20120102複習 6-2 莫耳數與元素的莫耳質量

20120102複習

6-2 莫耳數與元素的莫耳質量

– 假設原子是不可分辨的，而鈉原子的莫耳質量 (6.022 × 10²³個鈉原子 ) 為22.99 g，則莫耳和亞 佛加厥常數與莫耳和莫耳質量的關係，可以下 列的轉換因子表示：

6-3 化合物的莫耳質量

• 化合物的式量

– 化合物的式量 (formula weight) 為化學式中所有 原子的質量和，通常代表一個完整的分子或結 構的組成單元。

– 分子化合物的分子式表示一個獨立的分子單位，

所以其式量就是分子量 (molecular weight)。

摘要

7-1 化學計量

– 莫耳數、質量及分子數的轉換關係整理如下：

• 1. 寫出既定量與待求量。

• 2.

– (a) 已知分子的質量，用莫耳質量轉換成莫耳數。

– (b) 已知分子數，用亞佛加厥常數轉換成莫耳數。

• 3. 以平衡係數比轉換成反應的莫耳數比。

• 4.

– (a) 將待求物的莫耳數轉換成質量。

– (b) 以亞佛加厥常數，將待求物的莫耳數轉換成分子數。

圖7-1 莫耳數、質量及分子數的轉換關係

7-2 限量試劑

• 限量試劑於化學計量的應用

– 當各反應物的含量已知，則決定何者為限量試 劑的方法，可分為兩個過程。

• 1. 假設每種反應物都完全反應時，利用圖7-1 的程序 決定生成物的莫耳數分別為何。

• 2. 產生最少量生成物之反應物，即為限量試劑。

7-3 百分產率

• 反應中所測得的生成物含量，稱為實際產

量 (actual yield)，假設反應物完全轉變成生

成物，由計算所得的生成物含量，稱為理

論產量 (theoretical yield)，而百分產率

(percent yield) 則為實際產量與理論產量的

比率乘以100%：

光， 在通過稜鏡後，分成四條離散的可見光。

8-1 元素的發射光譜與波耳模型

• 波耳模型

– 波耳認為電子是以固定的圓形軌道，繞著原子核運轉，

帶正電的質子與帶負電的電子間的靜電力使電子維持 固定的軌道，類似行星繞著太陽運行的模型。

– 但是，行星式的原子模型違反古典物理的原理，當時 已知的古典物理如此描述：當一個帶電粒子 ( 電子 ) 繞 著另一個相異的帶電粒子 ( 質子 ) 做圓周運動時，最後

圖8-5 波耳的氫原子模型：在此模型中，電子 只能存在於某些特定且不連續的能量狀態。

圖8-7 氫原子的發光：當激發態的電子回到較低能階 時，會以光的形式釋出能量。

機率半徑比； (b) 2s 軌域小。

圖8-10 p 軌域：每個 p 軌域由兩個葉瓣組成。

圖8-11 d 軌域：除了d

外，每個d 軌域由四 個葉瓣組成。

圖8-13 主層與副層的能量圖：此圖可表示每一副層 的相對能量高低。

8-3 元素的電子組態

• 構築原理與電子組態

– 當電子被分配到某特定的主層及副層時，這些 特別的安排即為元素的電子組態 (electron configuration)。

– 電子的填入很容易，只要先從能量最低的主層 及副層依序填入，這種電子填入的方式，稱為 構築原理 (aufbau principle)。

8-3 元素的電子組態

• 電子在層與副層的填入次序

– 電子組態通常以符號來表示，主層用主量子數 (n) 表示，副層用字母 s 、p 、d 及 f ……表示，

副層中的電子總數以上標的數字表示，例如：

第四層(n=4)的 p 副層中含 3 個電子，則以符號 表示為：

8-3 元素的電子組態

– 1 個電子的 H 原子：1s¹ – 2 個電子的 He 原子：1s² – 3 個電子的 Li 原子：1s²2s¹ – 4 個電子的 Be 原子：1s²2s² – 5 個電子的 B 原子：1s²2s²2p¹ – 6 個電子的 C 原子：1s²2s²2p² – 7 個電子的 N 原子：1s²2s²2p³ – 8 個電子的 O 原子：1s²2s²2p⁴ – 9 個電子的 F 原子：1s²2s²2p⁵ – 10 個電子的 Ne 原子：1s²2s²2p⁶

