酸碱反应：质子转移与中和

一瓶标示为盐酸的溶液和一瓶标示为氢氧化钠的溶液，看起来同样平平无奇：都是两瓶透明溶液。不过，把适量的两者混合后，混合物会升温。这表示有反应发生了。

究竟是哪些粒子真正发生了变化？你可能会预测，两种溶液中的每一种离子都一定参与了反应。这听起来合理，但实际情况并非如此。钠离子和氯离子大多只是旁观。真正重要的过程简单得多：酸放出一个质子，而碱接受它。

这种质子转移，是辨认酸碱反应、预测产物，以及写出真正反映反应本质之方程式的关键。

01先找出质子转移

假设盐酸与氢氧化钠反应：

\[ \ce{HCl(aq) + NaOH(aq) -> NaCl(aq) + H2O(l)} \]

你可能已经认出这是中和反应。不过，「酸 + 碱生成盐 + 水」只是一种有用的反应模式。它并不能解释反应为甚么会发生，也无法涵盖所有酸碱反应。

更好的思考方式，是想像一个质子 \(\mathrm{H}^{+}\) 换了结合对象。

酸是愿意把质子交出去的物种；碱则是能够接受质子的物种。

这有点像一个极度戏剧化的配对节目，而唯一的参加者就是一个质子。酸带著质子登场，碱把它接走，而酸则以另一种物种的形式离开。这个比喻并不完全准确，因为粒子并不会「选择」结合对象，而且真实的质子转移受化学能量变化和平衡所控制。不过，它确实提醒我们要追踪最重要的一件事：质子去了哪里？

这就引出了布朗斯特-劳里（Brønsted-Lowry）的定义：

• 布朗斯特-劳里酸是质子供体。
• 布朗斯特-劳里碱是质子受体。

质子是 \(\mathrm{H}^{+}\)，也就是失去电子的氢原子。

在水中，孤立的 \(\mathrm{H}^{+}\) 不会简单地单独飘浮。它会与水分子强烈结合。我们通常把质子化的水分子表示为水合氢离子 \(\ce{H3O+}\)。HSC 方程式中也可能使用 \(\mathrm{H}^{+}\) 作为方便的简写。

02如何辨认酸碱反应

当你看到一个反应时，不要先问：「这个化学式看起来像酸吗？」

应该问两个更有用的问题：

1. 是否有一种物种失去了一个 \(\mathrm{H}^{+}\)？
2. 是否有另一种物种得到那个 \(\mathrm{H}^{+}\)？

如果两者都发生了，就有质子转移。

考虑：

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

追踪质子的去向。

• \(\ce{HCl}\) 变成 \(\mathrm{Cl}^{-}\)。它失去了 \(\mathrm{H}^{+}\)，所以 \(\ce{HCl}\) 在这个反应中是酸。
• \(\ce{H2O}\) 变成 \(\ce{H3O+}\)。它得到了 \(\mathrm{H}^{+}\)，所以 \(\ce{H2O}\) 在这个反应中是碱。

现在考虑氨：

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

这一次，哪一个反应物是酸？

你可能会直觉认为水一定是碱，因为在上一个反应中水接受了质子。但一种物种并不会在每个反应中永远扮演同一角色。

在这里：

• \(\ce{NH3}\) 变成 \(\ce{NH4+}\)，所以氨得到 \(\mathrm{H}^{+}\)，并作为碱。
• \(\ce{H2O}\) 变成 \(\ce{OH-}\)，所以水失去 \(\mathrm{H}^{+}\)，并作为酸。

因此，水可以作为酸，也可以作为碱，视乎它与甚么物质反应。

03共轭酸碱对

每当酸提供一个质子后，它就会变成它的共轭碱。

每当碱接受一个质子后，它就会变成它的共轭酸。

对于反应

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

其配对如下：

一对共轭酸碱之间恰好只相差一个质子。

这提供了一个很有效的检查方法。如果两个你认为互为共轭酸碱的物种，相差一个氧原子、一个碳原子，或两个氢原子，那就表示某处出了问题。

例如：

\[ \ce{NH4+ <=> NH3 + H+} \]

