Brønsted-Lowry 酸與鹼：HSC 化學指南

氨，\(\ce{NH3}\)，會使水溶液呈鹼性。但它的化學式中完全沒有 \(\ce{OH^-}\)。那麼，氫氧根離子究竟從哪裡來？

繼續閱讀之前，先預測一下氨遇到水時會發生什麼。氨會以某種方式釋放 \(\ce{OH^-}\)，還是水本身發生了變化？

反應如下：

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

關鍵事件並不是 \(\ce{OH^-}\) 的出現，而是一個質子 \(\mathrm{H}^{+}\) 的轉移。一個水分子把質子交給氨。因此，水變成 \(\ce{OH^-}\)，而氨則變成 \(\ce{NH4+}\)。

這種質子轉移就是 Brønsted-Lowry 酸鹼理論的核心概念。

01唯一需要追蹤的東西：質子

想像有兩個人和一件借來的連帽衫。一個人把它交出去，另一個人穿上它。只要追蹤這件連帽衫，就能知道是誰交出、誰接收。

在 Brønsted-Lowry 反應中，這件「連帽衫」就是一個質子 \(\mathrm{H}^{+}\)：

• Brønsted-Lowry 酸提供質子
• Brønsted-Lowry 鹼接受質子

這個比喻到此為止。真正的質子轉移取決於化學穩定性和平衡，而不是某個分子是否覺得冷。

質子是氫原子的原子核。在酸鹼方程式中，寫成 \(\mathrm{H}^{+}\) 是一種方便的記帳方式。不過，在水溶液中，質子不會單獨存在。水會接受它，而我們通常把這表示為形成水合氫離子 \(\ce{H3O+}\)。

考慮鹽酸在水中的反應：

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

哪一個反應物接受了質子？

是水。\(\ce{HCl}\) 失去 \(\mathrm{H}^{+}\) 並變成 \(\mathrm{Cl}^{-}\)，而 \(\ce{H2O}\) 得到 \(\mathrm{H}^{+}\) 並變成 \(\ce{H3O+}\)。

所以，在這個反應中：

• \(\ce{HCl}\) 是酸
• \(\ce{H2O}\) 是鹼

因此可得到一般的質子轉移模式：

\[ \ce{\text{酸} + \text{鹼} <=> \text{共軛鹼} + \text{共軛酸}} \]

02如何從方程式判斷酸和鹼

不要一開始就問哪種物質「看起來像酸」。應該追蹤實際發生了什麼。

這種電荷變化是一項很有用的檢查方法。

例如，如果一個中性粒子失去 \(\mathrm{H}^{+}\)，其生成物通常會帶有 \(1-\) 電荷。如果一個帶 \(1-\) 電荷的粒子接受 \(\mathrm{H}^{+}\)，其生成物就會變成中性。

03共軛酸鹼對

當酸提供一個質子時，它並不會消失，而是變成一種新的粒子，稱為它的共軛鹼。

同樣地，當鹼接受一個質子時，它會變成自己的共軛酸。

因此，一組共軛酸鹼對恰好相差一個質子。

例如：

注意最後兩列。\(\ce{HCO3^-}\) 一次作為共軛鹼出現，另一次則作為酸出現。

這並不矛盾。酸和鹼是某個粒子在質子轉移過程中扮演的角色，而不是永久貼在化學式上的標籤。

判斷共軛酸鹼對時，可以使用以下檢查方法：

1. 兩個粒子是否恰好相差一個 H？
2. 它們的電荷是否恰好相差一個單位？

例如，\(\ce{NH4+}\) 和 \(\ce{NH3}\) 同時通過這兩項檢查。\(\ce{H2CO3}\) 和 \(\ce{CO3^2-}\) 則不是：它們相差兩個質子，因此不是單一的一組共軛酸鹼對。

