HSC 化學中的 Arrhenius 酸鹼理論
了解 Arrhenius 理論如何在水溶液中定義酸與鹼、如何從化學方程式辨認它們,以及這個模型有哪些適用限制。
一瓶氯化氫氣體和一瓶鹽酸都含有 \(\ce{HCl}\),但只有其中一種表現為 Arrhenius 酸。為甚麼?
差別在於水。
繼續閱讀前,先預測一下:如果乾燥的 \(\ce{HCl(g)}\) 含有氫,按照 Arrhenius 理論,它是否應該算是酸?
不是。Arrhenius 模型專門描述物質在水溶液中的行為。氯化氫溶於水並產生氫離子時,才成為 Arrhenius 酸。
這個小小的限制–在水中–正是 Arrhenius 酸鹼理論既實用又有所局限的關鍵。
01Arrhenius 理論解決的問題
假設你得到以下幾種水溶液中的物質:
- \(\ce{HCl(aq)}\)
- \(\ce{NaOH(aq)}\)
- \(\ce{NaCl(aq)}\)
三者都含有離子。因此,單純說「酸和鹼都是離子物質」並不可行。
我們需要一條更好的規則:每種物質進入水中時,會產生哪些離子?
鹽酸發生電離:
\[ \ce{HCl(aq) -> H+(aq) + Cl-(aq)} \]
氫氧化鈉發生解離:
\[ \ce{NaOH(aq) -> Na+(aq) + OH-(aq)} \]
氯化鈉也會解離:
\[ \ce{NaCl(aq) -> Na+(aq) + Cl-(aq)} \]
現在,重要的規律就很清楚了。酸產生 \(\mathrm{H}^{+}\)。鹼產生 \(\ce{OH-}\)。氯化鈉兩者都不會產生。
這就是 Arrhenius 模型的核心概念。
02Arrhenius 的定義
Arrhenius 酸是溶於水時會產生氫離子 \(\mathrm{H}^{+}\) 的物質。
Arrhenius 鹼是溶於水時會產生氫氧根離子 \(\ce{OH-}\) 的物質。
例如:
\[ \ce{HNO3(aq) -> H+(aq) + NO3-(aq)} \]
硝酸是 Arrhenius 酸,因為它在水溶液中會產生 \(\mathrm{H}^{+}\)。
另一方面:
\[ \ce{KOH(aq) -> K+(aq) + OH-(aq)} \]
氫氧化鉀是 Arrhenius 鹼,因為它會產生 \(\ce{OH-}\)。
一個有用的初步思考模型,是想像把不同物質投入游泳池中。Arrhenius 理論幾乎不理會該物質的其他特徵,只問一個問題:把它放進水中,會增加 \(\mathrm{H}^{+}\) 還是 \(\ce{OH-}\)?
這幅圖像很有用,但並不完整。酸並不是真的釋放出裸露的質子,讓它們單獨漂浮在水中。
03\(\ce{H+(aq)}\) 實際上代表甚麼?
氫離子本質上就是一個質子。在水中,裸露的質子會受到水分子上孤對電子的強烈吸引,因此更準確的酸性行為表示方式,是使用水合氫離子 \(\ce{H3O+}\)。
以鹽酸為例:
\[ \ce{HCl(aq) + H2O(l) -> H3O+(aq) + Cl-(aq)} \]
因此,當 HSC Chemistry 的方程式使用 \(\ce{H+(aq)}\) 時,可把它視為由水攜帶的酸性質子的一種方便簡寫。
所以你可能會看到:
\[ \ce{HCl(aq) -> H+(aq) + Cl-(aq)} \]
以及
\[ \ce{HCl(aq) + H2O(l) -> H3O+(aq) + Cl-(aq)} \]
第二種表示方式更貼近水溶液中實際發生的情況。
04電離和解離並不完全相同
在書寫方程式時,區分這兩者很有用。
像氫氧化鈉這樣的離子固體,本身已經含有 \(\mathrm{Na}^{+}\) 和 \(\ce{OH-}\) 離子。水只是把這些離子分開:
\[ \ce{NaOH(s) -> Na+(aq) + OH-(aq)} \]
這就是解離。
氯化氫在進入水中之前是分子物質。它與水的相互作用會產生離子:
\[ \ce{HCl(g) + H2O(l) -> H3O+(aq) + Cl-(aq)} \]
這就是電離。
對 Arrhenius 理論來說,重要的結果仍然相同:酸性溶液中的 \(\ce{H3O+}\) 增加,而鹼性溶液中的 \(\ce{OH-}\) 增加。

05酸是否一定要含氫?
