酸和碱简介

AP 化学· AP化学课程与考试说明（CED）—— 酸和碱· 14 分钟阅读

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 $[H_{3} O^{+}]$ 的物质是酸，能增加 $[OH^{-}]$ 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（ $H^{+}$ ）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。

📘 定义

共轭酸碱对

恰好相差一个质子（ $H^{+}$ ）的两种物质：酸给出质子后形成另一种物质（共轭碱），或碱接受质子后形成其共轭酸。

例:

$NH_{3}$ (base) and $NH_{4}^{+}$ (conjugate acid)

📐 例题

对于反应 $NH_{3} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ NH_{4}^{+} (a q) + OH^{-} (a q)$ ，识别所有布朗斯特-劳里酸和碱，并标出所有共轭酸碱对。

1
回忆布朗斯特-劳里规则：酸给出质子，碱接受质子。
2
反应物一侧： $NH_{3}$ 得到一个质子变为 $NH_{4}^{+}$ ，因此 $NH_{3}$ 是碱。 $H_{2} O$ 失去一个质子变为 $OH^{-}$ ，因此 $H_{2} O$ 是酸。
3
产物一侧： $NH_{4}^{+}$ 可以失去质子重新生成 $NH_{3}$ ，因此它是共轭酸。 $OH^{-}$ 可以得到质子重新生成 $H_{2} O$ ，因此它是共轭碱。
4
将恰好相差一个质子的物种配对：对1 = 碱 $NH_{3}$ / 共轭酸 $NH_{4}^{+}$ ；对2 = 酸 $H_{2} O$ / 共轭碱 $OH^{-}$ 。

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， $K_{w} = 1.0 \times 1 0^{- 14}$ 。pH标度简化了水合氢离子浓度很小情况下的计算，定义为 $pH = - lo g [H_{3} O^{+}]$ ，而pOH定义为 $pOH = - lo g [OH^{-}]$ 。在25℃下，由此得到核心关系 $pH + pOH = 14$ 。

中性溶液中水合氢离子和氢氧根浓度相等： $[H_{3} O^{+}] = [OH^{-}]$ ，只有在25℃下这才对应 $pH = 7$ 。25℃下，酸性溶液 $pH < 7$ ，碱性溶液 $pH > 7$ 。 $K_{w}$ 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。

📐 例题

在50℃下，水的 $K_{w}$ 为 $5.48 \times 1 0^{- 14}$ 。计算50℃下中性水溶液的pH，并判断该溶液是酸性、碱性还是中性。

1
根据定义，中性溶液满足 $[H_{3} O^{+}] = [OH^{-}]$ ，因此代入 $K_{w}$ 表达式得：
2
$K_w = [\text{H}_3\text{O}^+]^2$
3
求解 $[H_{3} O^{+}]$ ：
4
$[\text{H}_3\text{O}^+] = \sqrt{5.48 \times 10^{-14}} \approx 2.34 \times 10^{-7} \; M$
5
计算pH：
6
$\text{pH} = -\log(2.34 \times 10^{-7}) \approx 6.63$
7
无论pH是多少，当且仅当 $[H_{3} O^{+}] = [OH^{-}]$ 时溶液为中性，因此该溶液是中性的。

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 $HA$ ，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 $B$ ，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。

📐 例题

甲酸（ $HCOOH$ ，蚂蚁叮咬的有效成分）在25℃下的 $K_{a} = 1.8 \times 1 0^{- 4}$ 。其共轭碱甲酸根离子（ $HCOO^{-}$ ）在25℃下的 $K_{b}$ 是多少？甲酸根和氟离子（ $K_{b} = 1.6 \times 1 0^{- 11}$ ）相比，碱性更强还是更弱？

1
使用共轭对关系： $K_{a} (酸) \times K_{b} (共轭碱) = K_{w}$ 。25℃下， $K_{w} = 1.0 \times 1 0^{- 14}$ 。
2
整理得 $K_{b}$ 的表达式：
3
$K_b = \frac{K_w}{K_a} = \frac{1.0 \times 10^{-14}}{1.8 \times 10^{-4}} \approx 5.6 \times 10^{-11}$
4
$K_{b}$ 越大，碱性越强。比较数值： $5.6 \times 1 0^{- 11} > 1.6 \times 1 0^{- 11}$ ，因此甲酸根离子的碱性强于氟离子。

