【化学关系】5. 酸与碱I：定义、pH值、中和

内容概要：

酸和碱的首个化学描述
阿伦尼乌斯的定义首先解释了酸碱化学
布朗斯特-劳里的定义更全面解释了酸与碱
pH值：H⁺浓度的量度
酸碱中和
滴定：使用中和法测定溶液的pH值

你知道么？

运用酸碱化学，不一定非得是专业科学家。辣吃多了，胃部产生灼热感。可以用小苏打或药物冲服，为的就是引起化学反应——中和。

关键概念

阿伦尼乌斯定义的酸：在水中溶解后会失去质子（H⁺）的物质；碱：在水中溶解后会失去OH^-离子的物质。
布朗斯特-劳里定义的酸：贡献质子（H⁺）的物质；碱：接受质子的物质。
pH值测量溶液的酸度，它由氢离子的浓度决定。
pH值为7被认为是中性的，pH值低于7为酸性，高于7为碱性。
滴定是一种中和技术，可用于确定被中和物质的pH值。

如果曾经照顾过宠物鱼，你就会知道不能往鱼缸中添加普通自来水。这样做就是不顾及鱼生存所需环境的化学成分，鱼可能会因此而死。鱼的生存环境有一个重要的方面，那就是水的酸碱性。

图1：这个水族箱中的鱼，和它们在湖泊、河流、海洋中的亲戚一样，对周围水的pH值突然变化很敏感。向水族箱加水时，需要确保新水的pH值接近水箱中已有的水。

醋和柠檬汁等液体让人口水直流，这种酸味来自于它们的酸性。事实上，化学中的”酸“（acid）一词来自拉丁语acere，意思是“味道酸的”。酸的化学对立面是碱，这种化合物经常感觉像肥皂一样滑溜，核桃和西兰花等食物因为碱性而带苦味。

虽然对酸和碱的定义各种各样，但为了讨论酸/碱化学的基本原理，我们将介绍两个定义：阿伦尼乌斯定义和布朗斯特-劳里定义。此外，我们还将介绍pH值以及中和酸和碱的过程，帮助让鱼保持健康。

酸和碱的首个化学描述

几百年来，人们已经知道，柠檬和醋等物质具有acere（酸）的特征。十七世纪60年代中期，爱尔兰作家和业余化学家罗伯特·波义尔（Robert Boyle）根据以下特征首次将物质标记为酸或碱：

酸：尝起来很酸，腐蚀金属，让石蕊（一种根据酸度改变颜色的染料）变红。

碱：味道苦涩，感觉滑溜溜，让石蕊变蓝。

波义耳还观察到，酸的一些特性可以通过添加碱来抵消，反之亦然。他和其他人尝试解释，为什么酸和碱会这样。不过，对酸和碱的首个合理定义，还要再等200年后。

阿伦尼乌斯的定义首先解释了酸/碱化学

在十九世纪00年代后期，瑞典科学家斯万特·阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）提出，水通过将许多化合物分离成单独的离子，从而溶解这些化合物。阿伦尼乌斯认为，酸是含有氢的化合物，可以溶于水并将氢离子释放到溶液中。例如，盐酸（HCl）溶于水如下：

（aq代表液态，也就是说离子溶解在水溶液中）

图2 斯万特·阿伦尼乌斯在实验室中

阿伦尼乌斯对碱的定义是，溶解于水会释放氧化氢离子（OH^-

）。例如，氢氧化钠就是阿伦尼乌斯所定义的碱的典型例子。

阿伦尼乌斯对酸和碱的定义解释了许多事情。阿伦尼乌斯的定义解释了为什么所有酸都具有相似的性质，为什么所有碱都是相似的。酸都释放H⁺到溶液中，而碱都释放OH^-。阿伦尼乌斯的定义也解释了波义耳的观察，即酸和碱相互抵消。当与酸混合时，碱性溶液变得没那么碱性，反之亦然，这种想法被称为中和 - 我们将进一步讨论这个概念。

尽管阿伦尼乌斯帮助解释了酸/碱化学的基本原理，但他的想法有局限。例如，阿伦尼乌斯的定义没有解释为什么某些物质，如普通小苏打（NaHCO3），可以中和酸（因此像碱一样），即使它们不含氢氧根离子。

【考考自己】阿伦尼乌斯认为碱在水中溶解时会释放______

a.H⁺

b.OH^-

1923年，丹麦科学家约翰内斯·布伦斯特德（Johannes Brønsted）和英国人托马斯·劳里（Thomas Lowry）独立发表了类似的论文，完善了阿伦尼乌斯的理论。用布伦斯特德的话来说，“......酸和碱是能够分别分解或吸收氢离子的物质。布伦斯特德-劳里的定义，拓宽了阿伦尼乌斯的酸碱概念。

对酸的定义，布伦斯特德-劳里与阿伦尼乌斯一样，是任何可以向溶液提供氢离子的物质（根据布伦斯特德的定义，酸通常被称为质子供体，因为H⁺离子 - 氢减去其电子 - 仅由一个质子组成）。

