共軛酸鹼對與質子轉移｜HSC 化學

假設把氨 \(\ce{NH3}\) 加入水中。反應後，溶液中會有一些 \(\ce{NH4+}\) 和 \(\ce{OH^-}\)。

在擔心各種定義之前，先追蹤一件事：\(\ce{NH4+}\) 上多出來的那個氫是從哪裡來的？

它來自水。一个質子從 \(\ce{H2O}\) 轉移到 \(\ce{NH3}\)：

\[ \ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH^-} \]

這一次質子轉移，就是理解共軛酸鹼對的關鍵。只要你能追蹤質子的去向，大多數辨認題就會變成有系統的核對，而不是死記硬背。

01追蹤質子

布侖斯特－羅里酸會提供一個質子 \(\mathrm{H}^{+}\)。布侖斯特－羅里鹼則會接受一個質子。

在氨的反應中，水失去一個質子：

\[ \ce{H2O -> OH^-} \]

所以 \(\ce{H2O}\) 在這個反應中充當酸。

氨得到這個質子：

\[ \ce{NH3 -> NH4+} \]

所以 \(\ce{NH3}\) 在這個反應中充當鹼。

現在我們可以引入共軛形式。

• 當酸失去 \(\mathrm{H}^{+}\) 時，剩下的物種就是它的共軛鹼。
• 當鹼得到 \(\mathrm{H}^{+}\) 時，形成的物種就是它的共軛酸。

對於反應

\[ \ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH^-} \]

共軛對如下：

可以用一個有點滑稽的比喻來想像：借外套。一個人把外套給出去，另一個人把外套接過來。酸是給出者，鹼是接受者，而每個人在交出或收到外套前後的兩個版本，就構成一對。

這個比喻到此為止。質子不是衣服：加入或移走一個質子，會改變物種的電荷和化學行為。

02單一質子檢驗法

以下是判斷共軛酸鹼對最快而且可靠的方法：

兩個物種必須恰好只相差一個質子 \(\mathrm{H}^{+}\)。

也就是說，它們會相差：

• 一個氫原子，以及
• 一個單位的電荷。

對於一種酸及其共軛鹼，

\[ \ce{acid -> conjugate\ base + H+} \]

共軛鹼會少一個 H，而且其電荷會負一個單位。

例如：

\[ \ce{NH4+ -> NH3 + H+} \]

\(\ce{NH4+}\) 比 \(\ce{NH3}\) 多一個 H，而且它的電荷正一個單位。

同樣地，

\[ \ce{H2O -> OH^- + H+} \]

以及

\[ \ce{H2PO4^- -> HPO4^2- + H+} \]

無論物種是中性還是帶電，這條規則都適用。

看似合理但其實不是共軛對的例子

硫酸的例子是一個常見陷阱。\(\ce{H2SO4}\) 最終可以變成 \(\ce{SO4^2-}\)，但這是經過兩次質子轉移完成的：

\[ \ce{H2SO4 -> HSO4^- -> SO4^2-} \]

所以共軛對是 \(\ce{H2SO4/HSO4^-}\) 和 \(\ce{HSO4^-/SO4^2-}\)，而不是 \(\ce{H2SO4/SO4^2-}\)。

03如何寫出質子轉移方程式

當題目給出兩個反應物種時，不要一開始就猜生成物。先判斷誰會給出質子、誰會接受質子。

一個實用的方法是：

1. 找出質子提供者。移去一個 \(\mathrm{H}^{+}\)，得到它的共軛鹼。
2. 找出質子接受者。加入一個 \(\mathrm{H}^{+}\)，得到它的共軛酸。
3. 把這些共軛物種寫在生成物一側。
4. 檢查原子數和總電荷是否都守恆。

處理多原子離子時，電荷檢查尤其有用。

假設一種酸的電荷為 \(q\)。失去 \(\mathrm{H}^{+}\) 後，其共軛鹼的電荷為 \(q-1\)。

假設一種鹼的電荷為 \(q\)。得到 \(\mathrm{H}^{+}\) 後，其共軛酸的電荷為 \(q+1\)。

\(\mathrm{H}^{+}\) 在水中會怎樣？

你常會聽到「酸在水中產生 \(\mathrm{H}^{+}\)」這種說法。這是很有用的簡寫，但一個裸露的質子並不會在水溶液中單獨存在。

水會接受這個質子，形成水合氫離子 \(\ce{H3O+}\)：

\[ \ce{HCl + H2O -> H3O+ + Cl^-} \]

所以，在水溶液中寫出明確的質子轉移方程式時，通常更清楚的做法是直接表示質子被轉移到另一個物種，而不是在生成物一側留下游離的 \(\mathrm{H}^{+}\)。

