酸與鹼在水中解離的離子方程式
學習如何寫出強酸、弱酸、鹼、多元酸及兩性質子物種在水中的離子方程式。內容包括例題詳解及具挑戰性的 HSC 類型試題。
將 0.10 mol L\(^{-1}\) 的鹽酸與 0.10 mol L\(^{-1}\) 的乙酸放在一起比較。兩者都含有氫，兩者也都是酸。然而，鹽酸產生的 \(\ce{H3O+}\) 濃度卻高得多。究竟是甚麼造成了這個差異？
在繼續閱讀之前，先預測哪一條方程式應使用單向箭頭，哪一條應使用平衡箭頭。這個看似微不足道的箭頭選擇，其實蘊含重要的化學意義：它告訴我們，質子轉移至水的反應究竟是幾乎完全進行，還是只進行了一部分。
01酸的方程式實際上表示甚麼？
我們很容易把酸想像成只是釋放出一個 \(\mathrm{H}^{+}\) 離子：
\[ \ce{HA -> H+ + A-} \]
這種簡寫方式雖然有用，卻隱藏了重要的過程。在水中，質子實際上會轉移至水分子。我們通常將產物表示為水合氫離子（hydronium ion），即 \(\ce{H3O+}\)：
\[ \ce{HA(aq) + H2O(l) -> H3O+(aq) + A-(aq)} \]
在這條方程式中：
- \(\ce{HA}\) 代表一種酸，
- \(\ce{H2O}\) 接受質子，
- \(\ce{H3O+}\) 是水合氫離子，
- \(\mathrm{A}^{-}\) 是酸捐出 \(\mathrm{H}^{+}\) 後剩下的粒子。
你可以把質子轉移想像成一場有點尷尬的關係交接。\(\ce{HA}\) 原本帶著 \(\mathrm{H}^{+}\) 一起出現，水接收了這個質子，而 \(\mathrm{A}^{-}\) 則失去它，獨自離開。不過，這個比喻到此為止：分子並不會自行選擇伴侶，質子轉移是由能量因素及化學平衡所控制，而不是由誰的感情受到傷害來決定。
這條方程式實際上就是質子轉移過程的記錄。
這裡還有一個值得注意的術語區別。像 \(\ce{HCl}\) 和 \(\ce{CH3COOH}\) 這類分子酸，在水中嚴格來說會發生電離（ionisation），因為原本不帶電的分子會形成離子。像 \(\ce{NaOH}\) 這類離子化合物則會發生解離（dissociation），因為原本已存在於固體中的離子會在水中分離。在學校化學課程中，你有時也會看到「酸的解離」這種較寬鬆的用法。
02強酸與弱酸需要使用不同的箭頭
假設我們把鹽酸加入水中。幾乎每一個 \(\ce{HCl}\) 分子都會把質子轉移給水：
\[ \ce{HCl(aq) + H2O(l) -> H3O+(aq) + Cl-(aq)} \]
單向箭頭表示電離幾乎完全進行。
現在比較乙酸：
\[ \ce{CH3COOH(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + CH3COO-(aq)} \]
在任何一個時刻，都只有部分乙酸分子發生電離。正向反應和逆向反應都會進行，因此我們使用平衡箭頭。
Due to technical limitations, this figure may display incorrectly or contain inaccuracies. Please check key details against your course materials.
