酸和碱浓度

酸和碱

Arrhenius 酸溶解在水中时会产生氢离子:

HA + H₂O → H⁺_（aq） + A^-_（aq）

其中，HA 是未解离的酸，H⁺ 是氢阳离子，A^- 是溶剂化阴离子——称为共轭碱。Arrhenius 碱溶解在水中时会产生氢氧根离子:

BOH + H₂O → B⁺_（aq） + OH^-_（aq）

其中，BOH 是未解离的碱，OH^- 是氢氧根离子，B⁺ 是溶剂化阳离子——称为共轭酸。当酸失去氢离子并有可能获得氢时，就会形成共轭碱。共轭酸也是如此，当碱失去羟基并有可能重新获得它时，就会形成共轭酸。每种酸都有一个共轭碱，每个碱都有一个共轭酸。

酸碱度

pH 值是溶液的酸度，是溶液中氢离子含量的量度。pH 值是对数的，范围从 0 到 14;pH 值低于 7 的水溶液被描述为酸性，pH 值高于 7 的水溶液被描述为碱性或碱性。pH 值为 7 的溶液被认为是中性的。

溶液的 pH 值等于溶液中氢离子浓度的负对数基数 10。

水与氢离子强烈相互作用，因为它的强正电荷会吸引周围水分子的负极。事实上，它们的相互作用非常强烈，以至于它们形成共价键和 H₃O⁺ 阳离子，称为水合氢离子。为了反映这一点，上述方程式被重写。

为简单起见，在讨论 pH 值时，我们将引用氢离子的浓度，而不是水合氢离子的浓度。溶液的 pH 值越低，存在的氢离子就越多，进而，溶液的酸性就越强。例如，1 mM 硫酸的 pH 值为 2.75，而 1 mM 盐酸的 pH 值为 3.01。硫酸溶液中氢离子的浓度计算为 1 × ^10-2.75，而盐酸溶液中氢离子的浓度为 1 × ^10-3.01。因此，硫酸中存在的氢离子更多，并且酸性更强。请记住，即使两种溶液的 pH 值可能相差仅 pH 值的一半，但由于 pH 值的对数性质，氢气的量变化很大。

酸和碱的强度

酸的强度受共轭碱的电负性和酸性氢的极性的影响。因此，强度是指氢阳离子 （H⁺） 与阴离子解离的难易程度。强酸和强碱在水溶液中完全解离，而弱酸和弱碱仅部分解离成它们的共轭离子。

解离常数 K_a 代表酸强度。K_a 使用非解离酸 HA 的浓度以及氢阳离子和共轭碱的浓度 A^- 计算得出。较高的 K_a 值表示较强的酸，而较小的 K_a 值表示较弱的酸。

K_a 在数值上非常小，通常以 pK_a 的形式报告，即 K_a 的负对数基数 10。较低的 pK_a 值对应于较强的酸，而较高的 pK_a 值对应于较弱的酸。

有些酸只解离一个氢离子，因此具有一个 pK_值。这些酸称为单质子酸。然而，有些酸可以解离多个氢离子，被称为多质子。这些酸对于每个氢离子解离都有一个 pK_a 值。

pK_a 还可用于计算酸碱反应的平衡 pH 值，如 Henderson-Hasselbalch 方程所示。

当共轭碱和弱酸的浓度已知时，Henderson-Hasselbalch 方程用于计算 pH 值，如果 pH 值和浓度已知，则用于计算 pK_a。

滴定

使用滴定法对酸碱反应进行定量研究。在滴定实验中，使用已知浓度的溶液（称为标准溶液）来确定另一种溶液的浓度。对于酸碱滴定，将标准化的碱溶液缓慢加入未知浓度的酸中（或将酸添加到碱中）。酸碱反应是中和反应，形成盐和水。当酸中氢离子的摩尔数等于从碱中添加的羟基离子的摩尔数时，溶液达到中性 pH 值。

为了进行酸碱滴定，使用滴定管将标准化碱缓慢添加到未知酸的搅拌瓶中，这样可以测量体积和滴加碱。在整个滴定过程中，使用添加到酸中的 pH 指示剂密切监测溶液的 pH 值。通常使用酚酞，因为溶液在变成碱性之前保持无色，变成浅粉红色。

当滴定接近等当点时，即氢离子的摩尔数等于添加的羟基离子的摩尔数时，由于羟基离子过量，pH 指示剂会暂时改变颜色。当烧瓶旋转时，pH 指示剂的酸性颜色会恢复。滴定完成，当过量的羟基离子将指示剂永久变为其基本颜色时，滴定已到达终点。

