HKDSE化學溫習筆記：酸和鹼
大家好！歡迎來到「酸和鹼」這個課題的溫習筆記。別擔心，這個課題其實無處不在，從你飲品中的檸檬到洗手用的肥皂，都和它息息相關。了解酸和鹼是化學中一個非常基礎且重要的部分。在這些筆記中，我們會把所有內容拆解成簡單易懂的部分。我們將學習酸為何是酸、什麼是鹼，以及如何利用「pH標度」來量度它們的強度。準備好就一起開始吧！
1. 認識酸
重點概念是什麼？H⁺(aq)的概念
關於酸，最重要的一點就是：酸是當溶於水時，會產生氫離子作為唯一正離子的物質。氫離子寫作H⁺(aq)。 `(aq)`只是表示它是「水溶液」或溶於水中。
這樣想像吧： 一個酸分子就像一個包裹，裡面裝著一個或多個H⁺離子。當你把它放進水裡時，水會「拆開」這個包裹，把H⁺離子釋放出來！
水的關鍵作用
酸只有在溶於水時才會顯現其酸性。沒有水，H⁺離子就不會被釋放。例如，純淨、乾燥的氯化氫(HCl)氣體沒有酸性。但當你將它溶於水中時，它會形成鹽酸並釋放出H⁺(aq)離子，使溶液呈現酸性。
比喻：一個茶包有潛力泡出茶，但你只有加入熱水後才能得到茶（它的味道和顏色）。同樣地，酸只有在加水後才會顯現其特性。
常見酸類要記住
在實驗室中：
鹽酸 (HCl)
硫酸 (H₂SO₄)
硝酸 (HNO₃) （了解一下就好，但鹽酸和硫酸是課程中的主要例子）
在日常生活中：
乙酸（在醋中）
檸檬酸（在檸檬和橙中）
碳酸（在汽水飲品中）
酸的典型反應
因為所有酸在水中都會產生H⁺(aq)，它們具有相似的化學反應。這些就是它們的「特性」。
1. 酸與活潑金屬反應：
這個反應會產生鹽和氫氣。
例子：鎂 + 鹽酸 → 氯化鎂 + 氫氣
化學方程式：$$Mg(s) + 2HCl(aq) \rightarrow MgCl_2(aq) + H_2(g)$$
離子方程式：$$Mg(s) + 2H^+(aq) \rightarrow Mg^{2+}(aq) + H_2(g)$$
（留意一下，這個反應的關鍵是金屬與H⁺離子之間的反應！）
2. 酸與碳酸鹽和碳酸氫鹽反應：
這個反應會產生鹽、水和二氧化碳氣體。
例子：碳酸鈣（石灰石）+ 鹽酸 → 氯化鈣 + 水 + 二氧化碳
化學方程式：$$CaCO_3(s) + 2HCl(aq) \rightarrow CaCl_2(aq) + H_2O(l) + CO_2(g)$$
離子方程式：$$CaCO_3(s) + 2H^+(aq) \rightarrow Ca^{2+}(aq) + H_2O(l) + CO_2(g)$$
3. 酸與鹼基／鹼反應（中和作用）：
我們會在下一部分詳細探討，但關鍵反應是：酸 + 鹼基 → 鹽 + 水。
什麼是酸的「鹽基度」？
這聽起來可能有點混淆，但其實很簡單！鹽基度是指一個酸分子在水中溶解時可以釋放的H⁺離子數量。
單鹽基酸： 每個分子釋放一個H⁺離子。（例如：HCl, HNO₃, CH₃COOH）
二鹽基酸： 每個分子釋放兩個H⁺離子。（例如：H₂SO₄）
三鹽基酸： 每個分子釋放三個H⁺離子。（例如：H₃PO₄）
酸的重點摘要
酸的關鍵就是H⁺(aq)離子！這個離子負責其所有特性和反應。水是釋放它的關鍵。
2. 了解鹼（和鹼基！）
鹼基與鹼：有什麼分別？
這是一個很常見的混淆點，現在就讓我們把它弄清楚。
鹼基是一種與酸反應只產生鹽和水的物質。鹼基可以溶於水，也可以不溶於水。
鹼是一種可溶性鹼基。當它溶於水中時，會產生氫氧根離子 (OH⁻(aq))。
記憶訣竅： 所有鹼都是鹼基，但並非所有鹼基都是鹼。 這樣想吧：所有爹利犬都是狗，但並非所有狗都是爹利犬。鹼只是鹼基中的一個特定組別（那些可以溶於水的）。
鹼的定義離子：OH⁻(aq)
就像H⁺(aq)定義了酸一樣，氫氧根離子，OH⁻(aq)，定義了鹼。鹼是當溶於水時會產生OH⁻(aq)離子的物質。
常見鹼類要記住
在實驗室中：
氫氧化鈉 (NaOH)
氫氧化鉀 (KOH)
氨水 (NH₃(aq))
在日常生活中：
梳打粉溶液（碳酸氫鈉）
肥皂和洗滌劑
焗爐清潔劑（通常含有NaOH）
鹼的典型反應
鹼有它們自己的一系列特性反應，這都是因為OH⁻(aq)離子。
1. 鹼與酸反應（中和作用）：
這是經典的酸鹼反應。酸中的H⁺和鹼中的OH⁻結合形成中性水。
例子：氫氧化鈉 + 鹽酸 → 氯化鈉 + 水
化學方程式：$$NaOH(aq) + HCl(aq) \rightarrow NaCl(aq) + H_2O(l)$$