由此可以得出一個實用的判斷準則：
| 物種 | 在水中會發生甚麼？ | 典型方程式 |
|---|---|---|
| 強分子酸 | 幾乎完全電離 | \(\ce{HA + H2O -> H3O+ + A-}\) |
| 弱分子酸 | 部分電離 | \(\ce{HA + H2O <=> H3O+ + A-}\) |
| 可溶性離子氫氧化物 | 原本存在的離子互相分離 | \(\ce{MOH -> M+ + OH-}\) |
| 弱分子鹼 | 從水中接受質子 | \(\ce{B + H2O <=> BH+ + OH-}\) |
這也是為甚麼不能把「強」和「濃」當作同義詞。「強弱」描述物質在水中電離或與水反應的程度；「濃度」則表示每單位體積中加入了多少溶質。你可以在強酸與弱酸、濃酸與稀酸及鹼的區別進一步了解這個差異。
03並非所有鹼都以相同方式產生氫氧根離子
先考慮氫氧化鈉。它是一種離子固體，本身已含有 \(\mathrm{Na}^{+}\) 和 \(\ce{OH-}\) 離子。
當它溶解時：
\[ \ce{NaOH(s) -> Na+(aq) + OH-(aq)} \]
這個過程不需要透過質子轉移來產生氫氧根離子。固體只是分離成其組成離子。
現在預測氨 \(\ce{NH3}\) 在水中會發生甚麼。氨不含氧，因此顯然不可能釋放原本已存在的 \(\ce{OH-}\) 離子。
相反，氨會從水中接受一個質子：
\[ \ce{NH3(aq) + H2O(l) <=> NH4+(aq) + OH-(aq)} \]
水失去 \(\mathrm{H}^{+}\)，變成 \(\ce{OH-}\)；氨則獲得 \(\mathrm{H}^{+}\)，變成 \(\ce{NH4+}\)。
這條方程式解釋了單看 \(\ce{NH3}\) 的化學式無法得知的一件事：一種物質不一定要含有 \(\ce{OH-}\)，才能表現出鹼的性質。
例題詳解：寫出乙酸在水中的反應方程式
寫出一條方程式，表示乙酸 \(\ce{CH3COOH}\) 在水中的行為。
步驟 1
乙酸可以捐出其 \(\ce{-COOH}\) 基團中的氫。失去質子後，剩下的物種是乙酸根離子 \(\ce{CH3COO-}\)。
步驟 2
水接受 \(\mathrm{H}^{+}\)，形成 \(\ce{H3O+}\)。
步驟 3
乙酸是弱酸，因此只會部分電離：
\[ \ce{CH3COOH(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + CH3COO-(aq)} \]
平衡箭頭並非可有可無的裝飾。它告訴我們，溶液中仍然存在不可忽略數量的 \(\ce{CH3COOH}\) 及其離子。
例題詳解：解釋氨如何使溶液呈鹼性
寫出氨溶於水時的相關方程式，並解釋為甚麼溶液會呈鹼性。
步驟 1
氨根本不含這個基團。應將氨視為質子接受體。
步驟 2
當 \(\ce{NH3}\) 接受 \(\mathrm{H}^{+}\) 時，它會變成 \(\ce{NH4+}\)。水則變成 \(\ce{OH-}\)：
\[ \ce{NH3(aq) + H2O(l) <=> NH4+(aq) + OH-(aq)} \]
步驟 3
這個反應會提高 \(\ce{OH-}\) 的濃度，因此溶液會呈鹼性。
由於氨是弱鹼，反應不會完全向右進行。相當一部分氨仍然以 \(\ce{NH3}\) 的形式存在。
這也是共軛酸鹼對之間的質子轉移關係。如果你仍然覺得這些酸鹼對的概念難以掌握，可以參閱共軛酸鹼對與質子轉移。
04多元酸會逐個失去質子
一元酸的每個分子可以捐出一個質子。二元酸則可以捐出兩個質子。
一個常見的陷阱，是把兩個質子一次過移除，寫成單一步驟：
\[ \ce{H2A + 2H2O -> 2H3O+ + A^2-} \]
這條方程式在整體上可能符合配平要求，卻隱藏了實際的酸鹼化學過程。質子轉移是分階段進行的。
對於一般的二元酸，第一階段是：