8-3 元素的電子組態

– 11 個電子的 Na 原子：[Ne]3s¹ – 12 個電子的 Mg 原子：[Ne]3s² – 13 個電子的 Al 原子：[Ne]3s²3p¹ – 14 個電子的 Si 原子：[Ne]3s²3p² – 15 個電子的 P 原子：[Ne]3s²3p³ – 16 個電子的 S 原子：[Ne]3s²3p⁴ – 17 個電子的 Cl 原子：[Ne]3s²3p⁵

定，方格中的n 值為最外副層的主量子數。

8-4 元素的軌域圖

• 庖立不相容原理與軌域圖

– 電子具有波及粒子兩種性質。以粒子的性質來 看，電子可以順時針或逆時針的方向自轉 ( 或 稱自旋 )，此自轉的帶電粒子就像一個很小的磁 鐵。

– 如果兩個電子在同一軌域上將會如何呢？庖立 不相容原理 (Pauli exclusion principle) 的敘述為：

8-5 元素的週期性

• 原子半徑

– 週期表的第一個基本趨勢，為原子的大小或半 徑。

– 原子半徑(atomic radius) 是從原子核到最外層電 子的距離，此距離不容易量度，因為有實驗上 及理論上的兩個困難，原子半徑非常小，而且 電子的距離也不是固定的。原子半徑常用的單 位是微微米(pm , 1 pm = 10^-12 m) 。

圖8-17 原子半徑：圖中標示的半徑單位為微微米 (pm)。

(1 pm = 10^-12 m)

8-5 元素的週期性

• 游離能

– 元素的第二個重要的週期性，是有關於從原子 中移去一個電子的難易度，原子愈小，則核對 外層電子的引力愈強，愈難將電子移去。

– 游離能 (ionization energy, IE) 為將氣態原子移去 一個電子形成氣態離子所需的能量。

– 因為最外層電子通常對核的引力最弱，所以最 先被游離：

圖8-18 離子半徑：正離子半徑比中性母原子小。

9-1 鍵的形成與典型元素

• 八隅律

– 惰性氣體原子相當穩定，一般很少形成鍵結，

因為惰性氣體( 除了 He 以外 ) 最外層的 s 及 p 軌域全填滿(ns²

np

– 鍵結的形成跟八隅律 (octet rule) 有關，八隅律 為：當典型元素形成鍵結時，與相鄰原子共用 電子，使其最外層剛好為八個電子。

9-1 鍵的形成與典型元素

– 原子如何改變其電子組態而形成八隅體呢？共 有下述的三種情形：

• 1. 金屬原子可失去一到三個電子產生陽離子，陽離 子的電子組態與前一個惰性氣體相同。

• 2. 非金屬原子可獲得一到三個電子產生陰離子，陰 離子的電子組態與下一個惰性氣體相同。

• 3. 原子可與另一個原子 ( 通常均為非金屬 ) 共用電子，

形成的電子組態與下一個惰性氣體相同。

9-2 離子與離子化合物的形成

• 離子化合物的物理狀態

– 離子化合物在室溫下為固體，質脆且熔點高，

此類化合物包含大部分硬質的物質，如果以微 觀探視食鹽晶體的基本結構，就能瞭解原因。

– 氯化鈉並非以單一個 Na⁺ 及 Cl^- 離子結合的單位 分子存在，而是每個 Na⁺ 離子被六個 Cl^- 離子包 圍，每個 Cl^- 離子同樣也被六個 Na⁺ 離子包圍，

