目 錄 CHAPTER
1 吳玉琛 1
化學導論 1.1
化學的演化 2
3.5
體積的計算 58
3.6
以排量法求體積 62
3.7
密度的概念 64
化學隨筆
化學隨筆 一個理論的興起和沒落 4
較便宜的汽油帳單 69
3.8
現代化學 4
溫度 69
1.2
3.9
學習化學 6
熱和比熱 73
1.3
摘要 77
摘要 8
解難技巧 78 關鍵字 79
關鍵字 8 課後測驗 9
課後測驗 79 自我檢測 83
自我檢測 10 CHAPTER
2
CHAPTER
程淑芬 11
科學的量測 2.1
測量值中的不準度 12
2.2
有效數字 17
2.3 非有效數字的四捨五入近似法 19
4 程淑芬 85
物質與能量 4.1
物質的物理狀態 86
4.2
元素、化合物及混合物 89
4.3
元素的命名及符號 92
2.4
測量數值的加減運算 21
2.5
測量數值的乘除運算 22
2.6
指數 23
4.4
金屬、非金屬和類金屬 96
2.7
科學記數法 25
4.5
化合物和化學式 102
2.8
單位方程式及單位因子 27
4.6
物理和化學性質 105
2.9
單位分析法解決問題 29
4.7
物理和化學變化 107
化學隨筆
世界貿易中心 32
化學隨筆
Aluminum 或 Aluminium 93
4.8
質量守恆 109
2.10 百分比概念 32
4.9
位能和動能 111
摘要 35 解難技巧 36
4.10 能量守恆 113
關鍵字 37
摘要 117 關鍵字 118
課後測驗 37
課後測驗 119
自我檢測 41
自我檢測 123
CHAPTER
3
CHAPTER
程淑芬 43
公制系統 3.1
基本單位和符號 44
化學隨筆
奈米技術 47
5
原子模型
卓怡孜 125
5.1
道耳吞的原子模型 126
5.2
湯木生的原子模型 127
3.2
公制轉換因子 48
5.3
拉塞福的原子模型 128
3.3
公制－公制轉換 50
5.4
原子的標記法 131
3.4
公制－英制轉換 53
5.5
原子量 134
光的波動性 137
7.6
三元離子化合物 212
5.7
量子概念 139
7.7
二元分子化合物 215
5.8
波耳的原子模型 141
7.8
二元酸 217
7.9
三元含氧酸 218
5.6
化學隨筆 5.9
氖光 145
摘要 219 命名法技巧 220
能階與次能階 145
5.10 電子組態 148 5.11 原子的量子力學模型 151
摘要 155 關鍵字 156
自我檢測 226
課後測驗 157 自我檢測 160 CHAPTER
關鍵字 221 課後測驗 222
CHAPTER
8 劉惠銘 227
化學反應
6 卓怡孜 163
元素週期表
8.1
化學反應的證據 228
8.2
化學反應式的表示法 229
6.1
元素的分類 164
8.3
化學反應式的平衡 231
6.2
週期律的概念 166
8.4
化學反應的類型 236
6.3
元素的族和週期 167
8.5
化合反應 238
8.6
分解反應 241
化學隨筆
IUPAC 的族數 169
6.4
週期的趨勢 171
8.7
元素活性序列的觀念 245
6.5
元素性質 174
8.8
單置換反應 247
6.6
元素區塊 176
8.9
溶解度法則 250
6.7
價電子 179
8.10 雙置換反應 251
6.8
電子點式 180
8.11 中和反應 253
6.9
游離能 182
化學隨筆
6.10 離子電荷 184
家用清潔劑 254
摘要 188
摘要 255 關鍵字 256
關鍵字 189 課後測驗 190
課後測驗 257 自我檢測 261
自我檢測 194 CHAPTER
7 黃文盈 195
7.1
化合物分類 196
7.2
單原子離子 200
7.3
多原子離子 204
7.4
寫出化學式 206
化學隨筆
9
莫耳概念
化學語言
7.5
CHAPTER
營養的鉀 209