Arrhenius 酸需要在水中產生 \(\mathrm{H}^{+}\),所以你所遇到的典型 Arrhenius 酸確實會含有可電離的氫。
但僅僅在化學式中看到 H 並不足夠。
以甲烷 \(\ce{CH4}\) 為例。它含有四個氫原子。這是否就使它成為 Arrhenius 酸?
不是。甲烷不會在水中電離而產生 \(\mathrm{H}^{+}\)。
同樣地,乙醇也含有氫:
\[ \ce{C2H5OH} \]
但普通乙醇不會僅僅因為其化學式中含有 H,就表現為 Arrhenius 酸。
這條規則關乎的是在水中的行為,而不是單憑化學式的外觀來配對判斷。
06鹼的化學式是否一定要含有 \(\ce{OH}\)?
對這個程度所學的最簡單 Arrhenius 鹼而言,像 \(\ce{NaOH}\)、\(\ce{KOH}\) 和 \(\ce{Ba(OH)2}\) 這些氫氧化物都很符合這個模型,因為它們會解離並釋放 \(\ce{OH-}\)。
例如:
\[ \ce{Ba(OH)2(aq) -> Ba^2+(aq) + 2OH-(aq)} \]
如果完全解離,1 mol 的 \(\ce{Ba(OH)2}\) 會產生 2 mol 的氫氧根離子。
但這也揭示了最簡單 Arrhenius 模型的一項局限。氨 \(\ce{NH3}\) 明顯會形成鹼性溶液,儘管它的化學式完全不含 \(\ce{OH}\):
\[ \ce{NH3(aq) + H2O(l) <=> NH4+(aq) + OH-(aq)} \]
之所以形成氫氧根離子,是因為氨與水發生反應,而不是因為某個 \(\ce{OH-}\) 基團直接從氨中解離出來。
你可能會遇到更廣義的 Arrhenius 鹼描述:能增加水中 \(\ce{OH-}\) 濃度的物質。按照這種較廣的表述,氨也可以包括在內。然而,簡單的「金屬氫氧化物解離產生 \(\ce{OH-}\)」模型並不能解釋氨是如何表現為鹼的。
這正是化學之後會使用 Brønsted-Lowry 模型的原因之一。
07解題示例:辨認 Arrhenius 酸和鹼
一名學生把溴化氫 \(\ce{HBr}\) 和氫氧化鈣 \(\ce{Ca(OH)2}\) 分別溶於水中。使用 Arrhenius 理論為每種物質分類,並寫出支持該分類的方程式。
步驟 1
溴化氫在水中電離:
\[ \ce{HBr(aq) -> H+(aq) + Br-(aq)} \]
它會產生 \(\mathrm{H}^{+}\),所以是 Arrhenius 酸。
步驟 2
\[ \ce{Ca(OH)2(aq) -> Ca^2+(aq) + 2OH-(aq)} \]
它會產生 \(\ce{OH-}\),所以是 Arrhenius 鹼。
步驟 3
每個 \(\ce{Ca(OH)2}\) 化學式單位會產生兩個氫氧根離子。在計算濃度或中和反應中的物質的量時,這一點很重要。
這個結論不是因為名稱中出現了「酸」或「氫氧化物」這些字眼,而是根據物質在水溶液中所產生的離子得出的。
08使用 Arrhenius 模型處理濃度
一旦知道某種物質會產生多少個 \(\mathrm{H}^{+}\) 或 \(\ce{OH-}\) 離子,就可以把化學方程式與濃度連繫起來。
假設像 \(\ce{HCl}\) 這樣的強一元酸,其濃度為 \(0.0200\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
它的電離方程式為:
\[ \ce{HCl(aq) -> H+(aq) + Cl-(aq)} \]
莫耳比為 \(1:1\),所以完全電離時:
\[ [\mathrm{H}^{+}] = 0.0200\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
方括號表示「……的濃度」。
不要自動對每種酸或鹼都使用 \(1:1\) 的關係。比例由化學方程式決定。
解題示例:求氫氧根離子濃度
假設濃度為 \(0.0350\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的氫氧化鋇 \(\ce{Ba(OH)2}\) 溶液完全解離。求氫氧根離子的濃度。
