酸碱平衡

化学· 第18单元：进阶化学平衡· 15 分钟阅读

1. 布朗斯特-劳里酸碱理论★★☆☆☆⏱ 4 min

📘 定义

布朗斯特-劳里酸

能够向其他物质给出质子（ $H^{+}$ 离子）的物质

例:

盐酸（ $H C l$ ）在水溶液中向水给出一个质子

反之，布朗斯特-劳里碱被定义为质子受体。所有碱都至少有一对孤对电子，可与给出的质子成键。该理论比更早的阿伦尼乌斯理论更具通用性，阿伦尼乌斯理论仅适用于水溶液。

📐 例题

指出下列正反应中哪些物质是酸，哪些是碱: $N H_{3} (a q) + H C l (g) \to N H_{4} C l (s)$

1
首先，追踪反应物之间的质子转移，识别供体和受体。
2
$H C l$ 失去一个质子形成 $C l^{-}$ ，因此它是质子供体。
3
$N H_{3}$ 得到一个质子形成 $N H_{4}^{+}$ ，因此它是质子受体。
4
最终答案: $H C l$ = 酸， $N H_{3}$ = 碱

Exam tip:

CIE考官几乎总会要求识别反应中的酸碱物质，一定要根据质子转移判断，而不仅仅看电荷。

2. 共轭酸碱对★★☆☆☆⏱ 3 min

📘 定义

共轭酸碱对

仅相差一个质子的两种物质，由酸给出质子或碱接受质子形成。酸给出质子后剩余的物质是该酸的共轭碱；碱接受质子后形成的物质是该碱的共轭酸。

例:

$H C l$ (酸) 和 $C l^{-}$ (共轭碱) 构成一对共轭酸碱对

酸强度与共轭碱强度成反比：强酸的共轭碱非常弱，而弱酸的共轭碱相对较强。这是因为强酸完全解离，因此其共轭碱几乎没有重新接受质子的倾向。

📐 例题

写出下列平衡体系中所有的共轭酸碱对: $H N O_{2} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ N O_{2}^{-} (a q) + H_{3} O^{+} (a q)$

1
根据平衡体系中物质的质子差异分组。
2
$H N O_{2}$ 失去一个质子变为 $N O_{2}^{-}$ ，因此这是第一对: $H N O_{2}$ (酸) 和 $N O_{2}^{-}$ (共轭碱).
3
$H_{2} O$ 得到一个质子变为 $H_{3} O^{+}$ ，因此这是第二对: $H_{2} O$ (base) 和 $H_{3} O^{+}$ (conjugate acid).

3. pH标度与强酸pH计算★★★☆☆⏱ 5 min

📘 定义

pH

pH = -\log_{10}[H^+_{(aq)}]

测量水溶液中氢离子浓度的对数标度，在25°C下范围约为~0 (强酸性) 到 ~14 (强碱性)。

强酸在水溶液中完全解离，因此对于一元强酸（含一个酸性质子）， $[H^{+}] = [a c i d]_{ini t ia l}$ 。对于像 $H_{2} S O_{4}$ 这样的二元强酸，CIE假定其完全解离，因此 $[H^{+}] = 2 \times [a c i d]_{ini t ia l}$ 。

📐 例题

计算25°C下0.050 mol dm⁻³盐酸的pH值。

1
HCl是一元强酸，因此会完全解离：
2
$HCl(aq) \rightarrow H^+(aq) + Cl^-(aq)$
3
因此， $[H^{+}] = [H C l] = 0.050$ mol dm⁻³
4
代入pH公式：
5
$pH = -\log_{10}(0.050) = 1.30$
6
最终pH = 1.30 (保留两位小数)

Exam tip:

除非题目明确说明，否则pH值始终保留两位小数，这是CIE的评分要求。

4. 弱酸与酸解离常数Ka★★★☆☆⏱ 6 min

📘 定义

酸解离常数 (Ka)