二元離子化合物 209
9.1
亞佛加厥數 264
9.2
莫耳計算Ⅰ 265
9.3
莫耳質量 268
9.4
莫耳計算Ⅱ 270
9.5
莫耳體積 274
9.6
莫耳計算Ⅲ 277
9.7
組成百分比 280
郭文隆 263
9.8
實驗式 282
9.9
分子式 285
壓力－溫度之相關性 344 11.7
聯合氣體定律 347
11.8
蒸氣壓概念 349
摘要 288 解難技巧 289
11.9
道耳吞分壓定律 351
關鍵字 290 課後測驗 291
11.11 理想氣體定律 356
自我檢測 295
摘要 359 解難技巧 360
化學隨筆
CHAPTER
亞佛加厥數 287
11.10 理想氣體行為 354
化學隨筆
10
化學方程式計算
黃文盈 297
10.1
解釋化學方程式 298
10.2
莫耳－莫耳關係 301
化學隨筆
鐵與鋼 303
概念化的氣體 357
關鍵字 361 課後測驗 361 自我檢測 365 CHAPTER
12 黃文盈 367
化學鍵
10.3
化學計量問題的分類 303
10.4
質量－質量問題 305
12.1
化學鍵概念 368
10.5
質量－體積問題 308
12.2
離子鍵 370
10.6
體積－體積問題 311
12.3
共價鍵 374
10.7
限量反應物的概念 314
12.4
分子的電子點式 377
10.8
限量反應物的問題 316
12.5
多原子離子的電子點式 382
10.9
百分產率 321
12.6
極性共價鍵 385
摘要 323
12.7
非極性共價鍵 388
解難技巧 324 關鍵字 325
12.8
配位共價鍵 390
12.9
氫鍵 391
課後測驗 325 自我檢測 329
12.10 分子形狀 392
CHAPTER
化學隨筆 摘要 397 關鍵字 398
11 吳玉琛 331
氣體 11.1
氣體性質 332
11.2
大氣壓力 333
11.3
影響氣壓之變因 336
11.4
波以耳定律：
11.5 11.6
鑽石與石墨 395
課後測驗 399 自我檢測 403 CHAPTER
13
液體與固體
黃文盈 405
壓力－體積之相關性 338
13.1
液體的性質 406
查理定律：
13.2
分子間鍵結概念 407
體積－溫度之相關性 341
13.3
蒸氣壓、沸點、黏度與
給呂薩克定律：
表面張力 409
15
13.4
固體的性質 413
13.5
結晶性固體 413
13.6
物理狀態變化 415
13.7
水的結構 418
15.1
酸與鹼的性質 470
13.8
水的物理性質 420
15.2
阿瑞尼斯酸與鹼 473
水的化學性質 422
15.3
布朗斯特－洛瑞酸與鹼 476
15.4
酸鹼指示劑 477
15.5
酸鹼滴定 479
13.9
CHAPTER
13.10 水合物 423
化學隨筆
瓶裝水 427
摘要 428 關鍵字 429 課後測驗 430 自我檢測 434 CHAPTER
劉惠銘 469
酸與鹼
15.6
酸鹼標定 482
15.7
水的離子化 485
15.8
pH 值 488
化學隨筆 15.9
酸雨 490
pH 值的進階運算 490
15.10 強電解質與弱電解質 492
14 吳玉琛 435
溶液 14.1
溶液中的氣體 436
14.2
溶液中的液體 438
14.3
溶液中的固體 440
14.4
溶解過程 442
14.5
溶解速率 443
14.6
溶解度與溫度 444
14.7 不飽和、飽和及過飽和溶液 446 14.8
質量百分濃度 448
14.9
莫耳濃度 451
15.11 淨離子方程式 495
摘要 499 解難技巧 500 關鍵字 501 課後測驗 502 自我檢測 507
16
CHAPTER
劉惠銘 509
化學平衡 16.1
碰撞理論 510
16.2
化學反應的能量圖 513
14.10 溶液的稀釋 455
16.3
化學平衡的概念 517
