酸和碱简介 — AP 化学

1. 酸碱定义与共轭对 ★★☆☆☆ ⏱ 4 min

AP化学考试要求你掌握三个层级的酸碱定义，每个定义适用范围不同。阿伦尼乌斯定义仅适用于水溶液，该定义认为：溶于水时，能增加$[\text{H}_3\text{O}^+]$的物质是酸，能增加$[\text{OH}^-]$的物质是碱。

AP考试中最常考的是布朗斯特-劳里定义：酸是质子（$\text{H}^+$）给体，碱是质子受体。由此直接引出共轭酸碱对的概念：每一种酸给出一个质子后形成其共轭碱，每一种碱接受一个质子后形成其共轭酸。根据定义，共轭对恰好相差一个质子。核心规律：酸越强，其共轭碱越弱，反之亦然。

最通用的是路易斯定义：路易斯酸接受电子对，路易斯碱给出电子对。该定义涵盖了没有质子转移的反应，但在入门题目中较少考察。

Exam tip: 在AP考试中被要求识别共轭对时，一定要确认两种物质恰好相差一个质子。常见干扰项是相差两个质子的对，因此数氢原子可以快速排除错误答案。

2. 水的自电离与pH标度 ★★★☆☆ ⏱ 4 min

水是两性物质，即它可以根据反应伙伴的不同，充当布朗斯特-劳里酸或碱。在纯水中，两个水分子会发生可逆自电离：

2\text{H}_2\text{O}(l) \rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+(aq) + \text{OH}^-(aq)

该反应的平衡常数是水的离子积$K_w$。纯液态水不写入平衡表达式，因此得到：

K_w = [\text{H}_3\text{O}^+][\text{OH}^-]

在25℃下，$K_w = 1.0 \times 10^{-14}$。pH标度简化了水合氢离子浓度很小情况下的计算，定义为$\text{pH} = -\log[\text{H}_3\text{O}^+]$，而pOH定义为$\text{pOH} = -\log[\text{OH}^-]$。在25℃下，由此得到核心关系$\text{pH} + \text{pOH} = 14$。

中性溶液中水合氢离子和氢氧根浓度相等：$[\text{H}_3\text{O}^+] = [\text{OH}^-]$，只有在25℃下这才对应$\text{pH} = 7$。25℃下，酸性溶液$\text{pH} < 7$，碱性溶液$\text{pH} > 7$。$K_w$随温度升高而增大（自电离是吸热过程），因此中性溶液的pH随温度升高而降低。

Exam tip: 永远不要默认中性溶液的pH一定是7。一定要检查题目是否给出非室温或不同的$K_w$值，正确应用中性的定义。

3. 酸和碱的解离常数（$K_a$和$K_b$） ★★★☆☆ ⏱ 4 min

强酸和强碱在稀水溶液中完全解离，因此入门计算不需要平衡常数。弱酸和弱碱仅部分解离，因此我们用平衡常数描述它们的强度。

对于一般弱酸$\text{HA}$，在水中的解离反应为：

\text{HA}(aq) + \text{H}_2\text{O}(l) \rightleftharpoons \text{A}^-(aq) + \text{H}_3\text{O}^+(aq)

酸解离常数$K_a$为：

K_a = \frac{[\text{H}_3\text{O}^+][\text{A}^-]}{[\text{HA}]}

对于一般弱碱$\text{B}$，与水的反应为：

\text{B}(aq) + \text{H}_2\text{O}(l) \rightleftharpoons \text{BH}^+(aq) + \text{OH}^-(aq)

K_b = \frac{[\text{BH}^+][\text{OH}^-]}{[\text{B}]}

$K_a$越大，弱酸越强；$K_b$越大，弱碱越强。对于任意共轭酸碱对，核心关系为：

K_a \times K_b = K_w

该关系可以让你从母体酸的$K_a$计算共轭碱的$K_b$，反之亦然，且它仅适用于共轭酸碱对。

Exam tip: $K_a \times K_b = K_w$关系仅适用于共轭酸碱对。绝对不要将其用于不相关的酸和碱，这总是会得到错误结果。

4. AP风格概念检查 ★★★☆☆ ⏱ 2 min