 3 PO 4 H 4 P 2 O 7 ( 焦磷酸 ) 二分子含氧酸失去 1 分子的水而結合為一較大分子但仍為含氧酸
酐類 : 脫去水後, 分子式中不再含有可解離之 H +, 但溶於水又得回原酸 H 2 SO 3 SO 2 ( 亞硫酸, 即二氧化硫 ) H 2 CO 3 CO 2 ( 碳酸酐, 即二氧化碳 ) 2CH 3 COOH (CH 3 CO 2 )O( 醋酸酐 )
鹼的命名若金屬有不同之兩種氫氧 化物時 a. 氧化數較高者稱之氫氧化某或稱之氫氧化某 ( 氧化數 1) b. 氧化數較低者稱之氫氧化亞某或稱之氫氧化某 ( 氧化數 2) ) NaOH 氫氧化鈉, KOH 氫氧化鉀, Fe(OH) 3 氫氧化鐵 (III) 或氫氧化鐵, Fe(OH) 2 氫氧化鐵 (II) 或氫氧化亞鐵, Sn(OH) 4 氫氧化錫 (IV) 或氫氧化錫, Sn(OH) 2 氫氧化錫 (II) 或氫氧化亞錫
酸的分類 依可解離之氫離子數 單質子酸 ( 一元酸 ):HCl HF HNO 3 HClO 4 HCN CH 3 COOH H 3 PO 2 雙質子酸 ( 二元酸 ):H 2 SO 4 H 2 CO 3 H 2 C 2 O 4 H 2 S H 3 PO 3 三質子酸 ( 三元酸 ):H 3 PO 4
酸的示性式 閱讀資料 與氧鍵結的氫通常可以釋出 : 示性式可表示出所能釋出的氫離子數目 O O O P OH P P H H HO OH HO HO OH H H 3 PO 4 ( 磷酸 ) H 3 PO 3 ( 亞磷酸 ) H 3 PO 2 ( 次磷酸 ) PO(OH) 3 HPO(OH) 2 H 2 PO(OH)
水的自解離 ( 簡稱解離或電離 ) 作 用 (autoprotolysis) H 2 O (l) H + (aq) +OH- (aq) ; H=57.2kJ ( 吸熱反應 ) 25 ( 或作 24 ) 時,H 2 O 雖有解離, 但量極微 ( 約 10-7M ), 故 [H 2 O] 可視為一個定值,[H 2 O]=55.5M, 故水是極弱的電解質 ( 純水不導電 ) 由上數據可算出水的解離常數 (dissociation + constant)k C = H OH [ HO ] 2
H 2 O 為一定值, 故上式移項後之 K C [H [ 2 O] 亦為另一定值, 設為 K W, K W =K C [H 2 O]=[H + ][OH - ] =1.8 10-16 55.5=105=10-14, K W 特稱水的離子積常數, 簡稱水的離子積 (ion-product constant) )
溫度與 K K 的關係 C W 水的解離反應為一吸熱反應, 故溫度升高, K C K W值均會增大,24 時,K W= 1.0 10 14 (=1.8 10 16 55.5 而得 ), 溫度愈高, 其值愈大, 溫度愈低, 其值愈小 任何水溶液 ( 含酸 鹼 鹽 ) 中之 [H + ] [OH - ]=K W, 故 24 下, 酸性溶液中, [H + ]>10-7M >[OH - ], 三者之 K W均為 10-14
K 與 K 的特性 (1) c w 1. 不會因溶液的酸鹼性而改變 水中加入酸, [H + ] 增大, [OH - ] 減少 加入鹼,[OH - ] 增大,[H + ] 減少 定溫時,[H + ] [OH - ] 為常數, 即 K w. 2. 溫度會影響 K c 與 K w 數值 c w 水的解離為吸熱反應, 升高溫度有利於解離 升高溫度時 :K c 與 K w 數值變大. c w 降低溫度時 :K c 與 K w 數值變小.
