共轭酸碱对与质子转移｜HSC 化学

假设把氨 \(\ce{NH3}\) 加入水中。反应后，溶液中会有一些 \(\ce{NH4+}\) 和 \(\ce{OH^-}\)。

在担心各种定义之前，先追踪一件事：\(\ce{NH4+}\) 上多出来的那个氢是从哪里来的？

它来自水。一个质子从 \(\ce{H2O}\) 转移到 \(\ce{NH3}\)：

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

这一次质子转移，就是理解共轭酸碱对的关键。只要你能追踪质子的去向，大多数辨认题就会变成有系统的核对，而不是死记硬背。

01追踪质子

布仑斯特－罗里酸会提供一个质子 \(\mathrm{H}^{+}\)。布仑斯特－罗里碱则会接受一个质子。

在氨的反应中，水失去一个质子：

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

所以 \(\ce{H2O}\) 在这个反应中充当酸。

氨得到这个质子：

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

所以 \(\ce{NH3}\) 在这个反应中充当碱。

现在我们可以引入共轭形式。

• 当酸失去 \(\mathrm{H}^{+}\) 时，剩下的物种就是它的共轭碱。
• 当碱得到 \(\mathrm{H}^{+}\) 时，形成的物种就是它的共轭酸。

对于反应

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

共轭对如下：

可以用一个有点滑稽的比喻来想像：借外套。一个人把外套给出去，另一个人把外套接过来。酸是给出者，碱是接受者，而每个人在交出或收到外套前后的两个版本，就构成一对。

这个比喻到此为止。质子不是衣服：加入或移走一个质子，会改变物种的电荷和化学行为。

02单一质子检验法

以下是判断共轭酸碱对最快而且可靠的方法：

两个物种必须恰好只相差一个质子 \(\mathrm{H}^{+}\)。

也就是说，它们会相差：

• 一个氢原子，以及
• 一个单位的电荷。

对于一种酸及其共轭碱，

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

共轭碱会少一个 H，而且其电荷会负一个单位。

例如：

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

\(\ce{NH4+}\) 比 \(\ce{NH3}\) 多一个 H，而且它的电荷正一个单位。

同样地，

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

以及

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

无论物种是中性还是带电，这条规则都适用。

看似合理但其实不是共轭对的例子

硫酸的例子是一个常见陷阱。\(\ce{H2SO4}\) 最终可以变成 \(\ce{SO4^2-}\)，但这是经过两次质子转移完成的：

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

所以共轭对是 \(\ce{H2SO4/HSO4^-}\) 和 \(\ce{HSO4^-/SO4^2-}\)，而不是 \(\ce{H2SO4/SO4^2-}\)。

03如何写出质子转移方程式

当题目给出两个反应物种时，不要一开始就猜生成物。先判断谁会给出质子、谁会接受质子。

一个实用的方法是：

1. 找出质子提供者。移去一个 \(\mathrm{H}^{+}\)，得到它的共轭碱。
2. 找出质子接受者。加入一个 \(\mathrm{H}^{+}\)，得到它的共轭酸。
3. 把这些共轭物种写在生成物一侧。
4. 检查原子数和总电荷是否都守恒。

处理多原子离子时，电荷检查尤其有用。

假设一种酸的电荷为 \(q\)。失去 \(\mathrm{H}^{+}\) 后，其共轭碱的电荷为 \(q-1\)。

假设一种碱的电荷为 \(q\)。得到 \(\mathrm{H}^{+}\) 后，其共轭酸的电荷为 \(q+1\)。

\(\mathrm{H}^{+}\) 在水中会怎样？

你常会听到「酸在水中产生 \(\mathrm{H}^{+}\)」这种说法。这是很有用的简写，但一个裸露的质子并不会在水溶液中单独存在。

水会接受这个质子，形成水合氢离子 \(\ce{H3O+}\)：

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

所以，在水溶液中写出明确的质子转移方程式时，通常更清楚的做法是直接表示质子被转移到另一个物种，而不是在生成物一侧留下游离的 \(\mathrm{H}^{+}\)。

04酸和碱是角色，不是永久标签

一个很吸引人的捷径，是把某个物种直接背成「酸」或「碱」。这种方法有时有效，但很快就会遇到问题。

以碳酸氢根 \(\ce{HCO3^-}\) 为例。

它可以失去一个质子：

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

在这里，\(\ce{HCO3^-}\) 是酸。

但它也可以得到一个质子：

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

在这里，\(\ce{HCO3^-}\) 是碱。

能够同时提供和接受质子的物种称为两性质子物种。

水是另一个重要例子。与氨反应时，水提供一个质子：

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

所以水充当酸。

与 \(\ce{HCl}\) 这类酸反应时，水会接受一个质子：

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

这时水充当碱。

两者并不矛盾。「酸」和「碱」描述的是一个物种在某一次特定质子转移反应中正在做甚么。

05最容易造成配对错误的迷思

假设你看到：

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

学生可能会把 \(\ce{HA}\) 和 \(\ce{B}\) 配成一对，因为它们正是互相反应的酸和碱。

但这并不是「共轭对」的意思。

酸碱反应的反应物是：

• 酸：\(\ce{HA}\)
• 碱：\(\ce{B}\)