04酸和鹼是角色，不是永久標籤

一個很吸引人的捷徑，是把某個物種直接背成「酸」或「鹼」。這種方法有時有效，但很快就會遇到問題。

以碳酸氫根 \(\ce{HCO3^-}\) 為例。

它可以失去一個質子：

\[ \ce{HCO3^- + H2O <=> CO3^2- + H3O+} \]

在這裡，\(\ce{HCO3^-}\) 是酸。

但它也可以得到一個質子：

\[ \ce{HCO3^- + H2O <=> H2CO3 + OH^-} \]

在這裡，\(\ce{HCO3^-}\) 是鹼。

能夠同時提供和接受質子的物種稱為兩性質子物種。

水是另一個重要例子。與氨反應時，水提供一個質子：

\[ \ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH^-} \]

所以水充當酸。

與 \(\ce{HCl}\) 這類酸反應時，水會接受一個質子：

\[ \ce{HCl + H2O -> H3O+ + Cl^-} \]

這時水充當鹼。

兩者並不矛盾。「酸」和「鹼」描述的是一個物種在某一次特定質子轉移反應中正在做甚麼。

05最容易造成配對錯誤的迷思

假設你看到：

\[ \ce{HA + B <=> A^- + HB+} \]

學生可能會把 \(\ce{HA}\) 和 \(\ce{B}\) 配成一對，因為它們正是互相反應的酸和鹼。

但這並不是「共軛對」的意思。

酸鹼反應的反應物是：

• 酸：\(\ce{HA}\)
• 鹼：\(\ce{B}\)

真正的共軛對則是：

• \(\ce{HA/A^-}\)，因為 \(\ce{HA}\) 失去一個質子後變成 \(\mathrm{A}^{-}\)
• \(\ce{HB+/B}\)，因為 \(\ce{B}\) 得到一個質子後變成 \(\ce{HB+}\)

所以，當題目要求你辨認共軛對時，不要因為兩個物種寫在一起就把它們配對。應該把每個物種與它經過一個質子變化後的版本配對。

一個可靠的問題是：

如果我恰好加入或移去一個 \(\mathrm{H}^{+}\)，會不會得到另一個物種？

如果會，你很可能找到了一組共軛對。接著再檢查電荷。

能夠辨認這些共軛對，會令酸鹼平衡容易理解得多，因為酸的強度和平衡方向都取決於酸與其共軛鹼之間的關係。這種關係會在 pH 與酸鹼強度：HSC 化學解析 中進一步說明。當你由方程式進一步研究實際溶液時，酸和鹼的 pH 測量：HSC 化學指南 會說明這些化學概念如何在實際測量中呈現。

06問題與解答

問題 1

考慮以下反應：

\[ \ce{HNO3 + H2O -> H3O+ + NO3^-} \]

辨認布侖斯特－羅里酸、布侖斯特－羅里鹼、共軛酸、共軛鹼，以及兩組共軛酸鹼對。

解答 1

酸是 \(\ce{HNO3}\)，鹼是 \(\ce{H2O}\)，共軛鹼是 \(\ce{NO3^-}\)，而共軛酸是 \(\ce{H3O+}\)。

追蹤質子。

\(\ce{HNO3}\) 失去一個 \(\mathrm{H}^{+}\)：

\[ \ce{HNO3 -> NO3^-} \]

所以 \(\ce{HNO3}\) 是酸，而 \(\ce{NO3^-}\) 是它的共軛鹼。

水得到這個質子：

\[ \ce{H2O -> H3O+} \]

所以 \(\ce{H2O}\) 是鹼，而 \(\ce{H3O+}\) 是它的共軛酸。

因此，兩組共軛酸鹼對是：

\[ \ce{HNO3/NO3^-} \]

以及

\[ \ce{H3O+/H2O} \]

一個很容易犯的錯誤，是因為 \(\ce{HNO3}\) 和 \(\ce{H2O}\) 是互相反應的酸和鹼，就把它們配成一對。它們確實是反應夥伴，但共軛夥伴彼此之間必須恰好只相差一個質子。

問題 2

某個水溶液中的質子轉移反應可表示為：

\[ \ce{X + H2O <=> H2PO4^- + OH^-} \]

物種 \(X\) 含有一個磷原子和四個氧原子。

判定 \(X\) 的化學式和電荷。然後辨認酸、鹼、共軛酸、共軛鹼，以及兩組共軛對。

解答 2

\(X\) 是 \(\ce{HPO4^2-}\)，而且它充當鹼。

先由水的變化開始。\(\ce{H2O}\) 變成 \(\ce{OH^-}\)，所以水失去了一個質子：

\[ \ce{H2O -> OH^- + H+} \]