形成三度空間的晶格 (lattice)。

– 晶格是以靜電引力形成很強的結合，這些靜電 引力稱為離子鍵 (ionic bond)。

9-3 共價鍵

• 路易士結構

– 兩種非金屬原子以共用電子對的方式，達成如 惰性氣體的電子組態，兩原子間的共用電子對 稱為共價鍵 (covalent bond)。以雙原子分子存 在的 F₂ 為例：

圖9-4 含氫化合物之化學式：一些簡單的含氫化合物 之化學式能以八隅律來預測。

9-3 共價鍵

• 雙鍵與參鍵

– 兩原子共用兩對電子稱為雙鍵 (double bond)，

共用三對電子稱為參鍵 (triple bond)，雙鍵以符 號 ＝ 表示，參鍵以 ≡ 表示。

– 二氧化碳分子有兩個雙鍵，其路易士結構如下 所示，每個碳氧鍵各自共用兩對電子而符合八 隅律。氮氣分子(N₂) 則是以共用三對電子形成 參鍵來滿足其八隅體的電子組態：

9-4 路易士結構

• 不符合八隅律的例外

– 有些化合物的電子為奇數個，像NO及NO₂，其中N 原子 只有7個電子 ( 含共用 )，稱為自由基 (free radical)。由 於具有未成對電子 (unpaired electron) 與不符合八隅律

，自由基大多具有活潑的化學性質，容易與其他化學 物質進行反應。

9-5 共振結構

– 單一個路易士結構無法表達此種鍵結的訊息，只有用 三個結構 ( 以雙箭頭連接 ) 來表示。此結構可看成C—O 從單鍵和雙鍵之間快速轉變，這三種結構稱為CO₃^2-的 共振結構 (resonance structure)，而真正的結構則為此 三種結構共振混成 (resonance hybrid) 後的結果。

9-6 電負度與鍵的極性

• 極性共價鍵

– 兩原子共用電子不均等，各自擁有部分電荷，此種共 價鍵稱為極性共價鍵 (polar covalent bond)。鍵的一端為 正極，另一端為負極，結合成一個偶極 (dipole)，此與 地球含南北兩個磁極形成磁偶極的情況相似。鍵的偶 極是由靜電引力產生，屬於電偶極，以箭號表示，箭 頭方向從正極端指向負極端 (＋→)：

9-6 電負度與鍵的極性

• 共價鍵的極性

– 兩個相同原子共用電子時，電子對為兩原子均 分，此種鍵稱為非極性鍵 (nonpolar bond)。

– 兩原子在鍵上競爭電子對時，對於電子對的分 配有三種可能：

• 1. 兩原子均分電子，形成非極性鍵。

• 2. 電子對完全為其中一原子所獲得，形成離子鍵。

• 3. 電子對分配在兩原子不平均，形成極性鍵。

圖9-6 非極性、極性與離子鍵

9-7 簡單分子的構形

• 價層電子對排斥理論

– 分子的構形可以價層電子對排斥理論 (valence shell electron pair repulsion theory，簡稱VSEPR 理論 ) 預測。

– 此理論告訴我們，不論共用或非共用電子對，

都會互相排斥，分子中的電子對趨向位於最大

9-7 簡單分子的構形

• 價層電子對排斥理論

– 分子的構形可以價層電子對排斥理論 (valence shell electron pair repulsion theory，簡稱VSEPR 理論 ) 預測。