04有些粒子既可以是酸，也可以是鹼

水就是一個很好的例子。

你已經看過水作為鹼：

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

在這裡，水接受一個質子。

但在氨的反應中：

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

水提供一個質子。

所以，水究竟是酸還是鹼？

準確的答案是：這取決於反應。

能夠提供或接受質子的粒子稱為兩性質子物種。

碳酸氫根 \(\ce{HCO3^-}\) 是另一個重要例子。它可以提供一個質子：

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

在這裡，\(\ce{HCO3^-}\) 是酸，因為它變成 \(\ce{CO3^2-}\)。

它也可以接受一個質子：

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

在這裡，\(\ce{HCO3^-}\) 是鹼，因為它變成 \(\ce{H2CO3}\)。

這就是為什麼試圖背下一份固定的「酸性物質」和「鹼性物質」清單，最終會造成問題。追蹤質子的去向更可靠。

05反應中的角色不等於酸的強度

Brønsted-Lowry 理論告訴你誰提供質子、誰接受質子。但單憑這一點，並不能告訴你反應進行得有多完全。

例如，鹽酸和乙酸都可以向水提供質子，因此兩者都是 Brønsted-Lowry 酸。

然而，在水溶液中，它們提供質子的程度並不相同。

所以要把兩個問題分開：

• 這個粒子扮演什麼角色？追蹤質子。
• 反應有多強烈地有利於質子轉移？這是平衡與酸強度的問題。

當方程式使用平衡箭頭時，這項區別尤其重要。

考慮：

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

在正向反應中，\(\ce{H2O}\) 提供一個質子，而 \(\ce{NH3}\) 接受它。

在逆向反應中，\(\ce{NH4+}\) 提供一個質子，而 \(\ce{OH^-}\) 接受它。

共軛關係並沒有改變。改變的只是你所分析的反應方向。

06最常造成錯誤的迷思

「鹼一定要含有 \(\ce{OH^-}\)」

不是。Brønsted-Lowry 鹼只需要能夠接受一個質子。

氨甚至完全不含氧：

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

然而，\(\ce{NH3}\) 顯然是質子的接受者。

乙酸根是另一個例子：

\[ \ce{CH3COO^- + H2O <=> CH3COOH + OH^-} \]

乙酸根離子接受 \(\mathrm{H}^{+}\)，所以它作為鹼。

「任何含氫的物質都是酸」

也不是。

化學式中某處有氫，並不足以使一個物質成為酸。要在所分析的反應中作為酸，該粒子必須實際提供一個質子。

在：

\[ \ce{H2PO4^- + H3O+ <=> H3PO4 + H2O} \]

\(\ce{H2PO4^-}\) 含有氫，但它又得到了一個質子。因此，它在這裡作為鹼。

「負離子是鹼，正離子是酸」

電荷可以提供線索，但不能決定角色。

例如：

\[ \ce{H2PO4^- + NH3 <=> HPO4^2- + NH4+} \]

帶負電的 \(\ce{H2PO4^-}\) 是酸，因為它提供了一個質子。

「酸鹼反應一定會生成水」

許多熟悉的中和反應確實會生成水，但生成水並不是 Brønsted-Lowry 定義的一部分。

反應

\[ \ce{H2PO4^- + NH3 <=> HPO4^2- + NH4+} \]