因此，水是酸，而 \(\ce{OH^-}\) 是它的共軛鹼。

失去的質子必須由 \(X\) 接受。生成物是 \(\ce{H2PO4^-}\)，所以從它移去剛剛接受的質子，就可以找出原來的物種：

\[ \ce{H2PO4^- -> HPO4^2- + H+} \]

因此，

\[ X=\ce{HPO4^2-} \]

而完整方程式為：

\[ \ce{HPO4^2- + H2O <=> H2PO4^- + OH^-} \]

檢查電荷可以確認這個結果。

左側：

\[ -2+0=-2 \]

右側：

\[ -1+(-1)=-2 \]

所以電荷守恆。

兩組共軛對是：

\[ \ce{H2PO4^-/HPO4^2-} \]

以及

\[ \ce{H2O/OH^-} \]

一個很容易走錯的思路，是看到 \(\ce{H2PO4^-}\) 的化學式以 H 開頭，就假設它一定是酸。這裡它是共軛酸，因為它從水得到了一個質子。真正決定其角色的是實際質子轉移的方向。

問題 3

硫酸可以分兩個階段失去它的兩個酸性質子：

\[ \ce{H2SO4 + H2O -> HSO4^- + H3O+} \]

以及

\[ \ce{HSO4^- + H2O <=> SO4^2- + H3O+} \]

對每條方程式：

1. 辨認兩組共軛酸鹼對，以及
2. 說明 \(\ce{HSO4^-}\) 的角色。

然後解釋為甚麼 \(\ce{H2SO4}\) 和 \(\ce{SO4^2-}\) 不是一組共軛酸鹼對。

解答 3

第一個反應中的共軛對是 \(\ce{H2SO4/HSO4^-}\) 和 \(\ce{H3O+/H2O}\)；第二個反應中的共軛對則是 \(\ce{HSO4^-/SO4^2-}\) 和 \(\ce{H3O+/H2O}\)。\(\ce{HSO4^-}\) 在第一個反應中是共軛鹼，但在第二個反應中充當酸。

在第一條方程式中，

\[ \ce{H2SO4 -> HSO4^-} \]

表示 \(\ce{H2SO4}\) 失去一個質子。因此：

• \(\ce{H2SO4}\) 是酸，
• \(\ce{HSO4^-}\) 是它的共軛鹼，
• \(\ce{H2O}\) 是鹼，而
• \(\ce{H3O+}\) 是它的共軛酸。

在第二條方程式中，

\[ \ce{HSO4^- -> SO4^2-} \]

表示 \(\ce{HSO4^-}\) 再失去一個質子。因此：

• \(\ce{HSO4^-}\) 現在是酸，
• \(\ce{SO4^2-}\) 是它的共軛鹼，
• \(\ce{H2O}\) 是鹼，而
• \(\ce{H3O+}\) 是它的共軛酸。

重點是，\(\ce{HSO4^-}\) 的角色取決於所考慮的反應。在第一個反應中，它是在一種酸失去 \(\mathrm{H}^{+}\) 後形成的，所以它是共軛鹼。在第二個反應中，它提供 \(\mathrm{H}^{+}\)，所以它是酸。

\(\ce{H2SO4}\) 和 \(\ce{SO4^2-}\) 不是共軛對，因為它們相差兩個質子：

\[ \ce{H2SO4 -> HSO4^- -> SO4^2-} \]

一個很吸引人的錯誤論點，是認為既然其中一個最終可以形成另一個，它們就必定是共軛物種。但「只相差一個質子」這個條件更嚴格：共軛物種必須能透過一次質子轉移互相連接，而不是兩次。

問題 4

碳酸氫根可以參與以下兩個水溶液中的質子轉移反應：

\[ \ce{HCO3^- + H2O <=> CO3^2- + H3O+} \]

以及

\[ \ce{HCO3^- + H2O <=> H2CO3 + OH^-} \]

有學生認為，至少其中一條方程式的標示一定有錯，因為 \(\ce{HCO3^-}\) 不可能同時既是酸又是鹼。

評估這名學生的說法。對兩條方程式，辨認 \(\ce{HCO3^-}\) 的角色，並列出共軛酸鹼對。然後說明，如果考試題目只給你 \(\ce{HCO3^-}\) 的化學式，沒有提供任何反應，你可以得出甚麼結論。

解答 4

兩條方程式都是有效的質子轉移方程式，而 \(\ce{HCO3^-}\) 可以充當酸或鹼，因為它是兩性質子物種。

在第一條方程式中，

\[ \ce{HCO3^- + H2O <=> CO3^2- + H3O+} \]

\(\ce{HCO3^-}\) 變成 \(\ce{CO3^2-}\)。它失去了一個質子：

\[ \ce{HCO3^- -> CO3^2- + H+} \]