然而对碱基的定义，布伦斯特德与阿伦尼乌斯大不相同。布伦斯特德将碱定义为任何可以接受氢离子的物质。从本质上讲，碱与酸相反。正如我们上面看到的，NaOH仍将被视为碱，因为一旦溶解在水中，OH^-可以接受酸中的H⁺形成水。

布伦斯特德-劳里的定义也解释了，为什么不含OH^-的物质也可以像碱一样起作用。抗酸药片就是一个很好的例子。如果你看一下抗酸剂包装上的成分，你可能会看到其中就有碳酸钙（CaCO3）。为什么这种化合物可以作为抗酸剂？我们需要花点时间考虑一下比萨饼（如果它上面有番茄酱，则酸性相当强）。

图3：含有碳酸钙的抗酸片释放碳酸根离子。这些离子充当碱来吸收比萨饼和胃中发现的酸性氢离子。

当你吃食物（甚至开始考虑吃东西）时，你的胃会产生盐酸（HCl），这是一种强酸，它可以分解食物以帮助消化。在胃中的酸-水混合物中，HCl解离，这意味着它分成了离子，这里氢离子和氯离子：

这些H⁺使胃中的溶液呈酸性。太多了就会消化不良。所以，你服用一种抗酸剂，它解离成钙和碳酸根离子：

这些CO32-离子实际上就是碱，它能吸在胃里游荡H⁺。啊，还好有它！

这个例子中，碳酸钙经历了快速分解，形成水与气态的二氧化碳

虽然这种反应会降低胃中的酸度，但产生的气态二氧化碳会积聚在胃中，最终让你打嗝。所以，总而言之，最好避免暴饮暴食披萨之类的食物。

根据阿伦尼乌斯和布伦斯特德-劳里的定义，酸和碱都与存在的氢离子浓度有关。酸增加氢离子的浓度，而碱降低氢离子的浓度（通过接受它们）。因此，某物的酸度或碱度可以通过其氢离子浓度来测量。

【考考自己】布伦斯特德定义碱是_____的物质。

a.释放氢离子

b.能接受氢离子

pH值：H⁺浓度的量度

1909年，丹麦生物化学家索伦森（Sören Sörensen）发明了用于测量酸度的pH值标度。索伦森正在研究酶（催化生物化学反应的蛋白质）的活性，并注意到溶液的酸度会影响酶催化反应的能力。当时，没有很好的方法来阐明一种化合物与另一种化合物的酸性比较。对缺乏测量系统感到沮丧的索伦森，发明了pH值标度。虽然“pH”的确切含义仍有争议，但有些人认为它代表“氢的力量（power of hydrogen）”。

拓展阅读：酸碱测试——pH试纸的发明

无论字母代表什么，pH值都是一种测量溶液中可用于参与反应的H⁺离子浓度的方法。（要查看浓度，请参阅我们的溶液、溶解度和聚合性质模块中关于摩尔浓度的部分。pH标度是对数标度，这意味着刻度上每增加1，例如从pH值2到pH值3，氢离子的浓度减少10倍。pH值为2时有1x10^-2mol H⁺/L，pH值为3时具有1x10^-3mol H⁺/L。

请注意，浓度的指数是负数。因此，从数学上讲，pH值实际上是溶液中 H⁺浓度的倒数：

pH = -log [H+]

注意：浓度通常使用方括号缩写，因此[H⁺]=氢离子浓度。测量 pH值时，[H⁺]以每升溶液中H⁺摩尔数为单位。

不要被数学吓到！即使不熟悉对数，仍然很容易理解。可以将对数视为[H⁺]中10的指数。例如，[H⁺]=1x10^-7mol/L的溶液的pH值等于7。pH 值为正值，因为我们取负数 -(-7)，负负得正。

拓展阅读：【方程】5. 科学计数法：使用数量级

比如室温下的水，纯水的pH值为7，这意味着[H⁺]（氢离子的浓度）为1x10^-7，即0.0000001。pH值为7被认为是中性的，这意味着[H⁺]和 [OH^-] 相等。

1x10^-7或0.0000001 mol/L 的浓度可能看起来很小，但中性两侧浓度的变化会对化学产生很大的影响。当[H⁺]大于10^-7（例如，如果它等于1x10^-6）时，解是基本的。如果[H⁺]小于10^-7（例如，如果它等于 1x10^-8），则溶液呈酸性。

如果指数和浓度令人困惑，可以这样想：请记住，当我们处理负指数时，我们谈论的是小数点和1之间放置的零的个数。零越多，数字越小，解中的 H⁺就越少。

例如：0.0000001（1x10^-7）比0.00000001（1x10^-8）大十倍。由于pH值是[H⁺] 的量度，因此1x10^-8表示[H⁺]比1x10^-7小十倍。

现在，比较这两个数字的指数：-7和-8。如果我们去掉负号，我们就有了 pH值。1x10^-7的pH值为7，1x10^-8的pH值为8。因此，与预期相反，较高的pH值代表较小的 [H⁺]。