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

✓ 快速检测

用这些AP风格的选择题测试你对核心概念的理解：

下列哪一对被正确标记为布朗斯特-劳里共轭酸碱对？
- A) $H_{2} CO_{3}$ and $CO_{3}^{2 -}$
- B) $H_{2} PO_{4}^{-}$ and $HPO_{4}^{2 -}$
- C) $H_{2} S$ and $S^{2 -}$
- D) $H_{2} O$ and $O^{2 -}$
显示答案
B —
共轭对恰好相差一个质子。只有选项B符合该定义；所有其他选项都相差两个质子。
水的自电离是吸热过程。温度升高时， $K_{w}$ 和中性溶液的pH会发生什么变化？
- A) $K_{w}$ increases, pH of neutral solution decreases
- B) $K_{w}$ increases, pH of neutral solution increases
- C) $K_{w}$ decreases, pH of neutral solution decreases
- D) $K_{w}$ decreases, pH of neutral solution increases
显示答案
A —
温度升高时，吸热反应平衡右移，产物浓度升高，因此 $K_{w}$ 增大。 $K_{w}$ 越大，中性溶液的pH越低，而中性溶液仍然满足 $[H_{3} O^{+}] = [OH^{-}]$ 。

5. 常见陷阱

错误做法:

假设所有温度下中性溶液的pH都是7

原因:

学生记住了25℃的数值，却忘记 $K_{w}$ 随温度变化，因此 $p K_{w}$ 也会变化。

正确做法:

一定要确认温度和给出的 $K_{w}$ 值；只有当 $[H_{3} O^{+}] = [OH^{-}]$ 时溶液才是中性的，而非pH=7时。

错误做法:

将相差不是一个质子的物质识别为共轭酸碱对

原因:

学生将电荷变化和质子变化混淆，或者忘记一个质子会增加一个氢原子和+1电荷。

正确做法:

一定要数氢原子的数量并检查电荷差，确认两种物质恰好相差一个 $H^{+}$ 。

错误做法:

在书写 $K_{a}$ 或 $K_{b}$ 表达式时，将纯液态水（溶剂）写入分母

原因:

学生忘记纯液体在平衡表达式中的活度为1，因此需要省略。

正确做法:

从 $K_{a} / K_{b}$ 平衡表达式中省略所有纯固体和纯液体（包括溶剂水）。

错误做法:

将pH计算为 $lo g [H_{3} O^{+}]$ 而非 $- lo g [H_{3} O^{+}]$ ，导致酸性溶液得到负pH，而实际上应该为正

原因:

学生记错了pH标度的定义，忘记了负号。

正确做法:

一定要再次检查关系： $[H_{3} O^{+}]$ 越高，pH应该越低，因此必须有负号。

错误做法:

对不是共轭对的酸和碱使用 $K_{a} \times K_{b} = K_{w}$

原因:

学生记住了这个关系，却忘记它仅适用于相差一个质子的对。

正确做法:

仅将 $K_{a}$ - $K_{b}$ 关系用于酸及其对应的共轭碱，或碱及其对应的共轭酸。

错误做法:

认为 $H_{2} O$ 只能是酸或只能是碱，忘记它是两性物质

原因:

学生首先学到水是溶剂，因此忘记它可以根据反应伙伴的不同充当质子给体或受体。

正确做法:

在识别反应中的酸/碱时，一定要检查 $H_{2} O$ 是得到还是失去质子，从而正确分配其角色。

6. 速查表

类别	公式/规则	注释
布朗斯特-劳里共轭对	Difference of exactly 1 $H^{+}$	酸越强 = 共轭碱越弱，反之亦然
水的离子积	$K_{w} = [H_{3} O^{+}] [OH^{-}]$	仅在25℃下 $K_{w} = 1.0 \times 1 0^{- 14}$ ；随温度升高而增大
pH定义	$pH = - lo g [H_{3} O^{+}]$	适用于稀水溶液
pOH定义	$pOH = - lo g [OH^{-}]$	适用于稀水溶液
pH + pOH关系	$pH + pOH = p K_{w}$	仅在25℃下等于14
弱酸解离常数	$K_{a} = \frac{[ H _{3} O ^{+} ] [ A ^{-} ]}{[ HA ]}$	$K_{a}$ 越大 = 弱酸越强
弱碱解离常数	$K_{b} = \frac{[ BH ^{+} ] [ OH ^{-} ]}{[ B ]}$	$K_{b}$ 越大 = 弱碱越强
共轭对 $K_{a}$ - $K_{b}$ 关系	$K_{a} \times K_{b} = K_{w}$	仅适用于酸及其共轭碱

真题中的出现

AI 根据考纲规律估算的考点位置,请对照官方真题核实准确性。仅作复习重点参考。

2023 · MCQ
识别共轭酸碱对
2022 · FRQ
计算非25℃下中性溶液的pH
2021 · MCQ
关联共轭对的Ka和Kb

下一步

本入门子主题是AP化学第8单元所有后续酸碱化学主题的基础，第8单元占你考试总分的10-15%。你在这里学到的定义、平衡关系和计算规则将应用于更复杂的问题，包括弱酸弱碱的pH计算、缓冲溶液、酸碱滴定，以及涉及酸/碱性离子的溶解平衡。现在掌握这些核心基础会让更高级的主题更容易理解，因为AP考试中几乎每道酸碱FRQ都从考察这些入门概念的问题开始。