\[ \ce{H2A(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + HA-(aq)} \]
接著，\(\ce{HA-}\) 仍然可以捐出另一個質子：
\[ \ce{HA-(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + A^2-(aq)} \]
留意第一步之後發生了甚麼。酸失去質子後變成帶負電的離子。要從一個已帶負電的離子再移除一個帶正電的質子，通常在能量上較不利，因此後續各階段的電離程度一般會逐漸降低。
硫酸是一個重要的例子。在水溶液中，它的第一個質子幾乎完全轉移給水：
\[ \ce{H2SO4(aq) + H2O(l) -> H3O+(aq) + HSO4-(aq)} \]
但第二個質子不會完全轉移：
\[ \ce{HSO4-(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + SO4^2-(aq)} \]
因此，如果只寫一條方程式，暗示每個 \(\ce{H2SO4}\) 分子都會立即產生兩個水合氫離子，就會忽略一個重要的化學事實。
例題詳解：寫出碳酸的兩個電離階段
碳酸 \(\ce{H2CO3}\) 是一種弱二元酸。寫出它在水中的兩個酸電離方程式。
步驟 1
水接受質子，留下碳酸氫根離子：
\[ \ce{H2CO3(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + HCO3-(aq)} \]
步驟 2
碳酸氫根離子 \(\ce{HCO3-}\) 可以再失去一個質子：
\[ \ce{HCO3-(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + CO3^2-(aq)} \]
步驟 3
在第二條方程式中，左邊的總電荷是 \(-1\)。右邊的總電荷是 \(+1 + (-2) = -1\)。因此，電荷守恆。
兩條方程式都使用平衡箭頭，因為兩個電離階段都屬於弱電離。
第二條方程式還揭示了一件有趣的事：\(\ce{HCO3-}\) 可以捐出質子。但在其他反應中，它也可以接受質子。這使碳酸氫根離子成為兩性質子物種（amphiprotic species）。
05四項檢查，助你找出大部分方程式錯誤
在確認一條酸鹼方程式正確之前，應檢查以下四點。
1. 質子有轉移到其他地方嗎？
寫成
\[ \ce{HCl -> H+ + Cl-} \]
雖然是一種方便的簡寫方式，但如果題目要求描述在水中發生的反應，更完整的質子轉移方程式應是：
\[ \ce{HCl + H2O -> H3O+ + Cl-} \]
2. 箭頭是否與酸鹼強度相符？
不要僅僅因為「所有反應在某種程度上都是可逆的」，就為強一元酸使用平衡箭頭。在 HSC 程度的化學中，方程式應清楚表達主要的化學過程。
同樣地，不要為弱酸或弱鹼使用單向箭頭。
3. 原子和電荷是否守恆？
考慮：
\[ \ce{H2CO3 + H2O <=> H3O+ + HCO3-} \]
方程式兩邊的總電荷都是零。
對於：
\[ \ce{Ca(OH)2(s) -> Ca^2+(aq) + 2OH-(aq)} \]
右邊的總電荷是 \(+2 + 2(-1)=0\)，與不帶電的固體相符。
\(\ce{OH-}\) 前面的係數 2 非常重要。
4. 你有區分解離與質子轉移嗎？
對於氫氧化鈉：
\[ \ce{NaOH(s) -> Na+(aq) + OH-(aq)} \]
對於氨：
\[ \ce{NH3(aq) + H2O(l) <=> NH4+(aq) + OH-(aq)} \]
兩者都會產生鹼性溶液，但作用機制並不相同。
當鹽類含有本身也能與水反應的離子時，這個區別尤其重要。
06題目與解答
題目 1
硝酸 \(\ce{HNO3}\) 是一種強一元酸。