滴定曲线是溶液的 pH 值与添加的标准化碱体积的关系图。等当点位于曲线的拐点处，计算为滴定曲线的二阶导数。

如果酸是多质子酸，它将具有多个等当点，每个等当点对应一个氢离子解离。单质子酸等当点中间点的 pH 值，或多质子酸的等当点之间的 pH 值等于酸的 pK_a。

引用

1. Kotz， J.C.， Treichel Jr， P.M.， Townsend， J.R. （2012）.化学和化学反应性。加利福尼亚州贝尔蒙特:Brooks/Cole，圣智学习。
2. Silberberg， M.S. （2009）.化学:物质和变化的分子性质。马萨诸塞州波士顿:麦格劳-希尔。
3. 哈里斯，哥伦比亚特区（2015 年）。定量化学分析。纽约州纽约市:W.H. Freeman and Company。

Arrhenius acid 是一种溶于水时产生氢离子的物质，而碱会产生氢氧根离子。氢离子会立即与水反应形成水合氢离子，但为简单起见，我们将继续将它们视为氢离子。根据溶液中氢离子或氢氧根离子的含量，它被认为是酸性或碱性的。

我们使用 pH 值测量酸度或碱度的量，pH 值计算为氢离子浓度的负对数。因此，低于 7 的 pH 值是酸性的，高于 7 的 pH 值是碱性的。pH 7 是中性的。

酸和碱也根据它们的强度进行比较，这与它们的 pH 值不同。酸的强度与氢离子与阴离子（称为共轭碱）解离的难易程度有关。对于参考氢氧根离子及其共轭酸的碱，也遵循相同的想法。我们可以使用酸解离常数或 K_a 为该强度分配一个值。

K_a 使用未解离的酸和解离的氢离子和共轭碱的浓度来定义。你可能经常看到这种关系表示为 pK_a，它只是 K_a 的负对数。pK_a 越小，酸性越强。

一些酸，如盐酸，是单质子的，这意味着它们只能解离一个氢离子。多质子酸和磷酸一样，可以解离几个氢离子。每个解离都有自己的 pK_a。

那么，我们如何确定 pK_a呢？一种方法是进行酸碱滴定。滴定是通过将已知浓度的溶液缓慢加入未知浓度的溶液中，同时观察它们之间的反应来进行的。在这种情况下，酸在中和反应中与碱反应，形成盐和水。

因此，如果我们想测量酸中氢离子的浓度，我们可以简单地用具有已知氢氧根离子浓度的强碱滴定，直到酸被中和。为了准确进行滴定，需要对碱基进行标准化，这意味着您知道确切的氢氧根离子浓度。这并不总是那么简单。

例如，您将在实验中使用的 NaOH 具有很强的吸湿性，这意味着它可以从大气中吸收水分。这发生在 NaOH 作为固体和溶液中。因此，NaOH 溶液的真实浓度可能低于您的预期。

为了确定 NaOH 的确切浓度，我们必须首先进行酸碱滴定。为此，您必须使用碱滴定已知浓度的酸。邻苯二甲酸氢钾 （KHP） 是一种非吸湿性酸，因此我们可以根据其质量准确计算其浓度。

我们可以通过使用酚酞等 pH 指示剂来查看滴定何时完成——这意味着酸被中和。酚酞在大约 pH 0 到 pH 8 之间是中性的无色。

随着 pH 值的增加，两个氢离子解离。这种阴离子形式是粉红色的。因此，当我们开始滴定时，KHP 溶液是酸性的，酚酞是无色的。当我们添加 NaOH 并中和氢离子时，pH 值会增加。

在该反应中，当等量的酸和碱混合在一起时，溶液为中性。之后，再添加一点 NaOH 使 pH 值变为碱性，溶液变成粉红色。这称为终端节点。如果我们知道 KHP 的摩尔数和用于中和它的 NaOH 体积，我们就可以计算出碱的确切浓度。

一旦我们有了标准化碱，我们就可以通过在监测 pH 值的同时用标准化碱滴定已知浓度的酸来确定酸的 pK_a。pH 值与添加碱体积的关系图称为滴定曲线。曲线通常遵循 S 形或 S 形，其中曲线最陡部分的拐点表示等当点。

在这里，氢氧根离子和解离氢离子的摩尔数相等。与 pK_a 一样，我们将看到每个解离的氢离子都有一个等当点。因此，单质子酸只有一个等当点，而三质子酸有三个。

当我们进行滴定时，当 pH 指示剂勉强从无色变为粉红色时，我们就会知道我们已经通过了等当点。这称为滴定终点。就像我们标准化碱一样，这是当溶液含有少量过量的氢氧根离子时，因此是微碱性的。

图中的另一个拐点出现在等价点的中间。在这里，解离酸和非解离酸的浓度相等。因此，此时的 pH 值等于 pK_a。因此，如果我们进行滴定并确定等当点体积，那么我们可以计算出 pK_a 作为该体积一半时的 pH 值。

在本实验中，您将首先对碱进行标准化，然后使用该标准化碱进行滴定，以确定多质子酸的两个 pK_a。