\(\ce{NH4+}\) 和 \(\ce{NH3}\) 相差一个 \(\mathrm{H}^{+}\)，所以它们是一对共轭酸碱。

04从质子转移预测产物

对于直接的布朗斯特-劳里反应，你不需要背下一大串反应清单，也可以预测产物。

假设题目要求你预测以下反应的产物：

\[ \ce{HNO3 + H2O -> ?} \]

首先，判断哪一种物种较可能提供质子。硝酸 \(\ce{HNO3}\) 提供 \(\mathrm{H}^{+}\)。

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

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

然后把这个质子加到水上：

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

所以：

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

注意，原子数和总电荷都守恒。这与你在追踪化学反应中原子的重新排列时使用的是同一套守恒要求。

05中和是酸碱反应的一种特定形式

你经常会遇到酸与金属氢氧化物（例如氢氧化钠）之间的反应。

例如：

\[ \ce{HCl(aq) + NaOH(aq) -> NaCl(aq) + H2O(l)} \]

乍看之下，似乎有四种不同物种参与其中。不过，在水溶液中，可溶物质会分离成离子：

\[ \ce{H+(aq) + Cl-(aq) + Na+(aq) + OH-(aq) -> Na+(aq) + Cl-(aq) + H2O(l)} \]

\(\mathrm{Na}^{+}\) 和 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 离子在方程式两边都没有改变。它们是旁观离子。

把它们移除：

\[ \ce{H+(aq) + OH-(aq) -> H2O(l)} \]

或者，明确写出水合氢离子：

\[ \ce{H3O+(aq) + OH-(aq) -> 2H2O(l)} \]

这就是强酸与可溶性氢氧化物中和时，核心的质子转移过程。

如果你需要更多练习，判断哪些离子保持不变，以及哪些离子应写入净离子方程式，同一套旁观离子逻辑也会出现在沉淀反应和净离子方程式中。

06并非每一个酸碱反应都会生成水

这正是「酸 + 碱生成盐 + 水」这条简单规则不完整之处。

考虑氨与酸反应：

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

氨接受了一个质子，所以它显然是在充当布朗斯特-劳里碱。但是，反应中没有氢氧根离子，因此在这个简化的质子转移方程式中，并不要求水一定要作为产物出现。

更一般化的规则是：

\[ \text{酸 + 碱} \rightarrow \text{共轭碱 + 共轭酸} \]

这个描述的适用范围比「盐 + 水」更广。

07酸与氧化物及氢氧化物的反应

许多金属氧化物和金属氢氧化物都能作为碱。

例如：

\[ \ce{2HCl(aq) + MgO(s) -> MgCl2(aq) + H2O(l)} \]

离子固体中的氧化物离子可以接受质子。概念上可表示为：

\[ \ce{O^2- + 2H+ -> H2O} \]

一个氢氧根离子需要一个质子：

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

这可以帮助你预测系数，而不是靠猜测。

例如，\(\ce{Ca(OH)2}\) 每个化学式单位含有两个氢氧根，因此完全中和需要两个酸性质子：

\[ \ce{2HCl(aq) + Ca(OH)2(aq) -> CaCl2(aq) + 2H2O(l)} \]

08碳酸盐会发生甚么？

酸与碳酸盐的反应可能看起来像完全不同的一类反应，因为你会看到气泡产生。

例如：

\[ \ce{2HCl(aq) + Na2CO3(aq) -> 2NaCl(aq) + H2O(l) + CO2(g)} \]

这种气体是二氧化碳。

不过，在这个现象背后仍然有酸碱化学。碳酸根离子会接受质子。一个实用的简化反应步骤是：

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

接著：

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

碳酸 \(\ce{H2CO3}\) 在一般条件下并不稳定，可以形成二氧化碳和水：

\[ \ce{H2CO3 -> CO2 + H2O} \]

把这些步骤合并，就得到：

\[ \ce{CO3^2- + 2H+ -> CO2 + H2O} \]