仍然是一個酸鹼反應。質子從一個粒子轉移到了另一個粒子。

相同的質子轉移概念也是許多熟悉的中和反應背後的基礎，即使方程式乍看之下相當不同。

07分析任何 Brønsted-Lowry 方程式的可靠方法

當 HSC 題目給你一個不熟悉的反應時，應根據方程式分析，而不是依靠你對這些物質的記憶。

1. 比較每個反應物與生成物

找出彼此相差一個 H 的粒子。

2. 判斷質子去了哪裡

如果某個反應物失去 \(\mathrm{H}^{+}\)，它就是酸。

如果某個反應物得到 \(\mathrm{H}^{+}\)，它就是鹼。

3. 配對共軛酸鹼對

酸和它的共軛鹼相差一個質子。

鹼和它的共軛酸也相差一個質子。

4. 檢查電荷

失去 \(\mathrm{H}^{+}\) 會使粒子的電荷負一個單位。

得到 \(\mathrm{H}^{+}\) 會使粒子的電荷正一個單位。

5. 最後才考慮強度或平衡

不要利用「強酸」、「弱鹼」或平衡位置來判斷誰提供了質子。先找出質子轉移，再進一步考慮強度。

08題目與解答

題目 1

考慮以下反應：

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

判斷 Brønsted-Lowry 酸、鹼、共軛酸和共軛鹼。利用質子轉移解釋你的判斷。

解答 1

\(\ce{HNO3}\) 是酸，\(\ce{H2O}\) 是鹼，\(\ce{NO3^-}\) 是共軛鹼，而 \(\ce{H3O+}\) 是共軛酸。

\(\ce{HNO3}\) 失去一個質子：

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

因此，它是質子的提供者，也就是 Brønsted-Lowry 酸。

水接受這個質子：

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

因此，它是 Brønsted-Lowry 鹼。

共軛酸鹼對為：

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

以及

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

一個很容易採用的方法，是直接認出 \(\ce{HNO3}\)「是一種酸」。在這裡，這確實會得到正確的標籤，但並沒有展示題目所要考查的 Brønsted-Lowry 推理。更完整的解釋應追蹤被轉移的質子。

題目 2

某溶液含有 \(40.0\ \mathrm{mL}\) 的 \(0.150\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) \(\ce{HSO4^-}\)。將它與 \(25.0\ \mathrm{mL}\) 的 \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) \(\ce{OH^-}\) 混合。

假設以下質子轉移反應進行至完全：

\[ \ce{HSO4^- + OH^- -> SO4^2- + H2O} \]

1. 判斷 Brønsted-Lowry 酸和鹼。
2. 判斷兩組共軛酸鹼對。
3. 計算所形成的 \(\ce{SO4^2-}\) 的物質的量（以 mol 為單位），以及剩餘 \(\ce{HSO4^-}\) 的物質的量。
4. 假設體積可以相加，計算最終 \(\ce{SO4^2-}\) 和未反應 \(\ce{HSO4^-}\) 的濃度。

解答 2

\(\ce{HSO4^-}\) 是酸，\(\ce{OH^-}\) 是鹼，會形成 \(2.50\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\) 的 \(\ce{SO4^2-}\)，並剩餘 \(3.50\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\) 的 \(\ce{HSO4^-}\)。

首先判斷質子轉移。

\(\ce{HSO4^-}\) 變成 \(\ce{SO4^2-}\)，所以它失去 \(\mathrm{H}^{+}\)。它是酸。

\(\ce{OH^-}\) 得到 \(\mathrm{H}^{+}\) 並變成 \(\ce{H2O}\)。它是鹼。

共軛酸鹼對為：

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

以及

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

現在計算初始物質的量。

對 \(\ce{HSO4^-}\)：

\[ \begin{aligned} n &= cV \\ &= (0.150\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(0.0400\ \mathrm{L}) \\ &= 6.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]

對 \(\ce{OH^-}\)：

\[ \begin{aligned} n &= cV \\ &= (0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(0.0250\ \mathrm{L}) \\ &= 2.50\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]

方程式中的莫耳比為 \(1:1\)：

\[ \ce{HSO4^- : OH^- = 1 : 1} \]

因此，\(\ce{OH^-}\) 是限量反應物。

生成的硫酸根物質的量為：

\[ n(\ce{SO4^2-})=2.50\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \]

剩餘的硫酸氫根物質的量為：

\[ \begin{aligned} n(\ce{HSO4^-})&=6.00\times10^{-3}-2.50\times10^{-3}\\ &=3.50\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]

最終體積為：

\[ V=40.0+25.0=65.0\ \mathrm{mL}=0.0650\ \mathrm{L} \]

因此：

\[ \begin{aligned} [\ce{SO4^2-}] &=\frac{2.50\times10^{-3}}{0.0650}\\ &=3.85\times10^{-2}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]

以及

\[ \begin{aligned} [\ce{HSO4^-}] &=\frac{3.50\times10^{-3}}{0.0650}\\ &=5.38\times10^{-2}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]

一個很容易犯的錯誤，是看到 \(\ce{OH^-}\) 就立即把這稱為中和反應，而沒有分析質子轉移。化學計量和 Brønsted-Lowry 描述其實是在描述同一件事：\(\ce{OH^-}\) 從 \(\ce{HSO4^-}\) 接受了一個質子。