K 與 K 的特性 (2) c w [H + ] [OH - ] 1 10 0 1 10-14 1 10-1 1 10-13 酸 1 10-2 1 10-12 性 1 10-3 1 10-11 溶 1 10-4 1 10-10 液 1 1010-5 1 1010-9 1 10-6 1 10-8 1 10-7 1 10-7 中性 1 10-8 1 10-9 1 1010-10 1 10-11 1 10-12 1 10-13 1 10-6 1 10-5 1 1010-4 1 10-3 1 10-2 1 10-1 鹼性溶液 圖 :25 時, 水溶液中 [H + ] 與 [OH - ] 的關係
ph 值與 poh 值 ph 定義 : 用以簡化 [H + ] 的表示法 poh 定義 : 用以簡化 [OH - ] 的表示法 p=-log 之意
定義 ph=-log[h + ] 回節目錄
ph poh 和 pkw(24 時 ) ph poh pk W 定義 ph=-log[h + ] poh pk W =-logkg W 即 [H + ]=10 -ph =-log[oh - ] 即 [OH - ]=10 -poh 關係 ( 三者 ) 因 [H + ][OH - ]=10-14 ph+poh=14 中性 ph=poh= 7 酸性溶液中 [H + ]>10-7 M >[OH - ] ph<7<poh p 但 ph+poh=14 鹼性溶液 [H + ]<10-7 M <[OH - ] 中 ph>7>poh 但 ph+poh=14 即任何溫度下 ph +poh=pkp p W
ph 值每相差 1 時, 其 [H + ] 值相差 10 倍, 如 : ph=3,([h + ]=10-3M ) 之 [H + ] 為 ph=4, ([H + ]=10-4M ) 之 10 倍大 ph 有可能為負值, 極強酸所產生之 [H + ] 若大於 1M, 則其 ph 將小於零 ; 若 [H + ]= 1M 時,pH 值等於零
ph 值與溫度變化有何關係? ph+poh=pk W, 而 K W 於升溫時, 值增大, 降溫時, 值減小, 故 t>24 時,pKp W (=-logk W ) 值反小於 14,t<24,pK W 值反大於 14
非 24 時之 ph,poh 與 pkw 溫度 ph 和 poh 中性溶液之 ph=7 時溶液之酸之和 ph 鹼性 t>24 <14 6<pH<7 鹼性 t=24 =14 7 中性 t<24 >14 7<pH<8 酸性 純水之 ph 值, 溫度愈高, 其值愈小,pOH 值亦然
ph 之常見考型 不同二溶液, 甲液 ph=x, 乙液 ph=y,x> y, 則 H + 乙是甲的 10 x-y 倍 Ex.pH=3 之溶液與 ph=5 之溶液, 前者 H + 為後者之 10 5-3=10 2 倍
+ 10 [H + ]=10-10 M,pH=-log10 -m =m,poh= 14-m Ex. H + =10-55 M, 則 ph=5,poh=9
H + =10 -m M,m 在 7 附近, 則需考 慮水解離出之 H + ( 重要, 必看 ) 10-88 M 之 HCl 中之 ph=?? Ans:pH=6.98( 而非 ph=8) 解 :HCl H + +Cl - H 2 OH + +OH - 10-8 10-8 x x K W =10-14 =(x+10-8 ).X x+10-8 x-10-14 =0 ( 二次式定理 ) X=9.5 10-8, H + =9.5 10-8 +10-8 =1.05 10-7, 其 ph 6.98
H + =a 10 -b M ph=b-log a H + =3 10-4 4M ph=4-log 3==4-0 0.48==3.52 log2=0.3010 log3=0.4771 log5=0.6990
OH - =a 10 -n M poh=n, ph=14-n 3 OH - =10-3 M poh=3,ph=11
OH - =c 10 -d M poh=d-logc ph=14-poh p 2 OH - =4 10-2 M,pOH=2-log4=1.4, ph=14-1.4=12.6
ph 值的測定方法 使用指示劑, 如石蕊試紙在 ph<7 之溶液中紅色, 在 ph>7 溶液中藍色 浸有指示劑的 ph 試紙 用電動的 ph 計 (ph meter) )
ph 值 常見水溶液的 [H + ] [OH - ] 與 ph 值的關係 定義 測定 回章目錄
測 定 廣用試紙測定鹽酸及氫氧化鈉溶液的 ph 值 ph 計測定檸檬汁的 ph 值 回章目錄