– 此理論為不論共用或非共用電子對，都會互相 排斥，分子中的電子對趨向位於最大的範圍，

使斥力減至最小。

– 電子對彼此間距離愈遠愈穩定，此一主要由未 共用電子對與鍵結電子對的構形稱為電子構形 (electronic geometry)。

9-7 簡單分子的構形

– 依據VSEPR 理論，此兩群電子應盡可能地遠離 彼此，因此兩群電子位於中心原子兩側最佳。

因此我們可以推論形成線型 (linear) 分子的構形。

– 雙鍵及參鍵可看成是共用一群電子，所以跟單 鍵的情況相似，因此，只需考慮鍵結電子群，

而不管單鍵、雙鍵或參鍵：

9-7 簡單分子的構形

– 考慮 BF₃ 分子，B 原子上三群電子的最大排斥，使得 BF₃ 為正三角形，F—B—F夾角為120°，此分子的構形是 平面三角形。SO₂分子的鍵角也是類似的情況，中心原 子S 與兩個O 鍵結，並且有一對未共用電子，三群電子 間的排斥並位於同一平面上，並使O—S—O 的夾角接近 120°，稱為正三角平面構形 (trigonal planar)：

9-8 分子的極性

• 非極性分子

– 力是具有大小及方向的向量 (vector)，若兩人以 反方向(180°)且大小相等的力量同時推一張桌子，

則兩力互相抵消，桌子將保持靜止不動。

– 若一分子內的鍵結偶極也是同樣具有大小與方 向的向量，分子內所有的鍵偶極總和則可以視

圖9-7 非極性分子：當 (a) 線形、(b) 正三角平面及 (c) 正四面 體等分子的偶極互相抵銷時，為非極性分子。

9-8 分子的極性

• 極性分子

– 主要有兩種原因造成分子內的偶極無法完全抵銷：

• 1. 分子完全對稱但位於端點的原子不完全相同：分子構型雖然 符合直線型、正三角平面構型或正四面體構型等對稱構型，但 由於端點的原子不相等導致鍵偶極強度不等，因此無法完全抵 銷：

9-8 分子的極性

– 水分子是最常見的例子， 氧原子與兩個氫原子 以相同的O—H 鍵結結合，但夾角為105°，因此 兩個O—H 鍵的鍵偶極無法完全抵銷，因此水分 子屬於極性分子：

10-1 氣體的性質與分子動力論

• 格銳目定律

– 氣體分子運動速度直接與兩項分子運動速率有 關，擴散(diffusion) 與氣體間的混合有關，溢散 (effusion) 為氣體自小孔中流出。

– 格銳目定律 (Graham’s law) 敘述氣體的擴散速率 與分子質量的平方根成反比：

10-2 氣體的壓力

• 波以耳定律

– 波以耳定律(Boyle’s law) 敘述定量氣體在定溫時，

其體積和壓力間呈反比關係，數學表示法為：

– 若 k 為常數，則數學式寫成：

圖10-5 波以耳實驗裝置：加入汞使得氣體的壓力增 加，體積減少。

厥定律

• 查理定律

– 法國科學家查理 (J. Charles) 在 1787 年首先研究 在定壓下溫度對氣體體積的影響，發現當溫度 上升時，任何氣體的體積都會膨脹，而且溫度 每升高 1°C ，體積增加為 0°C 時的1/273 倍 。

10-3 查理定律、給呂薩克定律與亞佛加 厥定律

– 在分子動力論中曾提到，分子的平均動能或分 子運動速度與溫度有關，在 -273°C 時 ( 更精確 的為 -273.15°C )，所有氣體將凝結成液體或固 體，這個溫度有其重要的意義，即自然界可能 的最低溫度，此溫度定為絕對零度 (absolute zero)，在絕對零度時，分子的移動完全停止。

圖10-8 體積和溫度

學習重點

• 10-1

– 氣體的性質可以用氣體動力論來解釋。

– 格銳目定律說明氣體的擴散速率與其分子質量的平方根成反比。

• 10-2

– 氣壓計是最早用來量測大氣壓力的工具。

– 壓力的定義為每單位面積所承受的力。

– 一大氣壓等於760 mm Hg、760 torr。

– 波以耳定律敘述氣體體積與壓力的關係。

• 10-3

– 查理定律敘述氣體體積與溫度的關係。

– 給呂薩克定律敘述氣體壓力與溫度的關係。

– 聯合氣體定律結合了波以耳定律、查理定律、給呂薩克定律，可

摘要

10-4 理想氣體定律

• 理想氣體定律

– 讓氣球變大！首先，可將氣球帶到高山上，壓力下降會使得氣球 膨脹 ( 波以耳定律 )。其次，可提高溫度，將氣球置於沸水中可見 其膨脹 ( 查理定律 )。最後，可以置入更多氣體 ( 亞佛加厥定律 )。