真正的共轭对则是：

• \(\ce{HA/A^-}\)，因为 \(\ce{HA}\) 失去一个质子后变成 \(\mathrm{A}^{-}\)
• \(\ce{HB+/B}\)，因为 \(\ce{B}\) 得到一个质子后变成 \(\ce{HB+}\)

所以，当题目要求你辨认共轭对时，不要因为两个物种写在一起就把它们配对。应该把每个物种与它经过一个质子变化后的版本配对。

一个可靠的问题是：

如果我恰好加入或移去一个 \(\mathrm{H}^{+}\)，会不会得到另一个物种？

如果会，你很可能找到了一组共轭对。接著再检查电荷。

能够辨认这些共轭对，会令酸碱平衡容易理解得多，因为酸的强度和平衡方向都取决于酸与其共轭碱之间的关系。这种关系会在 pH 与酸碱强度：HSC 化学解析 中进一步说明。当你由方程式进一步研究实际溶液时，酸和碱的 pH 测量：HSC 化学指南 会说明这些化学概念如何在实际测量中呈现。

06问题与解答

问题 1

考虑以下反应：

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

辨认布仑斯特－罗里酸、布仑斯特－罗里碱、共轭酸、共轭碱，以及两组共轭酸碱对。

解答 1

酸是 \(\ce{HNO3}\)，碱是 \(\ce{H2O}\)，共轭碱是 \(\ce{NO3^-}\)，而共轭酸是 \(\ce{H3O+}\)。

追踪质子。

\(\ce{HNO3}\) 失去一个 \(\mathrm{H}^{+}\)：

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

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

水得到这个质子：

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

所以 \(\ce{H2O}\) 是碱，而 \(\ce{H3O+}\) 是它的共轭酸。

因此，两组共轭酸碱对是：

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

以及

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

一个很容易犯的错误，是因为 \(\ce{HNO3}\) 和 \(\ce{H2O}\) 是互相反应的酸和碱，就把它们配成一对。它们确实是反应伙伴，但共轭伙伴彼此之间必须恰好只相差一个质子。

问题 2

某个水溶液中的质子转移反应可表示为：

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

物种 \(X\) 含有一个磷原子和四个氧原子。

判定 \(X\) 的化学式和电荷。然后辨认酸、碱、共轭酸、共轭碱，以及两组共轭对。

解答 2

\(X\) 是 \(\ce{HPO4^2-}\)，而且它充当碱。

先由水的变化开始。\(\ce{H2O}\) 变成 \(\ce{OH^-}\)，所以水失去了一个质子：

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

因此，水是酸，而 \(\ce{OH^-}\) 是它的共轭碱。

失去的质子必须由 \(X\) 接受。生成物是 \(\ce{H2PO4^-}\)，所以从它移去刚刚接受的质子，就可以找出原来的物种：

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

因此，

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

而完整方程式为：

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

检查电荷可以确认这个结果。

左侧：

\[
-2+0=-2
\]

右侧：

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

所以电荷守恒。

两组共轭对是：

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

以及

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

一个很容易走错的思路，是看到 \(\ce{H2PO4^-}\) 的化学式以 H 开头，就假设它一定是酸。这里它是共轭酸，因为它从水得到了一个质子。真正决定其角色的是实际质子转移的方向。

问题 3

硫酸可以分两个阶段失去它的两个酸性质子：

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

以及

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

对每条方程式：

1. 辨认两组共轭酸碱对，以及
2. 说明 \(\ce{HSO4^-}\) 的角色。

然后解释为甚么 \(\ce{H2SO4}\) 和 \(\ce{SO4^2-}\) 不是一组共轭酸碱对。

解答 3

第一个反应中的共轭对是 \(\ce{H2SO4/HSO4^-}\) 和 \(\ce{H3O+/H2O}\)；第二个反应中的共轭对则是 \(\ce{HSO4^-/SO4^2-}\) 和 \(\ce{H3O+/H2O}\)。\(\ce{HSO4^-}\) 在第一个反应中是共轭碱，但在第二个反应中充当酸。

在第一条方程式中，

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

表示 \(\ce{H2SO4}\) 失去一个质子。因此：

• \(\ce{H2SO4}\) 是酸，
• \(\ce{HSO4^-}\) 是它的共轭碱，
• \(\ce{H2O}\) 是碱，而
• \(\ce{H3O+}\) 是它的共轭酸。

在第二条方程式中，

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

表示 \(\ce{HSO4^-}\) 再失去一个质子。因此：

• \(\ce{HSO4^-}\) 现在是酸，
• \(\ce{SO4^2-}\) 是它的共轭碱，
• \(\ce{H2O}\) 是碱，而
• \(\ce{H3O+}\) 是它的共轭酸。

重点是，\(\ce{HSO4^-}\) 的角色取决于所考虑的反应。在第一个反应中，它是在一种酸失去 \(\mathrm{H}^{+}\) 后形成的，所以它是共轭碱。在第二个反应中，它提供 \(\mathrm{H}^{+}\)，所以它是酸。