題目 3

磷酸二氫根離子 \(\ce{H2PO4^-}\) 出現在以下兩個反應中。

反應 A：

\[ \ce{H2PO4^- + NH3 <=> HPO4^2- + NH4+} \]

反應 B：

\[ \ce{H2PO4^- + H3O+ <=> H3PO4 + H2O} \]

對每個反應：

1. 判斷酸和鹼
2. 判斷共軛酸鹼對
3. 解釋為什麼單純把 \(\ce{H2PO4^-}\) 稱為「酸」並不完整。

解答 3

\(\ce{H2PO4^-}\) 在反應 A 中作為酸，但在反應 B 中作為鹼，因此它的角色取決於該特定反應中實際發生的質子轉移。

在反應 A 中：

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

\(\ce{H2PO4^-}\) 失去了一個質子。因此，它是酸。

同時：

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

\(\ce{NH3}\) 得到該質子，因此是鹼。

共軛酸鹼對為：

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

以及

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

在反應 B 中：

\[ \ce{H2PO4^- -> H3PO4} \]

這一次，\(\ce{H2PO4^-}\) 得到了一個質子。因此，它是鹼。

\(\ce{H3O+}\) 失去一個質子形成 \(\ce{H2O}\)，所以 \(\ce{H3O+}\) 是酸。

共軛酸鹼對為：

\[ \ce{H3PO4 / H2PO4^-} \]

以及

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

一個很容易產生的推測是：因為 \(\ce{H2PO4^-}\) 含有可以被提供的氫，所以它一定永遠是酸。反應 B 正好展示了這種推理所忽略的地方：這個離子也可以再接受一個質子。

\(\ce{H2PO4^-}\) 是兩性質子物種。它的化學式告訴你哪些質子轉移是可能的；反應則告訴你實際正在考慮哪一種。

單靠電荷也不足以判斷。同一個帶負電的離子，在一個方程式中作為酸，在另一個方程式中則作為鹼。

題目 4

考慮以下假設性的兩步質子轉移，其中 \(\ce{B}\) 是一種分子物種：

步驟 1：

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

步驟 2：

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

1. 判斷每一步中的 Brønsted-Lowry 酸和鹼。
2. 判斷每一步中的共軛酸鹼對。
3. 把兩個方程式相加，得到總反應方程式。
4. 解釋 \(\ce{B}\) 和 \(\ce{BH+}\) 在轉移質子時所扮演的角色。
5. 一名學生認為：「如果 \(\ce{B}\) 在步驟 1 中是鹼，它就不可能參與步驟 2 中的質子提供。」解釋這個錯誤。

解答 4

\(\ce{B}\) 在步驟 1 中接受一個質子，形成其共軛酸 \(\ce{BH+}\)，而新形成的 \(\ce{BH+}\) 在步驟 2 中提供該質子。整體而言，質子從 \(\ce{H2PO4^-}\) 轉移到 \(\ce{HCO3^-}\)，而 \(\ce{B}\) 被再生。

在步驟 1 中：

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

所以 \(\ce{H2PO4^-}\) 是酸。

\[ \ce{B -> BH+} \]

顯示 \(\ce{B}\) 接受質子，因此它是鹼。

共軛酸鹼對為：

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

以及

\[ \ce{BH+ / B} \]

在步驟 2 中，\(\ce{BH+}\) 現在失去它的質子：

\[ \ce{BH+ -> B} \]

所以 \(\ce{BH+}\) 是酸。

碳酸氫根得到這個質子：

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

所以 \(\ce{HCO3^-}\) 是鹼。

共軛酸鹼對為：

\[ \ce{BH+ / B} \]

以及

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

把兩個方程式相加可得：

\[ \ce{H2PO4^- + B + BH+ + HCO3^- -> HPO4^2- + BH+ + B + H2CO3} \]

在兩側以相同形式出現的粒子可以消去：

\[ \ce{H2PO4^- + HCO3^- -> HPO4^2- + H2CO3} \]