綜合以上的敘述表示如下：

– 將三個式子改寫成一個式子：

10-4 理想氣體定律

– 考慮定量氣體時，n₁ = n₂，在定溫下，T1 = T2，結果化 簡成波以耳定律：

– 查理定律、給呂薩克、亞佛加厥定律及聯合氣體定律 也可以相同的方式導出。現在，再回到理想氣體定律，

若已知其中任意3個變數，則這個式子可以用來計算 P 、 V 、T 或 n 的任一變數，這些計算中要用到氣體常數 R ， 其單位為：

– R 的單位是由 P 、V 和 T 的單位所決定。

10-4 理想氣體定律

• 理想氣體的定義

– 理想氣體定律源自一些動力論的假設，理想氣 體分子不占有體積且彼此間沒有吸引力存在。

– 真實氣體分子則有體積，且彼此間有吸引力，

特別是在高壓 ( 此時分子被壓縮而靠近 ) 或低溫 ( 此時分子運動緩慢 ) 的情況下。

– 在一般的溫度及壓力下，氣體的行為接近理想 狀況，因此使用理想氣體方程式是適當的。

積及分子數，但是質量不同。

圖11-1 水的物理狀態：水分子之間的作用力在三態 中均不相同。

11-2 分子間作用力與物理狀態

• 室溫下，甲烷是氣態、水是液態、而方糖 是固態。這些分子化合物在特定溫度之下 的物理狀態與分子間吸引力有關，稱為分 子間作用力 (intermolecular forces)。

• 其形式可以分為三種：

– 倫敦力

– 偶極 - 偶極力 – 氫鍵。

11-2 分子間作用力與物理狀態

• 偶極 - 偶極力

– OCS 和SO₂分子具有永久偶極，其分子的負極會 吸引另一個分子的正極而排成一列 ，這些吸引 力稱為偶極 - 偶極力 (dipole dipole force)。

– 極性分子具有二種吸引力：

• 倫敦力

• 偶極 - 偶極力。

2 3

子，具有偶極 - 偶極力。

11-2 分子間作用力與物理狀態

• 氫 鍵

– 帶部分正電的氫原子與另一個水分子的氧原子上的電 子對之間的相互作用，就是所稱的氫鍵。

– 氫鍵 (hydrogen bond) 是指鍵結在 F、O 或 N 原子的氫原 子與另一個分子的 F、O 或 N 原子上的未共用電子對之 間的靜電吸引力，氫鍵通常只涉及這三個原子，因為 這些原子較小且具有高陰電性。