这同时解释了两件事：碳酸根借由接受质子而作为碱，而最终可观察到的产物中包含气体。

09容易导致错误的捷径

一个常见的捷径是：

「如果一种物质含有 H，它就是酸。如果它含有 OH，它就是碱。」

这有时能把你带向正确方向，但它并不是定义。

甲烷 \(\ce{CH4}\) 含有氢，但在一般 HSC 酸碱反应中，不会被视为布朗斯特-劳里酸。

氨 \(\ce{NH3}\) 不含 \(\ce{OH}\) 基团，但它是碱，因为它能接受质子：

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

更可靠的判断规则，始终应该以质子转移为基础。

10另一个重要陷阱：酸参与的反应不全都是酸碱反应

假设盐酸与镁反应：

\[ \ce{Mg(s) + 2HCl(aq) -> MgCl2(aq) + H2(g)} \]

你可能只因为左边出现了酸，就把它分类为酸碱反应。

但要看看实际发生了甚么变化。镁原子变成 \(\mathrm{Mg}^{2+}\)，而氢离子变成氢气。当中有电子转移。

因此，这是一个氧化还原反应，而不只是布朗斯特-劳里质子转移反应。

所以，「含有酸」不足以判断反应类型。你必须观察实际发生的化学变化。

11解答 HSC 题目的可靠方法

当你需要辨认或表示一个酸碱反应时，可以依照以下步骤：

1. 找出可能的质子供体。 寻找能够失去一个 \(\mathrm{H}^{+}\) 的物种。
2. 找出可能的质子受体。 寻找能够接受该质子的物种。
3. 明确追踪质子。 写出每个反应物失去或得到 \(\mathrm{H}^{+}\) 后会变成甚么。
4. 检查原子和电荷。 两者都必须守恒。
5. 判断题目要求哪一种方程式。 分子方程式、完整离子方程式和净离子方程式并不是同一回事。
6. 留意后续过程。 碳酸形成 \(\ce{CO2}\) 和水就是常见例子。
7. 不要把中和反应的模式硬套到每一个反应上。 质子转移才是更广泛的概念。

12问题与解答

问题 1

在反应

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

中，找出酸、碱、共轭酸和共轭碱。

解答 1

\(\ce{HBr}\) 是酸，\(\ce{H2O}\) 是碱，\(\ce{H3O+}\) 是共轭酸，而 \(\mathrm{Br}^{-}\) 是共轭碱。

\(\ce{HBr}\) 失去一个质子：

\[ \ce{HBr -> Br- + H+} \]

所以它是质子供体。

水接受这个质子：

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

所以水是碱。

因此，共轭酸碱对是 \(\ce{HBr/Br-}\) 和 \(\ce{H2O/H3O+}\)。每一对都恰好相差一个质子。

问题 2

乙酸与氢氧化钠水溶液反应。

写出：

a. 已配平的分子方程式

b. 净离子方程式

c. 净离子反应中所涉及的布朗斯特-劳里碱。

解答 2

分子方程式为

\[ \ce{CH3COOH(aq) + NaOH(aq) -> CH3COONa(aq) + H2O(l)} \]

而净离子方程式为

\[ \ce{CH3COOH(aq) + OH-(aq) -> CH3COO-(aq) + H2O(l)} \]

布朗斯特-劳里碱是 \(\ce{OH-}\)。

乙酸是弱酸，因此在净离子方程式中通常保留为未解离的形式，而不是完全写成 \(\mathrm{H}^{+}\) 和 \(\ce{CH3COO-}\)。

氢氧根离子接受一个质子：

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

而乙酸失去该质子并变成 \(\ce{CH3COO-}\)。

一个很容易犯的错误是写成

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

仿佛乙酸一开始就已完全分离成离子。这个方程式能很好地描述强酸中和反应，但在这里却掩盖了真正参与反应的弱酸物种。

问题 3

一名学生为磷酸与氢氧化钾的反应写出以下方程式：

\[ \ce{H3PO4 + KOH -> K3PO4 + H2O} \]

