酸与碱在水中解离的离子方程式
学习如何写出强酸、弱酸、碱、多元酸及两性质子物种在水中的离子方程式。内容包括例题详解及具挑战性的 HSC 类型试题。
将 0.10 mol L\(^{-1}\) 的盐酸与 0.10 mol L\(^{-1}\) 的乙酸放在一起比较。两者都含有氢，两者也都是酸。然而，盐酸产生的 \(\ce{H3O+}\) 浓度却高得多。究竟是甚么造成了这个差异？
在继续阅读之前，先预测哪一条方程式应使用单向箭头，哪一条应使用平衡箭头。这个看似微不足道的箭头选择，其实蕴含重要的化学意义：它告诉我们，质子转移至水的反应究竟是几乎完全进行，还是只进行了一部分。
01酸的方程式实际上表示甚么？
我们很容易把酸想像成只是释放出一个 \(\mathrm{H}^{+}\) 离子：
\[ \ce{HA -> H+ + A-} \]
这种简写方式虽然有用，却隐藏了重要的过程。在水中，质子实际上会转移至水分子。我们通常将产物表示为水合氢离子（hydronium ion），即 \(\ce{H3O+}\)：
\[ \ce{HA(aq) + H2O(l) -> H3O+(aq) + A-(aq)} \]
在这条方程式中：
- \(\ce{HA}\) 代表一种酸，
- \(\ce{H2O}\) 接受质子，
- \(\ce{H3O+}\) 是水合氢离子，
- \(\mathrm{A}^{-}\) 是酸捐出 \(\mathrm{H}^{+}\) 后剩下的粒子。
你可以把质子转移想像成一场有点尴尬的关系交接。\(\ce{HA}\) 原本带著 \(\mathrm{H}^{+}\) 一起出现，水接收了这个质子，而 \(\mathrm{A}^{-}\) 则失去它，独自离开。不过，这个比喻到此为止：分子并不会自行选择伴侣，质子转移是由能量因素及化学平衡所控制，而不是由谁的感情受到伤害来决定。
这条方程式实际上就是质子转移过程的记录。
这里还有一个值得注意的术语区别。像 \(\ce{HCl}\) 和 \(\ce{CH3COOH}\) 这类分子酸，在水中严格来说会发生电离（ionisation），因为原本不带电的分子会形成离子。像 \(\ce{NaOH}\) 这类离子化合物则会发生解离（dissociation），因为原本已存在于固体中的离子会在水中分离。在学校化学课程中，你有时也会看到「酸的解离」这种较宽松的用法。
02强酸与弱酸需要使用不同的箭头
假设我们把盐酸加入水中。几乎每一个 \(\ce{HCl}\) 分子都会把质子转移给水：
\[ \ce{HCl(aq) + H2O(l) -> H3O+(aq) + Cl-(aq)} \]
单向箭头表示电离几乎完全进行。
现在比较乙酸：
\[ \ce{CH3COOH(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + CH3COO-(aq)} \]
在任何一个时刻，都只有部分乙酸分子发生电离。正向反应和逆向反应都会进行，因此我们使用平衡箭头。
由此可以得出一个实用的判断准则：
| 物种 | 在水中会发生甚么？ | 典型方程式 |
|---|---|---|
| 强分子酸 | 几乎完全电离 | \(\ce{HA + H2O -> H3O+ + A-}\) |
| 弱分子酸 | 部分电离 | \(\ce{HA + H2O <=> H3O+ + A-}\) |
| 可溶性离子氢氧化物 | 原本存在的离子互相分离 | \(\ce{MOH -> M+ + OH-}\) |
| 弱分子碱 | 从水中接受质子 | \(\ce{B + H2O <=> BH+ + OH-}\) |
这也是为甚么不能把「强」和「浓」当作同义词。「强弱」描述物质在水中电离或与水反应的程度；「浓度」则表示每单位体积中加入了多少溶质。你可以在强酸与弱酸、浓酸与稀酸及碱的区别进一步了解这个差异。
03并非所有碱都以相同方式产生氢氧根离子
先考虑氢氧化钠。它是一种离子固体，本身已含有 \(\mathrm{Na}^{+}\) 和 \(\ce{OH-}\) 离子。
当它溶解时：
\[ \ce{NaOH(s) -> Na+(aq) + OH-(aq)} \]
这个过程不需要透过质子转移来产生氢氧根离子。固体只是分离成其组成离子。
现在预测氨 \(\ce{NH3}\) 在水中会发生甚么。氨不含氧，因此显然不可能释放原本已存在的 \(\ce{OH-}\) 离子。
相反，氨会从水中接受一个质子：
\[ \ce{NH3(aq) + H2O(l) <=> NH4+(aq) + OH-(aq)} \]
水失去 \(\mathrm{H}^{+}\)，变成 \(\ce{OH-}\)；氨则获得 \(\mathrm{H}^{+}\)，变成 \(\ce{NH4+}\)。