氢离子的存在是导致酸度的原因，相反，缺乏H⁺（或 OH^-的存在）是导致碱度的原因。因此，随着[H⁺]变小（pH 值变高），溶液的酸性降低，碱性更强。由于7是中性pH值，因此pH值大于7的溶液是碱性的，因为它的 [H⁺]小于1x10^-7。同样，pH值小于7的溶液是酸性的，并且[H⁺]大于1x10^-7。

例如：

1x10^-3的[H⁺]，pH值为3，溶液呈酸性。

1x10^-11的[H⁺]，pH值为11，溶液呈碱性。

pH值范围为0到14。pH值为0至7的物质被认为是酸性的。pH值7到14的物质被认为是碱性的。pH=7是中性物质，例如纯水。[H⁺]和pH值之间的关系如下表所示，以及日常生活中酸和碱的一些常见示例。

[H⁺]	pH值	举例
酸	1 X 10⁰	0	HCl
	1 x 10^-1	1	胃酸
	1 x 10^-2	2	柠檬汁
	1 x 10^-3	3	果醋
	1 x 10^-4	4	苏打
	1 x 10^-5	5	雨水
	1 x 10^-6	6	牛奶
中性	1 x 10^-7	7	纯水
碱	1 x 10^-8	8	蛋白
	1 x 10^-9	9	小苏打
	1 x 10^-10	10	抗胃酸药物
	1 x 10^-11	11	氨水
	1 x 10^-12	12	消石灰
	1 x 10^-13	13	管道疏通剂
	1 x 10^-14	14	NaOH

【考考自己】pH值越高，溶液中H⁺浓度越____

a.低

b.高

酸碱中和

回到我们之前贪吃披萨的例子。pH表显示带有HCl的胃酸pH值为1，非常酸。正是胃中的酸量让你感觉到“胃灼热”中的“灼热”。请记住，抗胃酸药物含有碱碳酸钙（CaCO3），其pH值为10。当我们将CaCO3碱基添加到 HCl混合物中时，产生的CO32-离子能够吸收H⁺，使混合物更接近 7 的中性pH值。这是一种中和反应，其中将碱添加到酸中以提高pH值（反之亦然）。

实验室里，也可以进行中和反应。例如，我们可以将 NaOH 添加到 HCl 的图片中以中和酸。在这种情况下，中和反应涉及来自酸的H⁺和来自碱的 OH^-。（这是应用阿伦尼乌斯定义的一个例子）。两种离子结合形成水分子，将酸性和碱性离子从溶液中取出。

解离反应是：

HCl + H₂O → H+(aq) + Cl^-+(aq)

和

NaOH + H₂O → Na⁺(aq) + OH^-+(aq)

从方程式中可以看出，酸性HCl将H⁺释放到溶液中，NaOH碱释放OH^-。如果我们将酸和碱混合在一起，H⁺离子与OH^-离子结合生成水，H2O：

H⁺(aq) + OH^-(aq) → H₂O

当酸中的每个H⁺与OH^-配对并中和时，溶液的pH值将为7。

滴定：使用中和法测定溶液的pH值

中和也可用于测定溶液的pH值。例如，假设你需要中和采矿作业中的酸性径流，你正在查看的采矿过程会产生HCl，但你不知道径流中HCl的浓度，就可以通过用已知浓度的碱溶液中和径流样品，跟踪用了多少碱溶液，从而确定HCl浓度。由此，你可以计算径流中的HCl浓度。

通过用已知浓度的溶液中和未知浓度的溶液来测定pH值的过程，称为滴定法。在实验室中，滴定涉及使用特定设备进行设置，以保持过程的准确性，因为你需要知道酸的起始体积和使用的碱量。

图 4：用 NaOH 滴定 HCl 的设置。

如图4所示，20mL含有HCl的径流溶液并置于烧瓶中。滴定管（本质上是一个底部带有旋塞阀的量筒，允许测量所添加的碱）填充NaOH，固定以便于向酸中添加少量碱。（如果需要查看摩尔浓度，请参阅“溶液、溶解度和低密度特性”模块）。

HCl溶液还含有少量称为pH指示剂的分子。指示剂是一种物质，当溶解在水中时，在特定的pH值下会改变颜色，表明烧瓶中的溶液已达到该pH值。在这种情况下，将使用在pH值为7时变色的指示剂，因为你想知道酸溶液何时被完全中和。

要进行滴定，需要注意NaOH的起始体积。假设是500毫升。慢慢添加碱，直到烧瓶中的溶液变色，然后停止。然后注意添加到酸中的碱的体积，假设它是460毫升。

起始500mL – 结束460mL=40mL NaOH添加到烧瓶中的酸中。因为我们知道 NaOH 的浓度，所以我们可以确定 40 mL 中有多少摩尔

求x：

求得一共加了x = 0.40 mol NaOH。

我们知道，NaOH在水中会释放一个OH^-，而HCl会释放一个H⁺。就是说，每molHC了就需要1mol的NaOH去中和。既然我们滴定用了0.4mol的NaOH，那么我们烧杯里的HCl就是0.40mol。

我们用摩尔数除以体积，得到HCl的浓度：0.4mol/0.2L=2mol/L

几只青椒

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