步驟 1
\[ \ce{Ba(OH)2(aq) -> Ba^2+(aq) + 2OH-(aq)} \]
步驟 2
1 mol 的 \(\ce{Ba(OH)2}\) 會產生 2 mol 的 \(\ce{OH-}\)。
因此:
\[ [\ce{OH-}] = 2[\ce{Ba(OH)2}] \]
步驟 3
\[ [\ce{OH-}] = 2(0.0350\ \mathrm{mol\,L^{-1}}) = 0.0700\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
所以氫氧根離子的濃度為 \(0.0700\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
重點不只是「乘以 2」這個動作本身。化學方程式中的係數 2 告訴我們,所產生的氫氧根離子莫耳數,是發生解離的氫氧化鋇莫耳數的兩倍。
09為甚麼酸和鹼會互相中和
Arrhenius 理論也提供了一幅簡單的中和反應圖像。
酸提供 \(\mathrm{H}^{+}\)。鹼提供 \(\ce{OH-}\)。兩者混合時,這些離子會發生反應:
\[ \ce{H+(aq) + OH-(aq) -> H2O(l)} \]
例如:
\[ \ce{HCl(aq) + NaOH(aq) -> NaCl(aq) + H2O(l)} \]
\(\mathrm{Na}^{+}\) 和 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 離子仍留在溶液中,而 \(\mathrm{H}^{+}\) 和 \(\ce{OH-}\) 則形成水。
你可以把 \(\mathrm{H}^{+}\) 和 \(\ce{OH-}\) 想像成派對上兩個一碰面就立刻配對並離開舞池的人。其餘離子仍站在原地,極其精彩地完全沒有參與其中。用化學語言來說,這些沒有參與反應的離子就是旁觀離子。
這個比喻的局限在於,離子並不會作出選擇,而中和反應是一種由靜電作用涉及的化學過程,不是配對約會策略。
如果你想了解這種反應如何應用於實際情境,下一個有用的主題是日常生活與工業過程中的中和反應。
10Arrhenius 模型在哪些情況下不再適用得很好
科學模型之所以有用,是因為它簡化了現實。這也意味著你需要知道它的適用範圍。
Arrhenius 模型尤其適合描述水中常見的酸鹼反應:
| 情況 | 簡單的 Arrhenius 模型能否很好地處理? | 原因 |
|---|---|---|
| 水中的 \(\ce{HCl}\) | 可以 | 它會產生 \(\mathrm{H}^{+}\)/\(\ce{H3O+}\) |
| 水中的 \(\ce{NaOH}\) | 可以 | 它會解離並產生 \(\ce{OH-}\) |
| 水中的酸 + 金屬氫氧化物 | 可以 | \(\mathrm{H}^{+}\) 與 \(\ce{OH-}\) 反應 |
| 水溶液以外的酸鹼反應 | 不太能 | 此理論是以水溶液中的離子為基礎定義的 |
| \(\ce{NH3}\) 的鹼性行為 | 在最簡單的形式下只能勉強處理 | \(\ce{NH3}\) 並沒有可供解離的 \(\ce{OH-}\) |
| 涉及質子轉移但沒有 \(\ce{OH-}\) 的反應 | 不太能 | 此模型的範圍過於狹窄 |
這是一項重要的科學思維習慣:不要僅僅因為後來出現了更廣泛的模型,就否定原來的模型。
Arrhenius 理論能正確描述一大類非常實用的水溶液酸鹼反應。它只是無法描述化學家希望歸類為酸鹼化學的所有反應。
11最容易令人誤解的觀念:酸就是「含有 H」
想像兩種物質:
\[ \ce{HCl} \]
和
\[ \ce{CH4} \]
兩者都含有氫。只有其中一種在水中是 Arrhenius 酸。
為甚麼這種捷徑如此容易令人信服?化學式往往確實能提供物質行為的線索,而且許多常見酸的化學式都以 H 開頭。但這個定義並不是依照結構作出的,而是根據實驗和化學行為:當物質與水相互作用時,會產生哪些離子?