这条方程式解释了单看 \(\ce{NH3}\) 的化学式无法得知的一件事：一种物质不一定要含有 \(\ce{OH-}\)，才能表现出碱的性质。
例题详解：写出乙酸在水中的反应方程式
写出一条方程式，表示乙酸 \(\ce{CH3COOH}\) 在水中的行为。
步骤 1
乙酸可以捐出其 \(\ce{-COOH}\) 基团中的氢。失去质子后，剩下的物种是乙酸根离子 \(\ce{CH3COO-}\)。
步骤 2
水接受 \(\mathrm{H}^{+}\)，形成 \(\ce{H3O+}\)。
步骤 3
乙酸是弱酸，因此只会部分电离：
\[ \ce{CH3COOH(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + CH3COO-(aq)} \]
平衡箭头并非可有可无的装饰。它告诉我们，溶液中仍然存在不可忽略数量的 \(\ce{CH3COOH}\) 及其离子。
例题详解：解释氨如何使溶液呈碱性
写出氨溶于水时的相关方程式，并解释为甚么溶液会呈碱性。
步骤 1
氨根本不含这个基团。应将氨视为质子接受体。
步骤 2
当 \(\ce{NH3}\) 接受 \(\mathrm{H}^{+}\) 时，它会变成 \(\ce{NH4+}\)。水则变成 \(\ce{OH-}\)：
\[ \ce{NH3(aq) + H2O(l) <=> NH4+(aq) + OH-(aq)} \]
步骤 3
这个反应会提高 \(\ce{OH-}\) 的浓度，因此溶液会呈碱性。
由于氨是弱碱，反应不会完全向右进行。相当一部分氨仍然以 \(\ce{NH3}\) 的形式存在。
这也是共轭酸碱对之间的质子转移关系。如果你仍然觉得这些酸碱对的概念难以掌握，可以参阅共轭酸碱对与质子转移。
04多元酸会逐个失去质子
一元酸的每个分子可以捐出一个质子。二元酸则可以捐出两个质子。
一个常见的陷阱，是把两个质子一次过移除，写成单一步骤：
\[ \ce{H2A + 2H2O -> 2H3O+ + A^2-} \]
这条方程式在整体上可能符合配平要求，却隐藏了实际的酸碱化学过程。质子转移是分阶段进行的。
对于一般的二元酸，第一阶段是：
\[ \ce{H2A(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + HA-(aq)} \]
接著，\(\ce{HA-}\) 仍然可以捐出另一个质子：
\[ \ce{HA-(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + A^2-(aq)} \]
留意第一步之后发生了甚么。酸失去质子后变成带负电的离子。要从一个已带负电的离子再移除一个带正电的质子，通常在能量上较不利，因此后续各阶段的电离程度一般会逐渐降低。
硫酸是一个重要的例子。在水溶液中，它的第一个质子几乎完全转移给水：
\[ \ce{H2SO4(aq) + H2O(l) -> H3O+(aq) + HSO4-(aq)} \]
但第二个质子不会完全转移：
\[ \ce{HSO4-(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + SO4^2-(aq)} \]
因此，如果只写一条方程式，暗示每个 \(\ce{H2SO4}\) 分子都会立即产生两个水合氢离子，就会忽略一个重要的化学事实。
例题详解：写出碳酸的两个电离阶段
碳酸 \(\ce{H2CO3}\) 是一种弱二元酸。写出它在水中的两个酸电离方程式。
步骤 1
水接受质子，留下碳酸氢根离子：
\[ \ce{H2CO3(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + HCO3-(aq)} \]
步骤 2
碳酸氢根离子 \(\ce{HCO3-}\) 可以再失去一个质子：
\[ \ce{HCO3-(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + CO3^2-(aq)} \]
步骤 3
在第二条方程式中，左边的总电荷是 \(-1\)。右边的总电荷是 \(+1 + (-2) = -1\)。因此，电荷守恒。
两条方程式都使用平衡箭头，因为两个电离阶段都属于弱电离。
第二条方程式还揭示了一件有趣的事：\(\ce{HCO3-}\) 可以捐出质子。但在其他反应中，它也可以接受质子。这使碳酸氢根离子成为两性质子物种（amphiprotic species）。
05四项检查，助你找出大部分方程式错误
在确认一条酸碱方程式正确之前，应检查以下四点。