\(\ce{H2SO4}\) 和 \(\ce{SO4^2-}\) 不是共轭对，因为它们相差两个质子：

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

一个很吸引人的错误论点，是认为既然其中一个最终可以形成另一个，它们就必定是共轭物种。但「只相差一个质子」这个条件更严格：共轭物种必须能透过一次质子转移互相连接，而不是两次。

问题 4

碳酸氢根可以参与以下两个水溶液中的质子转移反应：

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

以及

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

有学生认为，至少其中一条方程式的标示一定有错，因为 \(\ce{HCO3^-}\) 不可能同时既是酸又是碱。

评估这名学生的说法。对两条方程式，辨认 \(\ce{HCO3^-}\) 的角色，并列出共轭酸碱对。然后说明，如果考试题目只给你 \(\ce{HCO3^-}\) 的化学式，没有提供任何反应，你可以得出甚么结论。

解答 4

两条方程式都是有效的质子转移方程式，而 \(\ce{HCO3^-}\) 可以充当酸或碱，因为它是两性质子物种。

在第一条方程式中，

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

\(\ce{HCO3^-}\) 变成 \(\ce{CO3^2-}\)。它失去了一个质子：

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

所以 \(\ce{HCO3^-}\) 充当酸。

水接受这个质子并变成 \(\ce{H3O+}\)，所以水充当碱。

共轭对是：

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

以及

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

在第二条方程式中，

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

\(\ce{HCO3^-}\) 变成 \(\ce{H2CO3}\)。它得到了一个质子：

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

所以 \(\ce{HCO3^-}\) 现在充当碱。

水失去质子并变成 \(\ce{OH^-}\)，所以水充当酸。

共轭对是：

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

以及

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

这并不矛盾。酸和碱是某一次特定质子转移中的角色，而不是永久附在化学式上的标签。

如果只给出 \(\ce{HCO3^-}\)，没有提供任何反应，你不能唯一地把它标示为「酸」或「碱」。你可以说它是两性质子物种，并且视乎与它反应的物种，可以扮演其中任何一种角色。

一个很容易犯的错误，是为每个物种死记一个固定分类。真正令答案改变的条件，是质子的实际移动方向：失去 \(\mathrm{H}^{+}\) 时，\(\ce{HCO3^-}\) 是酸；得到 \(\mathrm{H}^{+}\) 时，它就是碱。

问题 5

考虑以下水溶液中的质子转移平衡：

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

有学生认为：

「只有一种生成物化学式，所以只可能有一组共轭酸碱对。」

检验这项说法。

辨认质子提供者和质子接受者，辨认两组共轭酸碱对，并解释 \(\ce{HCO3^-}\) 如何在同一条方程式中出现在两种不同的共轭角色中。

最后，假设所有粒子都完全没有标记。单凭 \(\ce{HCO3^-}\) 的化学式，能否判断某一个特定生成物粒子来自原来的 \(\ce{H2CO3}\)，还是原来的 \(\ce{CO3^2-}\)？

解答 5

这名学生的说法不正确：虽然两个生成物粒子的化学式都是 \(\ce{HCO3^-}\)，但仍然存在两组共轭酸碱关系，即 \(\ce{H2CO3/HCO3^-}\) 和 \(\ce{HCO3^-/CO3^2-}\)。

先追踪质子。

碳酸可以提供一个质子：

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

所以 \(\ce{H2CO3}\) 是质子提供者，因此是酸。由它形成的 \(\ce{HCO3^-}\) 是它的共轭碱。

与此同时，碳酸根接受这个质子：

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

所以 \(\ce{CO3^2-}\) 是质子接受者，因此是碱。由它形成的 \(\ce{HCO3^-}\) 是它的共轭酸。

因此，两组关系是：

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

以及

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

这看起来有点奇怪，因为同一个化学式 \(\ce{HCO3^-}\) 出现在两组关系中。但「共轭酸」和「共轭碱」描述的是两个物种之间的关系，而不是永久附在某个化学式上的标签。

相对于 \(\ce{H2CO3}\)，\(\ce{HCO3^-}\) 是移去一个质子后剩下的物种，所以它是共轭碱。

相对于 \(\ce{CO3^2-}\)，\(\ce{HCO3^-}\) 是加入一个质子后形成的物种，所以它是共轭酸。

两个生成物粒子碰巧具有相同的化学式，因为起始的酸和碱分别位于同一个中间物种多一个质子和少一个质子的位置：

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

如果这些粒子没有标记，单凭 \(\ce{HCO3^-}\) 的化学式，无法判断某一个特定的碳酸氢根离子原先来自哪一种起始粒子。一旦形成，就化学式和电荷而言，两者都是同一种化学物种。

这正是这道题的关键。很容易误以为「共轭酸」和「共轭碱」是某个物种必须永远带著的性质。实际上，它们是描述关系的用语。同一个物种可以是一种酸的共轭碱，同时也是另一种碱的共轭酸。

一旦掌握这个概念，下一个有用的问题就不只是哪些质子转移是可能的，而是酸碱平衡较倾向哪一个方向。要回答这个问题，需要比较各种酸及其共轭碱的强度，而不是改变共轭对本身的判定规则。