14.11 溶液化學計量 457
16.4
平衡常數
摘要 459 解難技巧 460
16.5
氣體的平衡移動 524
16.6
離子化平衡常數
16.7
弱酸和弱鹼的平衡移動 530
化學隨筆
水的氟化 454
關鍵字 461 課後測驗 461 自我檢測 466
eq
519
i
528
532
16.8
溶度積常數
16.9
微溶性化合物的平衡移動 534
摘要 536 關鍵字 537 課後測驗 537 自我檢測 541
CHAPTER
17
氧化與還原
照片誌謝 劉惠銘 543
附錄
17.1
氧化數 545
A
氧化與還原反應 549
重量與度量單位 A-2
17.2
B
物理常數 A-2
17.3
平衡氧化還原方程式：
C
氧化數法 553
金屬活性排序 A-3
D
離子化合物之溶解度規則 A-3
平衡氧化還原方程式：
E
半反應法 558
水的蒸氣壓 A-4
F
預測自發性氧化還原反應 562
水的特性 A-4
17.5
G
伏特電池 565
概念練習解答 A-5
17.6
H
電解電池 568
關鍵字練習解答 A-10
17.7
17.4
I
摘要 571
課後測驗奇數題解答 A-12
J
自我檢測解答 A-27
關鍵字 572 課後測驗 572
K
元素命名原則 A-32
自我檢測 577
579
索引
I-1
CHAPTER
15
酸與鹼 Acids and Bases 「生活中的許多失敗是由於人們在放棄時並沒有 意識到他們離成功已經很接近了。」 Thomas Alva Edison，發明家與科學家（1847 ～ 1931）
劉惠銘 譯
15.1 酸與鹼的性質 15.2 阿瑞尼斯酸與鹼 15.3 布朗斯特－洛瑞酸與鹼 15.4 酸鹼指示劑 15.5 酸鹼滴定 15.6 酸鹼標定 15.7 水的離子化 15.8 pH 值 15.9 pH 值的進階運算 15.10 強電解質與弱電解質 15.11 淨離子方程式
470
化學
酸 與鹼在我們的生活中扮演一個很重要的角色。在我們人體的血液以及其他流體的酸性 是被一個緩衝系統仔細地控制著。很多我們吃的食物是酸性，例如柳丁、檸檬含有檸
檬酸，醋是醋酸的水溶液；維他命 C 是抗壞血酸，阿斯匹靈是乙醯水楊酸。通常我們會在 游泳池內加入氫氯酸，在汽車電池內加入硫酸。 酸和鹼是相反的，而且會彼此中和。蘇打粉與胃乳是鹼性的，制酸錠含有鹼性物質如 碳酸、碳酸氫化物與氧化物可中和胃酸以緩解胃痛；我們用稀釋的鹼性氨水來清洗地板， 以及使用濃的氫氧化鈉溶液清洗水管和爐具。
15.1
酸與鹼的性質 Properties of Acids and Bases
學習目標 闡述酸與鹼的一般性 質。 依據水溶液的 pH 大小， 區分其為強酸、弱酸、 中性、弱鹼、或強鹼。
是指任一個在水中可以釋放出氫離子（H＋）的物質， 我們可以此性質去測試酸性。在實驗室中，我們可以用石蕊試紙測定 溶液是否是酸性。在氫離子存在之下，石蕊試紙會變成紅色；因此， 如果我們將一張石蕊試紙放在水溶液中，而石蕊試紙變成紅色，我們 可以知道此溶液是酸性的。例如，石蕊試紙放在檸檬汁內會變成紅 色，因為檸檬汁是酸性的。 石蕊試紙是由一個對酸性濃度敏感的植物色素而製得的。許多植 物的顏色受到它們成長的土壤酸性而影響，例如，蘭花的顏色會由淡 紫色到深紫色，顏色的改變取決於土壤的酸性；而將玫瑰放在酸性溶 液中，玫瑰會由紅色褪成粉紅色。 酸通常具有特殊的性質，其中一個性質就是具有酸味。檸檬、蘋
石蕊試紙
果和醋的酸味告訴我們它們是酸性的食物。在我們舌頭邊緣的味蕾對
紅色石蕊試紙在鹼性溶液
酸非常地敏感，這也就是為什麼當我們嚐到酸性食物的時候，我們會
中會變為藍色；而藍色石
將舌頭捲起來的原因。
蕊試紙在酸性溶液中會變 為紅色。
