第 8 章 酸與鹼 Acids and Bases

8.1 酸與鹼 8.2 酸與鹼的強度 8.3 水之解離 8.4 pH 值 8.5 酸與鹼之反應 8.6 緩衝劑

8.1 酸與鹼 ACIDS AND BASES

當某種酸溶於水中，產生氫離子和簡單的非金屬陰離子時，則在

非金屬的名稱前加上字首「氫」(hydro)，字尾再加上「酸」(acid)。

當某種酸含有多原子的離子時，此種酸的命名則來自此多原子離

子的名稱（註：英文命名是將多原子離子的字尾 ate 改為 ic acid；多原子離子若以 ite 結尾，則改為 ous acid。若多原子離子是以 ous acid 結尾的酸，其化學式比 ic acid 結尾的酸少一個氧）。一些常見

的酸及其陰離子的名稱列於表 8.1。

酸的命名 Naming Acids

表 8.1 常見的酸及其命名

有些鹼性物質是我們所熟悉的，例如制酸劑、排水管疏通劑和

爐具清潔劑。根據阿瑞尼士理論（Arrhenius theory），當離子化

合物溶於水中時，會解離成金屬離子和氫氧根離子（OH－），稱

為鹼（bases）。例如氫氧化鈉是一種阿瑞尼士鹼，它在水中會解

離，因而產生鈉離子（Na＋）和氫氧根離子（OH－）。

典型的阿瑞尼士鹼是以氫氧化物命名。 鹼 名稱

NaOH 氫氧化鈉 (sodium hydroxide)

KOH 氫氧化鉀 (potassium hydroxide)

Ca(OH)2 氫氧化鈣 (calcium hydroxide)

Al(OH)3 氫氧化鋁 (aluminum hydroxide)

鹼 BASES

範例 8.1 酸與鹼的名稱及化學式

a. 寫出右列各種酸或鹼的名稱：1.H3PO4 2. NaOH b. 寫出下列各種酸或鹼的化學式： 1. 亞硝酸（nitrous acid） 2. 氫溴酸（hydrobromic acid） 解 學習評量 a. 寫出 H2SO4 的名稱。 b. 寫出氫氧化鉀（potassium hydroxide）的化學式。

範例 8.2 阿瑞尼士鹼的解離

試寫出 Ca(OH)2(s) 在水中的解離方程式。 解 學習評量 試寫出氫氧化鋰（lithium hydroxide）的解離方程式。

在1923年，丹麥的布忍斯特（J.N. Brønsted）與英國的羅瑞（T.M. Lowry）將酸與鹼的定義加以擴展，所謂布忍斯特-羅瑞酸（Brønsted-Lowry acid）是將一個質子（氫離子，H＋）授與別的物質，而布忍斯特-羅瑞鹼（Brønsted-Lowry base）則是接受一個質子者。

布忍斯特-羅瑞酸是質子（H＋）授與者

布忍斯特-羅瑞鹼是質子（H＋）接受者

解離的質子（H＋）實質上並不存在於水中。質子對極性水分子的吸引力非常強，以致於質子與水分子之間形成鍵結而產生鋞離子（hydronium ion，H3O＋）。

布忍斯特-羅瑞酸與鹼 Brønsted-Lowry Acids and Bases

我們可以將氫氯酸溶液的形成，表示為質子自氯化氫轉移至水

中。由於在這個反應中，水接受了一個質子，故根據布忍斯特-羅瑞的觀念，水當作鹼。

酸 鹼

在另外一個反應，即氨（NH3）與水的反應中，因為 NH3 的氮

原子對質子有較強之吸引力，所以水授與一個質子而當作酸。

酸 鹼

表 8.2 酸與鹼的一些特性

範例 8.3 酸與鹼

在下列每個方程式中，確認各反應物何者為布忍斯特–羅瑞酸， 何者為布忍斯特–羅瑞鹼。 a. HBr(aq) ＋ H2O(l) H3O＋(aq) ＋ Br－(aq) b. H2O(l) ＋ CN－(aq) HCN(aq) ＋ OH－(aq) 學習評量 當 HNO3 與水反應時，水當作布忍斯特–羅瑞鹼。試寫出此反應 的方程式。

依據布忍斯特-羅瑞理論，當某些分子或離子因失去 H＋ 或獲得 H＋ 而產生關聯時，則這些分子或離子即構成一組共軛酸鹼對 (conjugate acid-base pair)。因為質子在正向和逆向反應皆會發生轉移，所以每個酸-鹼反應均含有兩組共軛酸鹼對。當酸 HA 授與一個 H＋時，即會形成其共軛鹼 A－；當鹼 B 獲得 H＋時，即會形成其共軛酸 BH＋。緣此，此一布忍斯特–羅瑞酸鹼反應便可以用一個通式來表示。