離子方程式：$$H^+(aq) + OH^-(aq) \rightarrow H_2O(l)$$
（這個離子方程式是所有酸與鹼中和反應的核心！）
2. 鹼與銨鹽加熱反應：
這個反應會產生鹽、水和氨氣。氨氣具有特有的刺激性氣味。
例子：氫氧化鈉 + 氯化銨 → 氯化鈉 + 水 + 氨
化學方程式：$$NaOH(aq) + NH_4Cl(aq) \xrightarrow{heat} NaCl(aq) + H_2O(l) + NH_3(g)$$
離子方程式：$$OH^-(aq) + NH_4^+(aq) \xrightarrow{heat} H_2O(l) + NH_3(g)$$
鹼的重點摘要
鹼是可溶性鹼基，在水中產生OH⁻(aq)離子。這個離子決定了它們的特性，包括中和酸的能力。
3. 安全第一！腐蝕性
濃酸和濃鹼都具高度腐蝕性。這表示它們會對皮膚、眼睛和衣物造成嚴重損害。務必小心處理！
務必佩戴安全眼鏡。
稀釋濃酸（特別是硫酸）時，應將酸慢慢加入水中，而不是將水加入酸中。這是因為會釋放大量熱能。將水加入酸中可能會導致酸沸騰並濺出危險的酸液！
記憶訣竅： 「要稀釋，酸加水，切勿倒轉。」
你知道嗎？ 濃硫酸是一種強效脫水劑，它能從糖中移除氫原子和氧原子（以水形式），留下黑色的碳塊！
4. pH標度：量度酸度的尺
我們需要一種方法來量度溶液的酸性或鹼性。我們會使用pH標度。這是一個通常從0到14的數值標度。
pH < 7的溶液是酸性的。（pH值越低，酸性越強。）
pH = 7的溶液是中性的。（例如：純水。）
pH > 7的溶液是鹼性的。（pH值越高，鹼性越強。）
pH值的數學計算（適用於強酸）
pH標度是一個對數標度。將pH值與H⁺(aq)離子濃度聯繫起來的公式是：
$$pH = -\log[H^+(aq)]$$
其中[H⁺(aq)]是氫離子濃度，單位為mol dm⁻³。
如果一開始覺得有點難，別擔心！對於你需要知道的強酸（例如HCl和H₂SO₄），計算pH值其實很直接。「強」是指酸在水中會完全分解（電離）。
pH值計算步驟
例子一：找出0.1 mol dm⁻³ HCl(aq) 的pH值。
識別酸的類型。 HCl是一種強的單鹽基酸。這表示1個HCl分子會釋放1個H⁺離子。
找出[H⁺(aq)]。 因為它是強單鹽基酸，[H⁺(aq)]與酸的濃度相同。所以，[H⁺(aq)] = 0.1 mol dm⁻³。
使用公式。 $$pH = -\log(0.1)$$
計算。 在計算機上，-log(0.1) = 1。pH值是1。
例子二：找出0.05 mol dm⁻³ H₂SO₄(aq) 的pH值。
識別酸的類型。 H₂SO₄是一種強的二鹽基酸。這表示1個H₂SO₄分子會釋放2個H⁺離子。
找出[H⁺(aq)]。 因為它是二鹽基酸，我們必須將酸的濃度乘以2。所以，[H⁺(aq)] = 2 x 0.05 = 0.1 mol dm⁻³。
使用公式。 $$pH = -\log(0.1)$$
計算。 pH值是1。
常犯錯誤提醒！ 在計算pH值之前，務必檢查酸是否為二鹽基酸（如H₂SO₄）或三鹽基酸（如H₃PO₄）。忘記將濃度乘以2或3是一個非常常見的錯誤！
5. 如何在實驗室中測量pH值
有幾種方法可以找出溶液的pH值，從粗略估計到精確測量都有。
酸鹼指示劑
這些是特殊的染料，在酸性或鹼性條件下會改變顏色。它們提供一個簡單的「是/否」答案，但不能告訴你確切的pH值。
石蕊試紙： 在酸性溶液中變成紅色，在鹼性溶液中變成藍色。
甲基橙： 在酸性溶液中變成紅色，在鹼性溶液中變成黃色。
記憶訣竅：「My Apple is Red, my Banana is Yellow」（MAR代表甲基橙－酸性－紅色，BY代表鹼性－黃色）。酚酞： 在酸性溶液中是無色的，在鹼性溶液中是粉紅色的。
廣用指示劑
這是一種混合了多種不同指示劑的物質。它不會只顯示一種顏色變化，而是產生一系列完整的顏色光譜，從極強酸（pH 1）的紅色到極強鹼（pH 14）的深紫色。透過將顏色與圖表比對，你可以估計pH值。
pH計
這是最準確的方法。pH計是一種電子儀器，帶有一個探頭，你將它放入溶液中。它會提供精確的pH值數字讀數，通常精確到兩位小數。
快速回顧：選擇方法
只是想簡單檢查某物是酸還是鹼？使用石蕊試紙或其他簡單指示劑。
想粗略了解pH值（例如pH 4或pH 10）？使用廣用指示劑。
為了實驗需要得到非常準確和精確的pH讀數？使用pH計。