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

弱酸 $H A$ 在水溶液中解离的平衡常数。 $p K a = - lo g_{10} K a$ ，因此pKa越小，酸性越强。

弱酸仅部分解离，因此我们用Ka来量化其强度。对于大多数弱酸，解离程度非常小，因此CIE认可两种简化近似： $[H A]_{e q u i l ib r i u m} \approx [H A]_{ini t ia l}$ 和 $[H^{+}] \approx [A^{-}]$ 。

📐 例题

25°C下，0.10 mol dm⁻³的一元弱酸HA溶液的Ka = 1.8 × 10⁻⁵ mol dm⁻³，计算其pH。

1
写出HA的解离平衡：
2
$HA(aq) \rightleftharpoons H^+(aq) + A^-(aq)$
3
写出Ka表达式：
4
$K_a = \frac{[H^+][A^-]}{[HA]}$
5
代入公认的近似： $[H^{+}] = [A^{-}]$ ， $[H A] \approx 0.10$ ：
6
$1.8 \times 10^{-5} = \frac{[H^+]^2}{0.10}$
7
整理后求解 $[H^{+}]$ ：
8
$[H^+]^2 = 1.8 \times 10^{-6} \rightarrow [H^+] = 1.34 \times 10^{-3} \text{ mol dm}^{-3}$
9
计算pH：
10
$pH = -\log_{10}(1.34 \times 10^{-3}) = 2.87$

5. 常见陷阱

错误做法:

pH计算时将二元 $H_{2} S O_{4}$ 当作一元酸处理

原因:

CIE假定硫酸完全解离，因此 $[H^{+}]$ 是酸浓度的两倍

正确做法:

计算强酸的 $[H^{+}]$ 前，一定要先检查酸性质子的数量

错误做法:

忘记pH公式中的负号，得到错误的负pH值

原因:

负号反转了标度，因此 $[H^{+}]$ 越高pH越低，符合标准约定

正确做法:

一定要再次检查计算器输入，确认包含负号

错误做法:

使用阿伦尼乌斯定义回答酸碱定义类问题

原因:

CIE要求在所有A-Level酸碱问题中使用布朗斯特-劳里定义，因为该定义更通用

正确做法:

始终将酸定义为质子供体，碱定义为质子受体

错误做法:

混淆共轭对中的共轭酸和共轭碱

原因:

学生经常混淆哪种物质得到质子、哪种失去质子

正确做法:

记住：多一个质子 = 共轭酸，少一个质子 = 共轭碱

错误做法:

不使用弱酸近似，导致过于复杂的二次方程计算

原因:

对于CIE常考的所有弱酸，该近似都是有效且被认可的

正确做法:

除非题目明确禁止，否则使用该近似，节省考试时间

6. 速查表

概念	公式/规则
布朗斯特-劳里酸	质子供体
布朗斯特-劳里碱	质子受体
pH	$p H = - lo g_{10} [H^{+}]$
一元强酸	$[H^{+}] = [a c i d]_{ini t ia l}$
二元强酸	$[H^{+}] = 2 [a c i d]_{ini t ia l}$
弱酸HA的Ka	$K_{a} = \frac{[ H ^{+} ] [ A ^{-} ]}{[ H A ]}$
pKa	$p K a = - lo g_{10} K a$
共轭酸碱对	恰好相差1个质子

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 · Paper 1
识别共轭酸碱对
2022 · Paper 2
计算弱酸的pH值
2021 · Paper 4
布朗斯特-劳里酸碱定义

深入阅读

referenceIUPAC金皮书：酸碱定义供进阶学习酸碱理论使用

下一步

酸碱平衡是CIE A-Level化学中所有后续酸碱主题的基础，包括缓冲溶液、pH曲线、滴定和水的离子积。你在此学到的Ka和pH计算原理，将在后续主题中扩展到弱碱和盐类水解，也是试卷2和试卷4中常考的滴定计算的基础。掌握此处的核心定义和基础pH计算，对于避免在拓展回答题中丢失容易得到的分数至关重要。你可以通过学习下方的相关主题来拓展本部分知识。