所以，淨質子轉移是從 \(\ce{H2PO4^-}\) 到 \(\ce{HCO3^-}\)。

重要的是，步驟 2 中並不是 \(\ce{B}\) 提供質子，而是 \(\ce{BH+}\) 提供質子。在步驟 1 中接受質子後，鹼已經轉變成它的共軛酸。

這名學生的錯誤，是把「鹼」當成一種永久性質，認為這會阻止其對應的共軛酸之後再提供質子。事實上，在鹼和它的共軛酸之間互相轉換，正是 Brønsted-Lowry 化學的整體結構。

由於 \(\ce{B}\) 被再生，這些方程式把它描述為所提出反應序列中的質子傳遞媒介。不過，不能僅憑這些方程式就更進一步宣稱它是催化劑。要把某物稱為催化劑，必須有一條實際的反應途徑，其中它參與反應並提高反應速率；僅僅因為它在方程式的代數相加中被消去，並不能建立這種動力學證據。

題目 5

一名學生想解釋總反應

\[ \ce{H2PO4^- + NH3 -> HPO4^2- + NH4+} \]

並提出以下兩步描述：

步驟 1：

\[ \ce{H2PO4^- + H2O -> HPO4^2- + H3O+} \]

步驟 2：

\[ \ce{H3O+ + NH3 -> H2O + NH4+} \]

1. 判斷每個所提出步驟中的 Brønsted-Lowry 酸和鹼。
2. 把兩個方程式相加，顯示它們會重現所述的總反應。
3. 解釋水和水合氫離子在所提出反應序列中所扮演的角色。
4. 另一名學生聲稱，由於相加方程式時 \(\ce{H2O}\) 被消去了，所以水「從來沒有真正參與反應」。
5. 這兩個方程式能相加得到正確的總反應，是否證明反應實際上就是透過這兩個微觀步驟進行？請解釋。

解答 5

這兩個所提出的方程式提供了有效的 Brønsted-Lowry 質子記帳方式，也能重現總反應方程式，但它們在代數上與淨反應一致，並不能證明它們就是實際的微觀反應機制。

在步驟 1 中：

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

所以 \(\ce{H2PO4^-}\) 提供一個質子，是酸。

水變成水合氫離子：

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

所以 \(\ce{H2O}\) 接受質子，是鹼。

共軛酸鹼對為：

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

以及

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

在步驟 2 中，水合氫離子提供一個質子：

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

所以 \(\ce{H3O+}\) 是酸。

氨接受這個質子：

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

所以 \(\ce{NH3}\) 是鹼。

共軛酸鹼對為：

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

以及

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

把所提出的兩個方程式相加可得：

\[ \ce{H2PO4^- + H2O + H3O+ + NH3 -> HPO4^2- + H3O+ + H2O + NH4+} \]

從兩側消去 \(\ce{H2O}\) 和 \(\ce{H3O+}\) 後，剩下：

\[ \ce{H2PO4^- + NH3 -> HPO4^2- + NH4+} \]

也就是所要求的總反應方程式。

在這個所提出的反應序列中，水先接受一個質子並變成 \(\ce{H3O+}\)。之後，這個水合氫離子把一個質子傳給氨，同時再生水。因此，即使水沒有出現在淨反應方程式中，它仍然參與了這個所提出的質子接力過程。

一個很容易犯的錯誤，是認為任何從淨反應方程式中被消去的物質，在化學上一定不重要。淨反應方程式本來就會隱藏那些被再生的物質。消去只告訴我們該物質沒有淨消耗或淨生成。

最後還有一項區別，而且這是重要的一點：這些方程式並不能證明微觀反應機制。

有時可以構造出許多組不同的中間方程式，而它們相加後都能得到相同的總反應方程式。化學方程式提供的是化學計量和質子轉移的記帳方式，但真正的反應機制是關於一連串分子事件如何發生的主張。要確立這個事件順序，需要額外的證據。

因此，Brønsted-Lowry 理論能讓你有把握地判斷每一個寫出的步驟中各物種的質子轉移角色。但它不能讓你把一個在數學上方便的分解方式，直接當作已由實驗證實的反應機制。

當質子的提供、接受和共軛酸鹼對都變得熟練之後，下一個有用的問題就不再只是「質子可以去哪裡？」，而是「哪個方向較有利，以及有利到什麼程度？」這會直接引出酸與鹼的強度、平衡常數、pH，以及共軛酸鹼對如何控制緩衝溶液的行為。