圖11-4 水的結構：水分子呈V 字形，所以具 有極性。

11-6 水的加熱曲線

• 以固定速率提供熱量觀察冰塊的變化，加

熱曲線 (heating curve) 是指在加熱時間內物

體經過相變化之溫度圖形，加熱曲線可以

分為以下五區加以分析討論。

圖11-17 水的加熱曲線

11-6 水的加熱曲線

• 冰塊加熱

– 冰的溫度由 -10°C 上升到 0°C，外界提供的熱能 造成水分子的動能增加，換言之，提供的熱能 使溫度上升。

• 冰塊熔化

– 冰在 0°C 時 (1 atm) 狀態開始改變，此時分子的

11-6 水的加熱曲線

• 水的加熱

– 水的溫度從 0°C 上升至 100°C，此時提供的熱能 造成水分子的動能增加。與固體不同的是，液 態水分子的運動包括移動。

• 水的汽化

– 水在1 atm、100°C 時汽化，狀態又再改變。當 溫度上升時，水的蒸氣壓也上升，直到100°C，

此時水的蒸氣壓等於大氣壓力，水開始沸騰，

水分子的動能大得足以破壞氫鍵的束縛。

11-6 水的加熱曲線

• 蒸氣加熱

– 當水完全汽化後，提供的熱能可使氣體溫度上 升。水蒸汽分子的動能足以克服分子間作用力，

其行為和其他氣體相同，適用所有的氣體定律。

12-1 水溶液的性質

• 液體的混合

– 當物質溶在一介質中，形成的均相混合物稱為 溶液 (solution)，此物質稱為溶質 (solute)，而將 溶質分散的介質稱為溶劑 (solvent)。

– 當兩種液體混合形成一種溶液時，則稱這兩種 液體是可互溶的 (miscible)，例如水與酒精。

– 如果兩種液體混合後無法形成一種溶液，則稱 這兩種液體是不互溶的 (immiscible)，例如油與 水，此兩者混在一起時就是一種非均相混合物 。

12-1 水溶液的性質

– 在水中的離子被水分子所包圍著，通常稱此離 子被水合 (hydrated)，由於水分子圍繞在離子的 周圍，因此，水溶液中的正離子與負離子並不 是結合在一起。

– NaCl 與 K₂SO₄ 在水中溶解可以表示成如下兩個 方程式：

之間有一靜電引力存在，此引力即為偶極 - 離子作用力。

12-1 水溶液的性質

• 分子化合物的水溶液形成過程

– 分子化合物溶解在水中形成離子的過程稱為解 離 (ionization)。

– 氯化氫溶解於水的化學方程式可以表示成：

12-2 溶解度與溫度

• 飽和溶液

– 當溶劑溶解的溶質為可溶解的最大量時，其所形成的 溶液稱為飽和溶液 (saturated solution)；

– 若溶解的溶質少於最大值，稱此溶液為未飽和 (unsaturated)；

– 若溶劑所含之溶質大於其飽和濃度時，則稱此溶液為 過飽和 (supersaturated)，過多的溶質會由過飽和的溶 液中沈澱於容器底部。

– 濃度 (concentration) 為定量溶劑 ( 或溶液 ) 中溶質的含 量，常用的單位有好幾種，通常在表示溶解度時，若 強調溶質的質量則可以選擇使用的濃度為每100 克溶劑 中所含的溶質的克數。

12-3 重量百分濃度

• 氣體溶解度與溫度及壓力的關係

– 濃度的表示有兩大類型，一種是溶質對溶劑的 相對含量，如溶解度。另一種是溶質佔溶液 ( 溶質與溶劑的總和 )的若干比例，即重量百分 濃度 (percent by mass)。

– 溶質的質量佔所有溶液質量的百分率稱為重量 百分濃度，這是表示濃度最直接也最簡單的方 法。重量百分濃度的表示為：

12-3 重量百分濃度

• 稀薄溶液的濃度單位

– 當溶液的濃度相當低時，以另外兩種單位表示 較恰當。

• Ppm (parts per million) 表示百萬分之幾，是將溶質與 溶液的質量比乘上10⁶。

• ppb (parts per billion) 表示十億分之幾，是將溶質與 溶液的質量比值乘上10⁹。

12-4 體積莫耳濃度

• 體積莫耳濃度的定義與應用計算

– 最實用的濃度單位是一定體積的溶液中溶質的 含量，即體積莫耳濃度 (molarity，以縮寫符號 M 表示 ) ，其定義為： 每升溶液中所含溶質的 莫耳數 (mol/L)，其公式表示如下：

12-4 體積莫耳濃度

• 以 n_d 來表示稀釋溶液的莫耳數，Vd 及 Md 分別表示稀釋溶液的體積及體積莫 耳濃度，則稀釋溶液中含溶質的莫耳數為：

M_d × V_d ＝ n_d

• nc 為濃溶液中取出溶質的莫耳數，等於濃溶液的體積莫耳濃度及取出體積的 乘積：

M_c × V_c ＝ n_c

• 而稀釋溶液中所含溶質的莫耳數與濃溶液中取出溶質的莫耳數相等，即稀釋 前後溶質的莫耳數不變：

溶質莫耳數 ＝ n ＝ n

為這樣會使得濃酸飛濺出來而造成嚴重的燒傷 )