同樣的警告也適用於鹼。在化學式中看到 \(\ce{OH}\),對金屬氫氧化物而言可能是一個有用的線索,但最終的分類仍然取決於化學行為。
一個可靠的判斷流程是:
- 確認情況是在水溶液中。
- 判斷物質進入水中後會發生甚麼。
- 如果它會產生或增加 \(\mathrm{H}^{+}\)/\(\ce{H3O+}\),便表現出 Arrhenius 酸的行為。
- 如果它會產生或增加 \(\ce{OH-}\),便表現出 Arrhenius 鹼的行為。
- 如果某種物質表現為酸或鹼,但用這種描述顯得很牽強,Arrhenius 模型可能已經達到其適用極限。
12問題與解答
問題 1
一份氫氧化鉀溶液的濃度為 \(0.150\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
使用 Arrhenius 理論:
a. 把氫氧化鉀分類為酸或鹼,
b. 寫出其解離方程式,以及
c. 假設完全解離,求 \([\ce{OH-}]\)。
解答 1
氫氧化鉀是 Arrhenius 鹼,其氫氧根離子濃度為 \(0.150\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
其解離方程式為:
\[ \ce{KOH(aq) -> K+(aq) + OH-(aq)} \]
方程式顯示 \(\ce{KOH}\) 和 \(\ce{OH-}\) 之間的莫耳比為 \(1:1\)。
因此:
\[ [\ce{OH-}] = [\ce{KOH}] = 0.150\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
一個很容易犯的錯誤,是僅僅因為 \(\ce{KOH}\) 的化學式以 OH 結尾,就稱它為鹼。這個線索在這裡確實適用,但根據 Arrhenius 理論,它真正被歸類為鹼的原因,是它在水溶液中會產生氫氧根離子。
問題 2
一名學生配製了 \(250.0\ \mathrm{mL}\) 的 \(0.0400\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 氫氧化鈣 \(\ce{Ca(OH)2}\) 溶液,並假設其完全解離。
a. 計算其中 \(\ce{Ca(OH)2}\) 的物質的量,以 mol 表示。
b. 計算所產生的 \(\ce{OH-}\) 的物質的量。
c. 求 \([\ce{OH-}]\)。
d. 解釋為甚麼氫氧根離子的濃度不等於原本氫氧化鈣的濃度。
解答 2
溶液中含有 \(0.0100\ \mathrm{mol}\) 的 \(\ce{Ca(OH)2}\),會產生 \(0.0200\ \mathrm{mol}\) 的 \(\ce{OH-}\),因此 \([\ce{OH-}] = 0.0800\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
對於 a 部分,先把體積換算成公升:
\[ 250.0\ \mathrm{mL} = 0.2500\ \mathrm{L} \]
使用 \(n=cV\),其中 \(n\) 是以 mol 表示的物質的量,\(c\) 是以 \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\) 表示的濃度,而 \(V\) 是以公升表示的體積:
\[ n(\ce{Ca(OH)2}) =(0.0400\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(0.2500\ \mathrm{L}) =0.0100\ \mathrm{mol} \]