是指任一個在水中可以釋放出氫氧根離子（OH －）的 物質。鹼也具有一些特殊的性質，例如：它們摸起來有滑膩感或肥皂 感，嚐起來有苦澀味，如鎂乳的苦味告訴我們它是鹼性物質。在我們 舌頭後面靠近喉嚨地方的味蕾，對鹼性物質非常地敏感，這也就是為 什麼當我們嚐到鹼性食物的時候，我們會將舌頭伸長的原因。 在實驗室裡面，我們以石蕊試紙測定溶液是否為鹼性。在OH －離子 存在之下，如水管和爐具的清潔劑溶液中，石蕊試紙會變成藍色。另 一項酸和鹼的性質是它們具有中和反應的能力，我們曾在 8.11 節探討 過。一個酸性物質和一個鹼性物質反應會產生鹽和水。例如：鹽酸會
CHAPTER
中和氫氧化鉀溶液而得到氯化鉀和水。 HCl(aq) ＋ KOH(aq)
KCl(aq) ＋ H2O(l)
酸和鹼的性質在表 15.1 作一概述。
pH 值 pH scale pH 是表示溶液的酸性或鹼性，大部分溶液的 pH 值是介於 0 ～ 14 之間。例如，一個 1M HCl 水
15
酸與鹼
471
表 15.1
酸和鹼的性質
性質
酸性溶液
鹼性溶液
味道 觸覺 石蕊試紙 pH 值 中和反應
酸味 － 石蕊變紅 小於 7 和鹼反應變成 鹽和水
苦澀味 滑膩感 石蕊變藍 大於 7 和酸反應變成 鹽和水
溶液的 pH 值為 0（強酸性），一個 1M NaOH 水 溶液的 pH 值為 14（強鹼性）。而 pH 值等於 7 視為中性，純的蒸餾 水其 pH 值等於 7。 至於 pH 值的大小，酸性溶液的 pH 值小於 7。當酸性增加時，pH 值減少；例如：一個具有 pH 值 3 的水溶液比一個 pH 值為 4 的水溶液 更具酸性。鹼性溶液的 pH 值大於 7；當鹼性增加時，其 pH 值也增
pH 值試紙
加；因此，一個 pH 值 11 的溶液比一個 pH 值 10 的溶液更具鹼性。
pH 值試紙放入水溶液中
依據 pH 值的大小，水溶液可以區分為強酸、弱酸、中性、弱鹼 及強鹼。強酸水溶液的 pH 值介於 0 ～ 2 之間；弱酸水溶液的 pH 值介 於 2 ～ 7 之間；弱鹼水溶液的 pH 值則介於 7 ～ 12 之間；而強鹼水溶
時會改變顏色；而試紙呈 現的顏色可依據色表來估 計此水溶液的 pH 值。
液其 pH 值介於 12 ～ 14 之間。圖 15.1 說明一些常見的物質和它們的 約略 pH 值。
圖 15.1
pH 值
注意水溶液可以是強酸性 的（pH 值～ 1）、弱酸 性的（pH 值～ 4）、中 性的（pH 值～ 7）、弱 鹼性的（pH 值～ 10）或 是 強 鹼 性 的（pH 值 ～ 14）。
472
化學
下列的練習題說明一些常見物質的酸鹼強度。
隨堂測驗
15.1
pH 值
指出下列各項溶液是強酸、弱酸、中性、弱鹼或是強鹼： 胃酸，pH 1.5
去離子水，pH 7.0
爐具清潔劑，pH 13.5
(e) 雞蛋，pH 7.5
柳橙汁，pH 4.5
(f) 碳酸蘇打，pH 4.0
解答：依據圖 15.1 的指示以分類每一個溶液： 胃液的 pH 值在 0 ～ 2 之間，因此它是強酸性。 爐具清潔劑的 pH 值為 13.5，它是強鹼性。 柳橙汁的 pH 值介於 2 ～ 7 之間，它是弱酸性。 去離子水的 pH 值為 7，因此它是中性。 雞蛋的 pH 值是 7.5，因此它是弱鹼性。 碳酸蘇打的 pH 值是 4.5，因此它是弱酸性。 實例練習 指出下列各項的性質是屬於酸或是鹼： 酸味 解答：
滑膩感 酸；
鹼；
石蕊試紙變紅 酸；
pH 值大於 7
鹼
概念練習 下列何者具有最大的酸性：pH 1，pH 5 或是 pH 9？ 解答：詳見附錄 G。
緩衝溶液 Buffers 在食品、紙張與化學品的製造過程，控制酸性是十分重要的；在 農業上，控制土壤的 pH 值，對於農作物可獲得良好的產率。所謂緩 衝（buffer）是指一個水溶液在加入酸或者鹼的時候，其 pH 值改變很 小。而緩衝溶液是經由消耗過多的氫離子或氫氧離子以維持其 pH 值。 氫氟酸，HF 雖然氫氟酸是弱酸，但是 它會腐蝕玻璃。此圖中的 玻璃設計是先將玻璃覆上
一個緩衝溶液是由一個弱酸水溶液和它的鹽類所組成；例如，檸 檬酸和檸檬酸鈉。當我們加入酸到此緩衝溶液時，檸檬酸離子會和過 多的氫離子結合，形成檸檬酸。相反的，如果我們加入鹼到此溶液，