所以 \(\ce{HCO3^-}\) 充當酸。

水接受這個質子並變成 \(\ce{H3O+}\)，所以水充當鹼。

共軛對是：

\[ \ce{HCO3^-/CO3^2-} \]

以及

\[ \ce{H3O+/H2O} \]

在第二條方程式中，

\[ \ce{HCO3^- + H2O <=> H2CO3 + OH^-} \]

\(\ce{HCO3^-}\) 變成 \(\ce{H2CO3}\)。它得到了一個質子：

\[ \ce{HCO3^- + H+ -> H2CO3} \]

所以 \(\ce{HCO3^-}\) 現在充當鹼。

水失去質子並變成 \(\ce{OH^-}\)，所以水充當酸。

共軛對是：

\[ \ce{H2CO3/HCO3^-} \]

以及

\[ \ce{H2O/OH^-} \]

這並不矛盾。酸和鹼是某一次特定質子轉移中的角色，而不是永久附在化學式上的標籤。

如果只給出 \(\ce{HCO3^-}\)，沒有提供任何反應，你不能唯一地把它標示為「酸」或「鹼」。你可以說它是兩性質子物種，並且視乎與它反應的物種，可以扮演其中任何一種角色。

一個很容易犯的錯誤，是為每個物種死記一個固定分類。真正令答案改變的條件，是質子的實際移動方向：失去 \(\mathrm{H}^{+}\) 時，\(\ce{HCO3^-}\) 是酸；得到 \(\mathrm{H}^{+}\) 時，它就是鹼。

問題 5

考慮以下水溶液中的質子轉移平衡：

\[ \ce{H2CO3 + CO3^2- <=> 2HCO3^-} \]

有學生認為：

「只有一種生成物化學式，所以只可能有一組共軛酸鹼對。」

檢驗這項說法。

辨認質子提供者和質子接受者，辨認兩組共軛酸鹼對，並解釋 \(\ce{HCO3^-}\) 如何在同一條方程式中出現在兩種不同的共軛角色中。

最後，假設所有粒子都完全沒有標記。單憑 \(\ce{HCO3^-}\) 的化學式，能否判斷某一個特定生成物粒子來自原來的 \(\ce{H2CO3}\)，還是原來的 \(\ce{CO3^2-}\)？

解答 5

這名學生的說法不正確：雖然兩個生成物粒子的化學式都是 \(\ce{HCO3^-}\)，但仍然存在兩組共軛酸鹼關係，即 \(\ce{H2CO3/HCO3^-}\) 和 \(\ce{HCO3^-/CO3^2-}\)。

先追蹤質子。

碳酸可以提供一個質子：

\[ \ce{H2CO3 -> HCO3^- + H+} \]

所以 \(\ce{H2CO3}\) 是質子提供者，因此是酸。由它形成的 \(\ce{HCO3^-}\) 是它的共軛鹼。

與此同時，碳酸根接受這個質子：

\[ \ce{CO3^2- + H+ -> HCO3^-} \]

所以 \(\ce{CO3^2-}\) 是質子接受者，因此是鹼。由它形成的 \(\ce{HCO3^-}\) 是它的共軛酸。

因此，兩組關係是：

\[ \ce{H2CO3/HCO3^-} \]

以及

\[ \ce{HCO3^-/CO3^2-} \]

這看起來有點奇怪，因為同一個化學式 \(\ce{HCO3^-}\) 出現在兩組關係中。但「共軛酸」和「共軛鹼」描述的是兩個物種之間的關係，而不是永久附在某個化學式上的標籤。

相對於 \(\ce{H2CO3}\)，\(\ce{HCO3^-}\) 是移去一個質子後剩下的物種，所以它是共軛鹼。

相對於 \(\ce{CO3^2-}\)，\(\ce{HCO3^-}\) 是加入一個質子後形成的物種，所以它是共軛酸。

兩個生成物粒子碰巧具有相同的化學式，因為起始的酸和鹼分別位於同一個中間物種多一個質子和少一個質子的位置：

\[ \ce{H2CO3 -> HCO3^- -> CO3^2-} \]

如果這些粒子沒有標記，單憑 \(\ce{HCO3^-}\) 的化學式，無法判斷某一個特定的碳酸氫根離子原先來自哪一種起始粒子。一旦形成，就化學式和電荷而言，兩者都是同一種化學物種。

這正是這道題的關鍵。很容易誤以為「共軛酸」和「共軛鹼」是某個物種必須永遠帶著的性質。實際上，它們是描述關係的用語。同一個物種可以是一種酸的共軛鹼，同時也是另一種鹼的共軛酸。

一旦掌握這個概念，下一個有用的問題就不只是哪些質子轉移是可能的，而是酸鹼平衡較傾向哪一個方向。要回答這個問題，需要比較各種酸及其共軛鹼的強度，而不是改變共軛對本身的判定規則。