解離方程式為:
\[ \ce{Ca(OH)2(aq) -> Ca^2+(aq) + 2OH-(aq)} \]
對於 b 部分,1 mol 的 \(\ce{Ca(OH)2}\) 會產生 2 mol 的 \(\ce{OH-}\):
\[ n(\ce{OH-}) =2(0.0100\ \mathrm{mol}) =0.0200\ \mathrm{mol} \]
對於 c 部分:
\[ [\ce{OH-}] =\frac{0.0200\ \mathrm{mol}}{0.2500\ \mathrm{L}} =0.0800\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
對於 d 部分,兩者濃度不同,是因為每個氫氧化鈣化學式單位含有兩個氫氧根離子。因此,完全解離時,每 1 mol 的 \(\ce{Ca(OH)2}\) 會產生 2 mol 的 \(\ce{OH-}\)。
最容易採取但錯誤的做法,是直接照抄題目給出的 \(0.0400\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 濃度。這忽略了解離方程式中的化學計量係數。
問題 3
三個密封容器分別裝有:
- 容器 A:乾燥的 \(\ce{HCl(g)}\)
- 容器 B:溶於水中的 \(\ce{HCl}\)
- 容器 C:盡可能溶於水中的 \(\ce{CH4}\)
一名學生聲稱,三個容器都含有 Arrhenius 酸,因為列出的每種物質都含有氫。
評估這項說法。
解答 3
這項說法不正確:按照此模型,只有容器 B 明確含有 Arrhenius 酸。
在容器 B 中,氯化氫與水發生相互作用:
\[ \ce{HCl(aq) + H2O(l) -> H3O+(aq) + Cl-(aq)} \]
水合氫離子的濃度增加,因此 \(\ce{HCl}\) 表現出 Arrhenius 酸的行為。
容器 A 裝有乾燥的氯化氫氣體。Arrhenius 理論是以水溶液中的酸鹼行為來定義的,因此沒有水的情況超出了此模型通常的適用範圍。
容器 C 含有甲烷。雖然甲烷含有氫原子,但它不會在水中電離產生 \(\mathrm{H}^{+}\) 或 \(\ce{H3O+}\)。
容易令人誤入歧途的推理,是單憑化學式來分類物質。這種方法之所以失敗,是因為 Arrhenius 分類取決於物質在水中的行為,而不僅僅取決於其化學式中是否出現氫。
問題 4
測試兩種無色水溶液 X 和 Y。
溶液 X 是把 \(\ce{NaOH}\) 溶於水製成的。
溶液 Y 是把 \(\ce{NH3}\) 溶於水製成的。
測量結果顯示,兩種溶液所含的 \(\ce{OH-}\) 都比純水多。
一名學生主張:
「X 是 Arrhenius 鹼,但 Y 不可能是鹼,因為 \(\ce{NH3}\) 不含氧。」
另一名學生主張:
「按照 Arrhenius 理論,兩者的行為一定完全相同,因為兩種溶液都含有氫氧根離子。」
評估這兩項論點。你的答案必須區分 Arrhenius 理論能夠描述甚麼,以及它能夠很好地解釋甚麼。
解答 4
X 是一種典型的 Arrhenius 鹼,而 Y 則顯示出為甚麼最簡單的 Arrhenius 定義會變得牽強;兩名學生的論點都不完全令人滿意。
對於 X:
\[ \ce{NaOH(aq) -> Na+(aq) + OH-(aq)} \]