寫出它在水中的電離方程式，並指出所形成的共軛鹼。
解答 1
硝酸幾乎完全電離，形成水合氫離子和硝酸根離子：
\[ \ce{HNO3(aq) + H2O(l) -> H3O+(aq) + NO3-(aq)} \]
其共軛鹼是 \(\ce{NO3-}\)。
\(\ce{HNO3}\) 向水捐出一個質子，因此水變成 \(\ce{H3O+}\)。硝酸失去該質子後，便變成 \(\ce{NO3-}\)。
一個容易犯的錯誤，是因為酸鹼反應可能具有可逆性，就使用平衡箭頭。然而，在 HSC 化學方程式中，單向箭頭表明硝酸是強酸，而且它在水中的電離幾乎完全進行。
題目 2
配製兩種溶液，兩者的初始溶質濃度相同。
溶液 A 含有 \(\ce{NaOH}\)。溶液 B 含有 \(\ce{NH3}\)。
分別寫出兩種溶液中產生 \(\ce{OH-}\) 的過程所對應的方程式。解釋為甚麼相同的初始濃度不代表兩者在平衡時具有相同的 \(\ce{OH-}\) 濃度。
解答 2
\(\ce{NaOH}\) 透過離子解離提供氫氧根離子，而 \(\ce{NH3}\) 則透過與水發生部分反應來產生氫氧根離子。
對於氫氧化鈉：
\[ \ce{NaOH(s) -> Na+(aq) + OH-(aq)} \]
對於氨：
\[ \ce{NH3(aq) + H2O(l) <=> NH4+(aq) + OH-(aq)} \]
像 \(\ce{NaOH}\) 這類可溶性強鹼幾乎完全解離。因此，每摩爾溶解的 \(\ce{NaOH}\) 大約會產生一摩爾 \(\ce{OH-}\)。
氨是弱鹼。只有部分氨分子會從水中接受質子，因此在平衡時，\(\ce{OH-}\) 的濃度遠低於氨的初始濃度。
一個容易出錯的思路，是看到兩種溶液的初始濃度相同，就斷定它們的 \(\ce{OH-}\) 濃度必然相同。這忽略了鹼的強弱。濃度告訴我們加入了多少溶質；強弱則決定物質透過相關酸鹼過程形成離子的程度。
題目 3
一名學生為硫酸寫出以下方程式：
\[ \ce{H2SO4(aq) + 2H2O(l) -> 2H3O+(aq) + SO4^2-(aq)} \]
方程式中的原子數目及電荷均已配平。
解釋為甚麼這條方程式仍未能完整描述硫酸在水中的行為，並以兩條能提供更多化學資訊的方程式取代它。
解答 3
硫酸應以兩個連續的質子轉移階段表示，因為第一次電離幾乎完全進行，而第二次電離只會部分進行。
第一階段是：
\[ \ce{H2SO4(aq) + H2O(l) -> H3O+(aq) + HSO4-(aq)} \]
第二階段是：
\[ \ce{HSO4-(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + SO4^2-(aq)} \]
學生所寫的方程式通過了基本的配平檢查，因此看起來很有說服力。但問題出在化學意義，而不是數學計算。
它暗示兩個質子都會完全轉移。實際上，\(\ce{HSO4-}\) 本身也是一種酸，但它的進一步電離並不完全。第二條方程式中的平衡箭頭正好反映了這個差異。
因此，配平是必要條件，但並不足夠。一條在化學上正確的方程式，還必須準確表示反應進行的程度及先後次序。
題目 4
乙酸會建立以下平衡：
\[ \ce{CH3COOH(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + CH3COO-(aq)} \]
然後，向溶液中加入少量氫氧化鈉。
一名學生認為，唯一相關的離子方程式是：
\[ \ce{H3O+(aq) + OH-(aq) -> 2H2O(l)} \]
另一名學生則寫出：
\[ \ce{CH3COOH(aq) + OH-(aq) -> CH3COO-(aq) + H2O(l)} \]
哪一條方程式更能描述加入的氫氧根離子與弱酸之間的整體反應？解釋兩條方程式如何與原本的酸電離平衡互相關聯。
解答 4
更能描述整體反應的淨離子方程式是：