解释为甚么这个方程式未配平，然后写出完全中和时的已配平方程式。

解答 3

每一摩尔 \(\ce{H3PO4}\) 需要三摩尔 \(\ce{KOH}\)，因此得到

\[ \ce{H3PO4(aq) + 3KOH(aq) -> K3PO4(aq) + 3H2O(l)} \]

原本的方程式左边只有一个钾原子，但右边的 \(\ce{K3PO4}\) 中有三个。它也没有正确计算 \(\ce{H3PO4}\) 中的三个酸性氢。

在完全中和时，三个酸性质子都必须计算在内。三个氢氧根离子可以接受这三个质子：

\[ \ce{3H+ + 3OH- -> 3H2O} \]

陷阱在于看到「酸 + 氢氧化物」后，就自动使用 1:1 的比例。实际反应比例取决于有多少个酸性质子被中和，以及每个化学式单位能提供多少个氢氧根离子。

问题 4

碳酸氢根离子既可以与酸反应，也可以与碱反应。

预测当 \(\ce{HCO3-}\)：

a. 从酸接受一个质子时，含碳的产物是甚么

b. 向强碱提供一个质子时，含碳的产物是甚么。

使用方程式解释为甚么不能把 \(\ce{HCO3-}\) 标示为「永远是酸」或「永远是碱」。

解答 4

\(\ce{HCO3-}\) 可以作为碱，也可以作为酸，视乎与它反应的物种而定。

当它接受一个质子时，它作为碱：

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

形成的 \(\ce{H2CO3}\) 随后可以生成二氧化碳和水：

\[ \ce{H2CO3 -> CO2 + H2O} \]

因此，整体过程可以表示为：

\[ \ce{HCO3- + H+ -> CO2 + H2O} \]

当碳酸氢根向氢氧根离子提供一个质子时，它作为酸：

\[ \ce{HCO3- + OH- -> CO3^2- + H2O} \]

在这里，\(\ce{HCO3-}\) 失去 \(\mathrm{H}^{+}\)，并变成 \(\ce{CO3^2-}\)。

重点是，酸和碱的标签描述的是一种物种在特定质子转移反应中所扮演的角色。碳酸氢根既能接受质子，也能提供质子，因此它的角色取决于它与甚么物质反应。

问题 5

两名学生看到以下反应

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

学生 A 说：「氢氧根离子是碱，因为它含有 \(\ce{OH}\)。」

学生 B 说：「铵离子是酸，因为它把一个质子转移给氢氧根。」

哪一种推理在化学上更有力？找出两组酸碱共轭对，并解释真正能确定各物种角色的证据是甚么。

解答 5

学生 B 的化学推理更有力，因为各物种的角色是透过追踪质子转移来确定，而不是靠辨认化学式中的某个特定基团。

反应为：

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

铵离子由 \(\ce{NH4+}\) 变成 \(\ce{NH3}\)。它失去了一个质子：

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

所以 \(\ce{NH4+}\) 作为酸，而 \(\ce{NH3}\) 是它的共轭碱。

氢氧根离子由 \(\ce{OH-}\) 变成 \(\ce{H2O}\)。它得到了一个质子：

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

所以 \(\ce{OH-}\) 作为碱，而 \(\ce{H2O}\) 是它的共轭酸。

因此，共轭酸碱对为：

\[ \ce{NH4+ / NH3} \]

以及

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

学生 A 对氢氧根的分类是正确的，但其推理并不可靠。化学式中含有 \(\ce{OH}\)，本身并不足以证明某种物种正在作为布朗斯特-劳里碱。真正的证据是 \(\ce{OH-}\) 在这个反应中确实接受了一个质子。

一旦你能够追踪质子的去向，而不只是背诵反应模式，酸碱化学就会更容易延伸到其他概念。下一个很有用的步骤是平衡：有些质子转移几乎完全朝产物方向进行，而另一些则会建立反应物与产物均有显著含量的混合物。到了这里，酸强度、碱强度、\(K_a\) 和 pH 就开始与同一个质子转移模型连系起来。