共軛酸鹼對 CONJUGATE ACID-BASE PAIRS

範例 8.4 共軛酸鹼對

寫出下列布忍斯特-羅瑞酸之共軛鹼的化學式。 a. HClO3 b. H2CO3

解 學習評量 寫出下列布忍斯特-羅瑞鹼的共軛酸。 a. HS－ b. NO2

－

範例 8.5 確認共軛酸鹼對

確認下列反應中之共軛酸鹼對： HBr(aq) ＋ NH3(aq) Br－(aq) ＋ NH4

＋(aq) 解 學習評量 在下列反應中，確認其共軛酸鹼對。 HCN(aq) ＋ SO4

2－(aq) CN－(aq) ＋ HSO4－(aq)

問題 布忍斯特-羅瑞酸與鹼

1. 指出下列各敘述為酸或鹼的特徵： a. 具有酸味 b. 可以中和鹼 c. 在水中會產生H＋離子 d. 命名為氫氧化鉀 2. 命名下列各種酸或鹼： a. HCl b. Ca(OH)2 c. H2CO3 d. HNO3 e. H2SO3 f. LiOH

3. 寫出下列各種酸或鹼的化學式： a. 氫氧化鎂 b. 氫氟酸 c. 磷酸 d. 氫氧化鋰 e. 氫氧化銅(II) f. 硫酸

問題 布忍斯特-羅瑞酸與鹼

4. 在下列各方程式中，試確認各反應物是布忍斯特–羅瑞酸或布忍斯特–羅瑞鹼：

a. HI(aq) ＋ H2O(l) H3O＋(aq) ＋ I－(aq) b. F－(aq) ＋ H2O(l) HF(aq) ＋ OH－(aq) 5. 寫出下列各種酸之共軛鹼的化學式及其命名： a. HF b. H2O c. H2CO3 d. HSO4

－

6. 寫出下列各種鹼之共軛酸的化學式及其命名： a. CO3

2－ b. H2O c. H2PO4

－ d. Br－

問題 布忍斯特-羅瑞酸與鹼

7. 確認下列各方程式中的布忍斯特–羅瑞共軛酸鹼對：

a. H2CO3(aq) ＋ H2O (l) H3O＋(aq) ＋ HCO3－(aq)

b. NH4＋(aq) ＋ H2O(l) H3O＋(aq) ＋ NH3(aq)

c. HCN (aq) ＋ NO2－(aq) CN－(aq) ＋ HNO2(aq)

8.2 酸與鹼的強度 STRENGTHS OF ACIDS AND BASES

因為強酸（strong acids）可以輕易地授與質子，且其在水中

可以完全解離，所以強酸屬於強電解質。舉例來說，當強酸 HCl

在水中解離後， H＋被轉移給 H2O ，導致溶液只含有 H3O＋和 Cl－

二種離子。我們將 HCl 在水中的反應視為100% 轉變成產物，因

此強酸（例如HCl）解離的方程式中係以單向箭號表示。

常見的強酸及多種弱酸列於表8.3 中。

表 8.3 常見的強酸與弱酸

大多數的酸為弱酸，亦即它們也是弱電解質。弱酸（weak

acids）在水中只有輕微解離，亦即溶解的分子中只有很少的比率

會授與 H＋ 給 H2O 。因此，弱酸與水反應只會形成少量的 H3O＋離

子，即使在高濃度下，弱酸所產生之 H3O＋離子濃度亦很低（圖

8.1）。在無酒精的碳酸飲料中， CO2 會溶解於水中而形成碳酸

（H2CO3），亦為弱酸的一種。

醋含有另一種弱酸，即所謂之醋酸（HC2H3O2 或 CH3COOH），我們加入沙拉中的醋，是5% (m/v)的醋酸溶液。

圖 8.1

圖 8.1 強酸（例如 HCl，氫氯酸）會完全解離（≈ 100 %）。反之，弱

酸（例如HC2H3O2）含有大多數的分子及少數的離子。 問：強酸與弱酸之間的差異何在？

因為強鹼（strong bases）屬於強電解質，所以此種阿瑞尼士鹼實際上在水中可以完全解離。因為這些強鹼是離子化合物，所以它們在水中可以解離成金屬離子和氫氧根離子的水溶液。

弱鹼（weak bases）屬於弱電解質，所以它們是不良的質子接受者，而且在溶液中只產生很少的離子。氨（NH3）是一種典型的弱鹼，常見於清潔用品中。在 NH3 的水溶液中，只有少部分的氨分子會接受質子而形成氫氧化銨。