氫氧根離子本來就是該離子化合物的一部分,並透過解離釋放出來。這直接符合簡單的 Arrhenius 模型。
對於 Y:
\[ \ce{NH3(aq) + H2O(l) <=> NH4+(aq) + OH-(aq)} \]
氨會使氫氧根離子的濃度增加,即使 \(\ce{NH3}\) 既不含氧,也不含 \(\ce{OH}\) 基團。
第一名學生的論點之所以失敗,是因為單靠化學式不能決定酸鹼行為。不能僅僅因為 \(\ce{NH3}\) 的化學式中沒有氧,就否定它能形成鹼性水溶液這一觀察結果。
第二名學生的結論則走向了另一個極端。兩種物質並不是透過相同機制產生 \(\ce{OH-}\)。氫氧化鈉會直接解離,而氨則與水反應。
較廣義的 Arrhenius 表述–即鹼會增加水溶液中的 \([\ce{OH-}]\)–可以把兩者都分類為鹼。但是,簡單的 Arrhenius 圖像,即氫氧化物解離並釋放 \(\ce{OH-}\),對 X 的解釋遠比對 Y 自然。
這項局限促使我們採用 Brønsted-Lowry 模型。該模型以質子轉移為核心來描述氨,而不是要求原來的物質中必須含有氫氧根。
問題 5
一名學生得知未知物質 Q 有以下行為:
- 純 Q 不含 \(\ce{OH-}\) 離子。
- 當 Q 加入水中後,最終溶液的 \([\ce{OH-}]\) 比原來的水高。
- 當 Q 被放入非水溶劑中時,即使沒有氫氧根離子存在,它仍會與酸反應。
- 在非水溶劑中的反應涉及一個質子由酸轉移至 Q。
學生因此得出結論:
「Arrhenius 模型已被推翻,因為 Q 不含氫氧根也可以作為鹼。」
這項結論是否合理?解釋只使用 Arrhenius 理論時,可以和不可以對 Q 推論出甚麼,並指出若要用一個模型解釋這兩項觀察,需要作出甚麼概念上的改變。
解答 5
Arrhenius 模型並沒有被推翻;這些證據顯示的是,它的適用範圍過於狹窄,無法描述 Q 的全部鹼性行為。
在水中,Q 會增加 \([\ce{OH-}]\)。按照較廣義的 Arrhenius 描述,這項觀察可以支持把 Q 分類為水溶液中的鹼。不過,如果 Q 本身不含氫氧根離子,那麼簡單的解離圖像
\[ \ce{MOH(aq) -> M+(aq) + OH-(aq)} \]
就無法解釋其機制。
第二項觀察更具決定性。Q 在沒有氫氧根離子的非水溶劑中,也能作為鹼發生反應。Arrhenius 理論是以在水中產生 \(\mathrm{H}^{+}\) 和 \(\ce{OH-}\) 為基礎建立的,因此這項反應超出了其原本的適用範圍。
最容易得出的錯誤結論,是認為只要有一個反例,就能摧毀 Arrhenius 理論。這混淆了模型的適用範圍與它在該範圍內是否正確。Arrhenius 理論仍然可以準確描述以下反應:
\[ \ce{HCl(aq) + NaOH(aq) -> NaCl(aq) + H2O(l)} \]
Q 所揭示的是,「鹼」可以代表比「在水中產生氫氧根離子的物質」更廣泛的化學角色。
質子轉移這項觀察提供了所需的線索。更廣泛的模型可以把酸定義為質子供體,把鹼定義為質子受體。這正是 Brønsted-Lowry 理論所作出的核心轉變。
因此,重要的發展過程並不是「Arrhenius 錯了,所以把它換掉」,而是:
\[ \text{實用的水溶液模型} \rightarrow \text{辨認其適用邊界} \rightarrow \text{採用更廣泛的質子轉移模型} \]
下一個模型能夠解釋為甚麼像氨這樣的物質,即使本身不帶有 \(\ce{OH-}\) 基團,也能表現為鹼,以及為甚麼即使水不是溶劑,酸鹼反應仍然可以發生。