1. 质子有转移到其他地方吗？
写成
\[ \ce{HCl -> H+ + Cl-} \]
虽然是一种方便的简写方式，但如果题目要求描述在水中发生的反应，更完整的质子转移方程式应是：
\[ \ce{HCl + H2O -> H3O+ + Cl-} \]
2. 箭头是否与酸碱强度相符？
不要仅仅因为「所有反应在某种程度上都是可逆的」，就为强一元酸使用平衡箭头。在 HSC 程度的化学中，方程式应清楚表达主要的化学过程。
同样地，不要为弱酸或弱碱使用单向箭头。
3. 原子和电荷是否守恒？
考虑：
\[ \ce{H2CO3 + H2O <=> H3O+ + HCO3-} \]
方程式两边的总电荷都是零。
对于：
\[ \ce{Ca(OH)2(s) -> Ca^2+(aq) + 2OH-(aq)} \]
右边的总电荷是 \(+2 + 2(-1)=0\)，与不带电的固体相符。
\(\ce{OH-}\) 前面的系数 2 非常重要。
4. 你有区分解离与质子转移吗？
对于氢氧化钠：
\[ \ce{NaOH(s) -> Na+(aq) + OH-(aq)} \]
对于氨：
\[ \ce{NH3(aq) + H2O(l) <=> NH4+(aq) + OH-(aq)} \]
两者都会产生碱性溶液，但作用机制并不相同。
当盐类含有本身也能与水反应的离子时，这个区别尤其重要。
06题目与解答
题目 1
硝酸 \(\ce{HNO3}\) 是一种强一元酸。
写出它在水中的电离方程式，并指出所形成的共轭碱。
解答 1
硝酸几乎完全电离，形成水合氢离子和硝酸根离子：
\[ \ce{HNO3(aq) + H2O(l) -> H3O+(aq) + NO3-(aq)} \]
其共轭碱是 \(\ce{NO3-}\)。
\(\ce{HNO3}\) 向水捐出一个质子，因此水变成 \(\ce{H3O+}\)。硝酸失去该质子后，便变成 \(\ce{NO3-}\)。
一个容易犯的错误，是因为酸碱反应可能具有可逆性，就使用平衡箭头。然而，在 HSC 化学方程式中，单向箭头表明硝酸是强酸，而且它在水中的电离几乎完全进行。
题目 2
配制两种溶液，两者的初始溶质浓度相同。
溶液 A 含有 \(\ce{NaOH}\)。溶液 B 含有 \(\ce{NH3}\)。
分别写出两种溶液中产生 \(\ce{OH-}\) 的过程所对应的方程式。解释为甚么相同的初始浓度不代表两者在平衡时具有相同的 \(\ce{OH-}\) 浓度。
解答 2
\(\ce{NaOH}\) 透过离子解离提供氢氧根离子，而 \(\ce{NH3}\) 则透过与水发生部分反应来产生氢氧根离子。
对于氢氧化钠：
\[ \ce{NaOH(s) -> Na+(aq) + OH-(aq)} \]
对于氨：
\[ \ce{NH3(aq) + H2O(l) <=> NH4+(aq) + OH-(aq)} \]
像 \(\ce{NaOH}\) 这类可溶性强碱几乎完全解离。因此，每摩尔溶解的 \(\ce{NaOH}\) 大约会产生一摩尔 \(\ce{OH-}\)。
氨是弱碱。只有部分氨分子会从水中接受质子，因此在平衡时，\(\ce{OH-}\) 的浓度远低于氨的初始浓度。
一个容易出错的思路，是看到两种溶液的初始浓度相同，就断定它们的 \(\ce{OH-}\) 浓度必然相同。这忽略了碱的强弱。浓度告诉我们加入了多少溶质；强弱则决定物质透过相关酸碱过程形成离子的程度。
题目 3
一名学生为硫酸写出以下方程式：
\[ \ce{H2SO4(aq) + 2H2O(l) -> 2H3O+(aq) + SO4^2-(aq)} \]
方程式中的原子数目及电荷均已配平。
解释为甚么这条方程式仍未能完整描述硫酸在水中的行为，并以两条能提供更多化学资讯的方程式取代它。
解答 3
硫酸应以两个连续的质子转移阶段表示，因为第一次电离几乎完全进行，而第二次电离只会部分进行。
第一阶段是：
\[ \ce{H2SO4(aq) + H2O(l) -> H3O+(aq) + HSO4-(aq)} \]
第二阶段是：
\[ \ce{HSO4-(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + SO4^2-(aq)} \]
学生所写的方程式通过了基本的配平检查，因此看起来很有说服力。但问题出在化学意义，而不是数学计算。
它暗示两个质子都会完全转移。实际上，\(\ce{HSO4-}\) 本身也是一种酸，但它的进一步电离并不完全。第二条方程式中的平衡箭头正好反映了这个差异。
因此，配平是必要条件，但并不足够。一条在化学上正确的方程式，还必须准确表示反应进行的程度及先后次序。
题目 4