強鹼與弱鹼 STRONG AND WEAK BASES

圖 8.2

圖 8.2 (a) 強酸在水中會解離成 H3O＋和 A－離子。(b) 弱酸在水中只會

部分解離，其形成的溶液只含有少數的 H3O＋和 A－離子，以及

大部分未解離的 HA 分子。 問：比較強酸與弱酸之長條圖中，H3O＋和A－的高度如何改變？

範例 8.6 酸與鹼的強度

從以下各物質選出符合下列各問題的答案。 H2CO3 H2SO4 HNO2

a. 何者為最強的酸？ b. 何者為最弱的酸？ 解 學習評量 何者是較強的鹼：KOH 或 NH3？

問題 酸與鹼的強度

8. 下列各組的酸中，指出何者為較強的酸： a. HBr 或 HNO2 b. H3PO4 或 HSO4

－

c. HCN 或 H2CO3

9. 下列各組的酸中，指出何者為較弱的酸： a. HCl 或 HSO4

－

b. HNO2 或 HF c. HCO3

－ 或 NH4＋

8.3 水之解離 IONIZATION OF WATER

一個水分子藉由授與 H＋ 給另一個水分子而扮演酸，另一個水

分子則扮演鹼，而產物則是共軛酸 H3O＋ 和共軛鹼 OH－，讓我們

來看看純水中所形成之共軛酸鹼對。

每當一個 H＋ 在二個水分子之間發生轉移時，產物則是一個 H3O＋和一個 OH－。由實驗中可確定，在 25℃ 時，純水中之 H3O＋和 OH－的濃度均為 1.0×10－7 M，化學符號兩側加上中括號表示

其體積莫耳濃度，單位為每公升中的莫耳數（M）。

純水 [H3O＋] ＝ [OH－] ＝ 1.0 × 10－7 M

當我們將 H3O＋和 OH－的濃度相乘，可以得到水的離子積常數

（ion-product constant），即 Kw，其值為 1.0 × 10－14，而 Kw 值的

濃度單位則被省略。

Kw ＝ [H3O＋] × [OH－]

＝ (1.0 × 10－7 M)(1.0 × 10－7 M) ＝ 1.0 × 10－14

Kw 值為 1.0 × 10－14是很重要的，因為它可以應用於任何的水溶液

：所有的水溶液都有 H3O＋ 和 OH－。

第 8 章 酸與鹼 P.293

當某種溶液中的 [H3O＋] 和 [OH－] 相等時，則此溶液為中性的

（neutral）。儘管如此，大部分溶液都不是中性的，且其[H3O＋] 和 [OH－] 的濃度不同。

假如將酸加入水中，則其 [H3O＋] 變大且 [OH－] 變小，故溶液

為酸性。假如將鹼加入水中，則其 [OH－] 變大且 [H3O＋] 變小，

故溶液為鹼性（圖 8.3）。

對任何的水溶液而言，無論是中性、酸性或鹼性，其 [H3O＋ ] × [ OH－] 的乘積均等於 Kw（1.0 × 10－14 M）。因此，假使 [H3O＋] 已知，則 Kw 可以用來算出 [OH－]；又假使 [OH－] 已知，則 Kw 可以用來算出 [H3O＋]（表 8.4）。

圖 8.3

圖 8.3 在中性溶液中，[ H3O＋] 等於 [ OH－]；在酸性溶液中，[H3O＋] 大於 [OH－]；在鹼性溶液中，[OH－] 大於 [H3O＋]。 問：某溶液之 [ H3O＋] 為 1.0 × 10－3 M，則此溶液是酸性、鹼性

或中性？

表 8.4 在中性、酸性及鹼性溶液中之 [H3O＋] 和 [OH－]

範例 8.7 計算溶液中的 [H3O＋] 和 [OH－]

於 25℃時，某種醋溶液中之 [H3O＋]＝2.0 × 10－3 M。試問此醋溶 液中之 [OH－] 是多少？此溶液是酸性、鹼性或中性？ 解 學習評量 某種含氨之清潔溶液的 [OH－] ＝ 4.0 × 10－4 M，則其 [ H3O＋] 為 何？試問此溶液是酸性、鹼性或中性？

問題 水的解離

10. 為何純水中 H3O＋的濃度與 OH－的濃度相等？ 11. 在酸性溶液中，H3O＋的濃度與 OH－的濃度比較之結果如何？ 12. 指出下列各種濃度是酸性、鹼性或中性溶液： a. [H3O＋] ＝ 2.0 × 10－5 M b. [H3O＋] ＝ 1.4 × 10－9 M c. [OH－] ＝ 8.0 × 10－3 M d. [OH－] ＝ 3.5 × 10－10 M

問題 水的解離

13. 計算已知 [H3O＋] 之下列各種水溶液的 [OH－]： a. 咖啡，1.0 × 10－5 M b. 肥皂，1.0 × 10－8 M c. 清潔劑，5.0 × 10－10 M d. 檸檬汁，2.5 × 10－2 M 14. 計算已知 [H3O＋] 之下列各種水溶液的 [OH－]： a. 醋，1.0 × 10－3 M b. 尿液，5.0 × 10－6 M c. 氨水，1.8 × 10－12 M d. NaOH，4.0 × 10－13 M