一層蠟，再將圖案區域的
檸檬酸會中和過多的氫氧離子而形成檸檬酸鹽。如果加入的酸或鹼對
蠟移除後，把此玻璃浸泡
緩衝溶液而言是相對少量，則其 pH 值改變很少。
於氫氟酸內進行蝕刻。
其他緩衝溶液的例子如碳酸氫離子和碳酸離子，它們存在海水
CHAPTER
15
酸與鹼
473
中，可幫助海水保持 pH 值接近 8；另一個類似的緩衝系統可協助控制血液的 pH 值，因為 其值必須維持在接近 7.4 的極小範圍內。
15.2
阿瑞尼斯酸與鹼 Arrhenius Acids and Bases
在 1884 年瑞士的化學家斯凡特‧阿瑞尼斯（Svente Arrhenius）首 先提出酸和鹼的定義。他提出：酸是一個在水中可以游離出氫離子的 物質；相反的，鹼是一個在水中可以解離出氫氧根離子的物質。這個 簡 單 的 觀 念 就 是 阿 瑞 尼 斯 酸（Arrhenius acid）與 阿 瑞 尼 斯 鹼 （Arrhenius base）的定義。
離子化和解離 Ionization versus Dissociation
學習目標 了解阿瑞尼斯酸與鹼的 觀念。 給予水溶液的游離度之 後，能夠分辨出其為強 或是弱的酸與鹼。 從已知鹽類說明參與反 應的酸與鹼。
酸和鹼有不同的強度。阿瑞尼斯酸的強度是由水溶液中的游離度 而決定。離子化（Ionization）是一分子的極性物質離子化（ionize） 後形成陽離子和陰離子的過程。因此，一分子的鹽酸（HCl）離子化 後形成 H ＋ 與 Cl －。 阿瑞尼斯鹼的強度是經由測定在水溶液中的解離度而決定。解離 （dissociation）是離子化合物中離子之分開過程。因此，氫氧化鈉 （NaOH）解離後形成 Na ＋ 與 OH －。
強的阿瑞尼斯酸與弱的阿瑞尼斯酸 Strong and Weak Arrhenius Acids 一個酸被視為強酸或弱酸取決於在水中游離度多寡。依據阿瑞尼 斯的定義，一個強酸在水溶液中會游離釋放出很多的氫離子。鹽酸被 視為一個強酸，因為其在水中的游離度接近 100 ％。氫氟酸被視為弱 酸，因為它只有約 1 ％游離。在表 15.2 列出一 些常見的阿瑞尼斯酸。 所有的阿瑞尼斯酸分子均以極性鍵與一個 氫離子鍵結；而大多數的酸都是一個弱的三元 含氧酸，其氫原子是連結一個氧原子，當這個 酸分子游離時此鍵會斷裂。在水溶液中，極性 的水分子會經由吸引氫離子而幫助酸的游離。 我們由以下例子可以說明鹽酸與醋酸的離子 化：
表 15.2
常見的阿瑞尼斯酸
酸的水溶液
離子化百分比
酸的強度
鹽酸，HCl(aq) 硝酸，HNO3(aq) 硫酸，H2SO4(aq) 醋酸，HC2H3O2(aq) 碳酸，H2CO3(aq) 氫氟酸，HF(aq) 磷酸，H3PO4(aq)
～ 100 ％ ～ 100 ％ ～ 100 ％ 少許 少許 少許 少許
強 強 強 弱 弱 弱 弱
474
化學
HCl(aq) ＋ H2O(l) HC2H3O2(aq) ＋ H2O(l)
H3O＋(aq) ＋ Cl－(aq) H3O
＋ (aq)
（～ 100 ％） － 2 (aq)
＋ C2H3O
（～ 1 ％）
雖然化學家常認為酸是一個含有氫離子的水溶液，但是實際上的物種是水合氫離子 （hydronium ion, H3O ＋），是由水分子中的一個未共用電子對與氫離子鍵結而成；為了簡 明易懂，我們通常將在水溶液中氫離子視為 H ＋。
強的阿瑞尼斯鹼與弱的阿瑞尼斯鹼 Strong and Weak Arrhenius Bases 之前提過的鹼強度是經由測定水溶液 中的解離度而決定。依據阿瑞尼斯的定 義，一個強鹼在水溶液中會大量游離釋放 出氫氧離子。氫氧化鈉是一個強鹼，其在 水溶液中的解離度接近 100 ％。一個弱鹼 在水中的游離度極小而釋放出極少的氫氧 離子；例如氫氧化銨是一個弱鹼，因為它 在水中提供很少的氫氧根離子。表 15.3 列 出一些常見的阿瑞尼斯鹼。 當我們在水中溶解氫氧化鈉時，可以 得到氫氧化鈉水溶液；在溶解的過程中，