乙酸会建立以下平衡：
\[ \ce{CH3COOH(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + CH3COO-(aq)} \]
然后，向溶液中加入少量氢氧化钠。
一名学生认为，唯一相关的离子方程式是：
\[ \ce{H3O+(aq) + OH-(aq) -> 2H2O(l)} \]
另一名学生则写出：
\[ \ce{CH3COOH(aq) + OH-(aq) -> CH3COO-(aq) + H2O(l)} \]
哪一条方程式更能描述加入的氢氧根离子与弱酸之间的整体反应？解释两条方程式如何与原本的酸电离平衡互相关联。
解答 4
更能描述整体反应的净离子方程式是：
\[ \ce{CH3COOH(aq) + OH-(aq) -> CH3COO-(aq) + H2O(l)} \]
水合氢离子的中和反应确实会发生：
\[ \ce{H3O+(aq) + OH-(aq) -> 2H2O(l)} \]
然而，弱乙酸溶液中大部分是未电离的 \(\ce{CH3COOH}\)，而不是含有与乙酸初始浓度相等的 \(\ce{H3O+}\)。
当加入的 \(\ce{OH-}\) 消耗 \(\ce{H3O+}\) 时，以下平衡
\[ \ce{CH3COOH + H2O <=> H3O+ + CH3COO-} \]
会向右移动作出回应。更多 \(\ce{CH3COOH}\) 会电离，以补充部分被消耗的 \(\ce{H3O+}\)。
将这个质子转移平衡与水合氢离子的中和反应结合，就得到整体方程式：
\[ \ce{CH3COOH + OH- -> CH3COO- + H2O} \]
一个容易犯的错误，是把最初存在的 \(\ce{H3O+}\) 数量，当作可参与反应的酸的总量。对弱酸而言，大部分酸最初仍以分子形式存在，但随著产物被移除，它可以进一步电离。因此，电离平衡与中和反应不能视为互不相关的事件。
题目 5
将碳酸氢钠 \(\ce{NaHCO3}\) 溶于水中。最终溶液呈弱碱性。
一名学生提出以下解释：
「\(\ce{NaHCO3}\) 是一种碱，所以当它解离时，一定会释放 \(\ce{OH-}\)。」
另一名学生写出：
\[ \ce{NaHCO3 -> Na+ + H+ + CO3^2-} \]
评估这两种解释。写出描述实际发生过程所需的方程式，包括显示为甚么 \(\ce{HCO3-}\) 既可以表现为酸，也可以表现为碱的方程式。根据溶液呈碱性的观察结果，判断哪一种行为的影响较大。
解答 5
两种解释都未能正确描述当中的化学过程：\(\ce{NaHCO3}\) 首先解离成 \(\mathrm{Na}^{+}\) 和 \(\ce{HCO3-}\)，然后碳酸氢根离子会与水发生酸碱反应。在这个溶液中，它接受质子的行为具有较大的整体影响。
首先，离子固体发生解离：
\[ \ce{NaHCO3(s) -> Na+(aq) + HCO3-(aq)} \]
这条方程式并没有出现氢氧根离子。第一名学生的错误，是假设所有碱都必须含有并释放 \(\ce{OH-}\)。事实上，就像氨不需要本身含有 \(\ce{OH-}\)，也能形成碱性溶液一样。
碳酸氢根离子可以从水中接受一个质子：
\[ \ce{HCO3-(aq) + H2O(l) <=> H2CO3(aq) + OH-(aq)} \]
在这个反应中，\(\ce{HCO3-}\) 充当碱。产生的 \(\ce{OH-}\) 解释了观察到的碱性。
但是，\(\ce{HCO3-}\) 也可以捐出一个质子：
\[ \ce{HCO3-(aq) + H2O(l) <=> CO3^2-(aq) + H3O+(aq)} \]
在这个反应中，同一个离子充当酸。
最终溶液呈碱性的观察结果告诉我们，在这些条件下，接受质子的行为对水合氢离子与氢氧根离子之间的平衡有较大的影响。
第二名学生所写的方程式：
\[ \ce{NaHCO3 -> Na+ + H+ + CO3^2-} \]
特别容易令人误以为正确，因为它的原子数目和电荷都可以配平。但它错误地把两种不同的过程合并在一起。碳酸氢钠首先分离成原本已存在的离子。之后任何涉及 \(\ce{HCO3-}\) 的质子转移，都是透过与水的相互作用发生，而不是直接向溶液释放游离质子。
更深一层的重点是：一条方程式并不会仅仅因为配平正确，就代表它在化学上正确。它还必须显示实际存在的粒子，以及将这些粒子连系起来的化学过程。
这正是两性质子物种的核心概念：同一个粒子可以在某个质子转移反应中充当酸，在另一个反应中则充当碱。下一个值得学习的重点，是如何判断碳酸氢盐等盐类的哪一种行为占主导地位；你可以在两性质子盐与离子方程式中进一步了解。