\[ \ce{CH3COOH(aq) + OH-(aq) -> CH3COO-(aq) + H2O(l)} \]
水合氫離子的中和反應確實會發生：
\[ \ce{H3O+(aq) + OH-(aq) -> 2H2O(l)} \]
然而，弱乙酸溶液中大部分是未電離的 \(\ce{CH3COOH}\)，而不是含有與乙酸初始濃度相等的 \(\ce{H3O+}\)。
當加入的 \(\ce{OH-}\) 消耗 \(\ce{H3O+}\) 時，以下平衡
\[ \ce{CH3COOH + H2O <=> H3O+ + CH3COO-} \]
會向右移動作出回應。更多 \(\ce{CH3COOH}\) 會電離，以補充部分被消耗的 \(\ce{H3O+}\)。
將這個質子轉移平衡與水合氫離子的中和反應結合，就得到整體方程式：
\[ \ce{CH3COOH + OH- -> CH3COO- + H2O} \]
一個容易犯的錯誤，是把最初存在的 \(\ce{H3O+}\) 數量，當作可參與反應的酸的總量。對弱酸而言，大部分酸最初仍以分子形式存在，但隨著產物被移除，它可以進一步電離。因此，電離平衡與中和反應不能視為互不相關的事件。
題目 5
將碳酸氫鈉 \(\ce{NaHCO3}\) 溶於水中。最終溶液呈弱鹼性。
一名學生提出以下解釋：
「\(\ce{NaHCO3}\) 是一種鹼，所以當它解離時，一定會釋放 \(\ce{OH-}\)。」
另一名學生寫出：
\[ \ce{NaHCO3 -> Na+ + H+ + CO3^2-} \]
評估這兩種解釋。寫出描述實際發生過程所需的方程式，包括顯示為甚麼 \(\ce{HCO3-}\) 既可以表現為酸，也可以表現為鹼的方程式。根據溶液呈鹼性的觀察結果，判斷哪一種行為的影響較大。
解答 5
兩種解釋都未能正確描述當中的化學過程：\(\ce{NaHCO3}\) 首先解離成 \(\mathrm{Na}^{+}\) 和 \(\ce{HCO3-}\)，然後碳酸氫根離子會與水發生酸鹼反應。在這個溶液中，它接受質子的行為具有較大的整體影響。
首先，離子固體發生解離：
\[ \ce{NaHCO3(s) -> Na+(aq) + HCO3-(aq)} \]
這條方程式並沒有出現氫氧根離子。第一名學生的錯誤，是假設所有鹼都必須含有並釋放 \(\ce{OH-}\)。事實上，就像氨不需要本身含有 \(\ce{OH-}\)，也能形成鹼性溶液一樣。
碳酸氫根離子可以從水中接受一個質子：
\[ \ce{HCO3-(aq) + H2O(l) <=> H2CO3(aq) + OH-(aq)} \]
在這個反應中，\(\ce{HCO3-}\) 充當鹼。產生的 \(\ce{OH-}\) 解釋了觀察到的鹼性。
但是，\(\ce{HCO3-}\) 也可以捐出一個質子：
\[ \ce{HCO3-(aq) + H2O(l) <=> CO3^2-(aq) + H3O+(aq)} \]
在這個反應中，同一個離子充當酸。
最終溶液呈鹼性的觀察結果告訴我們，在這些條件下，接受質子的行為對水合氫離子與氫氧根離子之間的平衡有較大的影響。
第二名學生所寫的方程式：
\[ \ce{NaHCO3 -> Na+ + H+ + CO3^2-} \]
特別容易令人誤以為正確，因為它的原子數目和電荷都可以配平。但它錯誤地把兩種不同的過程合併在一起。碳酸氫鈉首先分離成原本已存在的離子。之後任何涉及 \(\ce{HCO3-}\) 的質子轉移，都是透過與水的相互作用發生，而不是直接向溶液釋放游離質子。
更深一層的重點是：一條方程式並不會僅僅因為配平正確，就代表它在化學上正確。它還必須顯示實際存在的粒子，以及將這些粒子連繫起來的化學過程。
這正是兩性質子物種的核心概念：同一個粒子可以在某個質子轉移反應中充當酸，在另一個反應中則充當鹼。下一個值得學習的重點，是如何判斷碳酸氫鹽等鹽類的哪一種行為佔主導地位；你可以在兩性質子鹽與離子方程式中進一步了解。