表 15.3
常見的阿瑞尼斯鹼
鹼的水溶液
氫氧化鋇，Ba(OH)2( 氫氧化鈣，Ca(OH)2( 氫氧化鋰，Li(OH)( ) 氫氧化鉀，KOH( ) 氫氧化鈉，NaOH( ) 氫氧化銨，NH4( )*
) )
游離度
鹼的強度
～ 100 ％ ～ 100 ％ ～ 100 ％ ～ 100 ％ ～ 100 ％ 少許
強 強 強 強 強 弱
*氫氧化銨是將氨氣溶在水中而製得，它通常寫成 氨水溶液，NH3(aq)，或是氨水，NH3‧H2O。而「氫 氧化銨」的命名有時會誤導，因為沒有證據顯示在 一個水溶液中存有氫氧化銨。然而簡明起見，我們 通常所謂的氨水溶液即指氫氧化銨，NH4OH(aq)。
NaOH 解離成鈉離子與氫氧離子。氫氧化 銨水溶液，NH4OH，是一個弱鹼，它在水溶液中提供很少的氫氧離子。以下我們說明這二 個阿瑞尼斯鹼的解離過程。 NaOH(aq)
Na ＋(aq) ＋ OH －(aq) （～ 100 ％）
NH4OH(aq)
NH4 ＋(aq) ＋ OH －(aq) （～ 1 ％）
下面的隨堂測驗說明酸鹼的強度可依據它們在水溶液中提供離子的能力而決定。
隨堂測驗 15.2
強酸和弱酸
依據所提供的游離度決定下列的水溶液是一個強或弱的阿瑞尼士酸： 過氯酸，HClO4(aq) ～ 100 ％ 次氯酸，HClO(aq) ～ 1 ％ 解答：我們必須要知道水溶液的游離度才可以區別其為弱酸或強酸 過氯酸幾乎完全游離，因此可視為一個
，此水溶液主要存在 H ＋(aq)和
Cl －(aq)。 次氯酸只有少許游離，因此可視為一個 子。
，此水溶液主要包含 HClO 分
CHAPTER
15
酸與鹼
475
實例練習 依據所提供的游離度以決定下列的水溶液是一個強或弱的阿瑞尼斯酸： 氫氧化鎂，Mg(OH)2(aq) ～ 1 ％ 氫氧化鍶，Sr(OH)2(aq) ～ 100 ％ 解答：
弱鹼；
強鹼。
概念練習 下列哪一個是強的阿瑞尼斯酸：HNO3(aq)，H2CO3(aq)或是 H3PO4(aq)？ 解答：詳見附錄 G。
中和反應 Neutralization Reaction 在 8.11 節我們學習到酸中和鹼可得到鹽（salt）和水。例如鹽酸與氫氧化鈉反應可獲得 氯化鈉鹽和水。此反應的方程式為： HCl(aq) ＋ NaOH(aq)
NaCl(aq)＋ H2O(l)
這個反應產生一個水溶性的鹽，NaCl。不同的酸可得到其他的鹽類。例加，當我們用 氫氧化鈉完全中和硫酸時，可以得到硫酸鈉，此方程式為： H2SO4(aq) ＋ 2 NaOH(aq)
Na2SO4(aq)＋ 2 H2O(l)
由酸產生的氫離子可以被鹼產生的氫氧離子中和，氫離子和氫氧離子結合成水。注意 上述中和反應可知 Na2SO4 是其產生的鹽類。 我們可由任何一個生成的鹽類產物來預測阿瑞尼斯酸與鹼，因為每個鹽類皆是由反應 物鹼的陽離子與酸的陰離子所組成。例如，我們可以預測產生鹽類醋酸鉀（KC2H3O2）的中 和反應；因為這個鹽包含鉀離子，所以必須被氫氧化鉀（KOH）中和；而醋酸根離子是來 自於醋酸（HC2H3O2）。此反應的方程式為 HC2H3O2(aq) ＋ KOH(aq)
KC2H3O2(aq) ＋ H2O(l)
下面的隨堂測驗將進一步闡述酸鹼中和產生鹽和水。
隨堂測驗
15.3
中和反應
依據下面產生的鹽類決定酸和鹼，寫出其中和反應的平衡方程式。 氟化鋰，LiF(aq) 解答：
硫酸鈣，CaSO4(aq)
氟化鋰鹽是經由鹼 LiOH 與酸 HF 中和製得，此反應的方程式為 HF(aq) ＋ LiOH(aq)
LiF(aq) ＋ H2O(l)
476
化學
CaSO4 鹽是經由鹼 Ca(OH)2 與酸 H2SO4 中和製得。此反應的方程式為 H2SO4(aq) ＋ Ca(OH)2(aq)
CaSO4(aq) ＋ 2 H2O(l)
實例練習 依據下面產生的鹽類決定酸和鹼，寫出其中和反應的平衡方程式。 碘化鉀，KI(aq) 硝酸鋇，Ba(NO3)2(aq) 解答：
HI 是酸，而 KOH 是鹼： HI(aq)＋ KOH(aq)
KI(aq) ＋ H2O(l )
HNO3 是酸，而 Ba(OH)2 是鹼： 2 HNO3(aq)＋ Ba(OH)2(aq)
Ba(NO3)2(aq) ＋ 2 H2O(l )
概念練習 哪種酸和鹼進行中和反應可得到醋酸鈉，（NaC2H3O2）？ 解答：詳見附錄 G。
15.3
布朗斯特－洛瑞酸與鹼 Brønsted-Lowry Acids and Bases
學習目標 由已知的中和反應判斷布 朗斯特－洛瑞酸與鹼。
在 1923 年，丹麥化學家約翰尼斯‧布朗斯特（Johannes Brønsted, 1879 ～ 1947）和英國化學家湯姆士‧洛瑞（Thomas Lowry, 1847 ～ 1936）分別提出比阿瑞尼斯更廣泛的酸鹼定義。阿瑞尼斯定義酸是指 一個物質在水中可以提供氫離子，而布朗斯特－洛瑞酸則是指其可提 供一個氫離子給任何的物質。因為，氫離子是單質子，所以，布朗斯 特－洛瑞酸（Brønsted-Lowry acid）的定義是指可質子供給者（proton donor）。 之前阿瑞尼斯定義鹼是指在水中可提供氫氧離子者。我們知道氫 氧離子可以中和氫離子形成水，然而，還有其他除了氫氧離子物質可 中和氫離子者；所以，布朗斯特和洛瑞提出所謂鹼的定義是指可以接 受氫離子者。因此，布朗斯特－洛瑞鹼（Brønsted-Lowry base）是指 一個質子接受者（proton acceptor）。 雖然布朗斯特－洛瑞的酸鹼定義和阿瑞尼斯定義有些許不同，但 是酸與鹼仍然可彼此中和。下面的反應說明一個布朗斯特－洛瑞鹼可 以被鹽酸中和：
CHAPTER
HCl(aq) ＋ NaOH(aq) HCl(aq) ＋ NH3(aq) HCl(aq) ＋ H2O(l )
15
酸與鹼
477
NaCl(aq) ＋ H2O(l) NH4Cl(aq) H3O ＋(aq) ＋ Cl －(aq)
在第一個方程式裡，NaOH 水溶液接受一個質子，因此依據布朗斯特－洛瑞鹼的定義， 它是一個鹼；在第二個方程式裡，NH3 水溶液接受一個質子，它也是一個鹼；而在第三個 方程式，甚至水也可以視為布朗斯特－洛瑞鹼，因為水接受一個氫離子。 布朗斯特－洛瑞的酸鹼定義不像阿瑞尼斯定義是以溶解在水中的氫離子及氫氧離子而 定義，布朗斯特－洛瑞的酸鹼是以參與的反應而定義。例如：NaHCO3 水溶液由於接受一個 質子，可視為鹼（base）；但是在另一個反應中 NaHCO3 水溶液由於提供一個質子，可視為 酸（acid）。下面的例子說明 NaHCO3 同時可做為酸與鹼： HCl(aq) ＋ NaHCO3(aq)
NaCl(aq)＋ H2CO3(aq)
NaOH(aq)＋ NaHCO3(aq)
Na2CO3(aq) ＋ H2O(l)
在第一個反應中，NaHCO3 從 HCl 接受一個質子，可視為布朗斯特－洛瑞鹼；在第二 個反應中，NaHCO3 提供一個質子給 NaOH，可視為布朗斯特－洛瑞酸；一個物質若是能供 給亦接受質子者，稱為兩性物質（amphiprotic）。依據布朗斯特－洛瑞的定義，H2O 是兩 性物質，因為它可提供一個質子 H，可視為布朗斯特－洛瑞酸；它也可以接受一個質子而 生成水合氫離子，可視為布朗斯特－洛瑞鹼。我們由下面的例子來說明水具有兩性物質的 特性。 H2O(l ) ＋ 質子提供者 酸
15.4
H2O(l )
H3O ＋(aq)
＋ OH －(l)
質子接受者 鹼
酸鹼指示劑 Acid-Base Indicators
我們在 15.1 節曾經提過使用石蕊試紙來判斷溶液的酸鹼性，此 外，其他的試紙也可以用來指示溶液的 pH 值。這些試紙含有會隨著 測試溶液的 pH 值而改變顏色的物質，其內含有植物萃取物，有些來 自於葡萄汁、紅蘿蔔與花瓣如紅玫瑰、紫羅蘭和百合。 一個對 pH 值的改變敏感而呈現不同顏色的物質，稱為酸鹼指示 劑（acid-base indicator）。在圖 15.2 中闡述這些酸鹼指示劑的顏色， 而在表 15.4 列出每個指示劑的 pH 範圍。
學習目標 了解指示劑呈現溶液酸 度的概念。 在已知 pH 值之水溶液中 可說明下列指示劑所呈 現的顏色：酚酞、甲基 紅及溴百里酚藍。
478
化學
圖 15.2
酸鹼指示劑的顏色
三個酸鹼指示劑在不同 pH 值時的顏色。甲基紅（左）會在 pH 值為 5 時由紅色變為黃色。溴百里 酚藍（中）則會在 pH 值為 7 時由黃色變為藍色。而酚酞（右邊）會在 pH 值為 9 時由無色變為粉 紅色。
表 15.4
酸鹼指示劑
如果一個溶液的 pH 值高於 5，甲
指示劑
顏色改變
顏色
基紅指示劑呈現黃色；若是一個溶液的
甲基紅
pH ～ 5
pH 值低於 5 呈現紅 色，高於 5 呈現黃色
溴百里酚藍
pH ～ 7
pH 值低於 7 呈現黃 色，高於 7 呈現藍色
酚酞
pH ～ 9
pH 值低於 9 呈現無 色，高於 9 呈現粉紅色
pH 值低於 5，則甲基紅指示劑呈現紅 色；而在 pH 值等於 5 時，甲基紅指示 劑呈現橘色，因為指示包含紅色和黃色 兩種形式。 如果一個溶液的 pH 值等於 9 或是
高於 9，酚酞指示劑呈現粉紅色；若是一個溶液的 pH 值低於 9，則酚酞指示劑呈現無色。 雖然在實驗室中有許多可以使用的酸鹼指示劑，但是酚酞是唯一常見會轉為無色的指示劑； 因此，由於酚酞易於觀察的實際因素，使其成為許多應用的理想指示劑。 下面的隨堂測驗將闡述溶液的 pH 值和酸鹼指示劑顏色之間的關係：
隨堂測驗 15.4
酸鹼指示劑的顏色
寫出下列每個溶液的酸鹼指示劑顏色： 一個水溶液其 pH 值為 3，且含有一滴甲基紅指示劑。 一個水溶液其 pH 值為 8，且含有一滴溴百里酚藍指示劑。 一個水溶液其 pH 值為 11，且含有一滴酚酞指示劑。 解答：依據表 15.4 來判斷每一個溶液的顏色。 一個含有甲基紅指示劑且其 pH 值為 3 的水溶液會是紅色。 一個含有溴百里酚藍指示劑且其 pH 值為 8 的水溶液會是藍色。 一個含有酚酞指示劑且其 pH 值為 11 的水溶液會是粉紅色。
CHAPTER
15
酸與鹼
479
實例練習 指出下列每個酸鹼指示劑顏色改變的 pH 值： 甲基紅 解答：
溴百里酚藍 5；
7；
酚酞
9
概念練習 哪一個常見的指示劑在酸性和中性溶液內呈無色？ 解答：詳見附錄 G。
15.5
酸鹼滴定 Acid-Base Titrations
食醋因為含有醋酸所以嚐起來是酸的。如果要知道食醋中的醋酸 體積莫耳濃度，我們需要用已知濃度的鹼性溶液來分析食醋樣本。在 實驗室中，我們可以利用酸鹼滴定法，以滴定（titration）過程加入 已測量體積之溶液。為了分析食醋樣本中的醋酸含量，我們將一個已 知體積的氫氧化鈉溶液滴定到醋酸溶液裡，並搭配酚酞指示劑來判斷 是否已經完全中和了所有的醋酸。 在完全中和醋酸之後，滴入額外的氫氧化鈉會大幅增加其 pH 值， 酚酞指示劑會由無色變成粉色；因此，當指示劑一變色時，我們必須 停止滴定反應來防止滴入過多的氫氧化鈉。我們將指示劑變色時稱為 滴定終點（endpoint）。 試想以下食醋樣本的醋酸滴定，假設我們需要 0.223 M 的氫氧化 鈉 37.55 毫升來滴定 10 毫升含有醋酸的食醋溶液。以下是其平衡方程 式： HC2H3O2(aq)＋ NaOH(aq)
NaC2H3O2(aq)＋ H2O(l)
這是化學計量的其中一種計算問題（參見章節 14.11）。首先我們 必須知道氫氧化鈉的莫耳數，才能計算醋酸的體積莫耳濃度。我們知 道氫氧化鈉的體積是 37.55 毫升，其體積莫耳濃度為 0.223 M，因此， 氫氧化鈉的莫耳數可以經由單位因子 0.223 mol NaOH/1000 ml 溶液而 求得。 37.55 mL 溶液
0.223 mol NaOH ＝ 0.00837 mol NaOH 1000 mL 溶液
學習目標 了解酸鹼滴定的定義。 學會如何計算有酸鹼滴 定的問題。