摘要

圖12-12 紅血球：(a) 在等滲透壓條件下，紅血球保持球形。(b) 在高於血液正常 滲透壓的水溶液中，水分自紅血球內部滲出到溶液中導致血球萎縮。(c) 在低於 血液正常滲透壓的水溶液中，過多的水分自溶液滲入紅血球中導致紅血球漲破。

學習重點

• 12-6

– 電流可以通過的物體稱為導體，反之稱為絕緣體 ( 或非導體 )。

– 溶解後可以讓純水導電的溶質稱為電解質，反之則稱為非電解質。

– 強電解質溶解時幾近完全解離，因此可以讓水溶液成為良導體。

– 弱電解質則可讓水導電，但導電效果不佳。

• 12-7

– 依數性質指溶液的某些性質僅取決於溶質的總量。

– 溶劑中添加非揮發性溶質會導致溶劑的蒸氣壓下降。

– 非揮發性溶質將使得溶劑的沸點上升，上升的程度正比於溶液的 重量莫耳濃度。

– 溶劑中添加溶質會導致溶劑的凝固點下降。

– 溶質濃度差異使得半透膜兩側的溶液具有滲透壓差，導致滲透發

摘要

13-1 酸與鹼的性質

• 阿瑞尼士酸與鹼的定義

– 瑞典化學家阿瑞尼士 (Svante Arrhenius) 定義在 水中可以產生 H⁺ 的物質為酸 (acid)， 而產生 OH^- 的物質為鹼 (base)。

– 這個定義酸與鹼的方法只能侷限於水溶液，此 類型的酸鹼被特別稱為阿瑞尼士酸與阿瑞尼士

13-1 酸與鹼的性質

• 強酸溶於水的特性

– 純酸事實上，酸分子與水分子之間會有反應發 生，而使 H⁺ 由分子中釋出：

13-1 酸與鹼的性質

• 強鹼溶於水的特性

– 將鹼置於水中會釋放出 OH⁺ 離子：

13-2 布忍斯特 - 羅雷酸與鹼

• 布忍斯特 - 羅雷 (Brønsted-Lowry) 對酸鹼的 定義為：能提供質子(H

) 者為酸，能接受質 子者為鹼。以氯化氫溶於水產生水合離子 H

O

為例：

• 氯化氫分子提供質子 ( 酸 )，而水分子則接 受質子 ( 鹼 )。

13-1 酸與鹼的性質

– 以布忍斯特- 羅雷的定義來看，此反應為 H⁺ 的交換，當 酸 (HCl) 反應時，會提供 H⁺ 而形成鹼(Cl^-) 。當鹼(H2O) 反應時，會得到 H⁺ 而形成酸 H3O⁺ 。在此反應中[HCl、

Cl^-]及[H2O、H3O⁺] 稱為共軛酸鹼對 (conjugate acid-base pair)，因此酸與鹼反應即產生了共軛鹼 (conjugate base) 與共軛酸 (conjugate acid)，反應可表示為( A 為酸，B 為 鹼 )：

13-3 酸與鹼的強度

• 酸的強度

– 強酸在水中幾乎百分之百解離，因此都是強電 解質。一般常見的強酸主要有六種：

• 氫氯酸 (HCl) 氫溴酸 (HBr)

• 氫碘酸 (HI) 硫酸(H2SO4)

• 硝酸(HNO₃) 過氯酸(HClO₄)

– 以 HCl 與 H₃O⁺ 為例，酸鹼反應趨向於由較強的 酸與鹼反應產生較弱的酸與鹼。觀察水與氯化 氫的解離反應：

13-3 酸與鹼的強度

– 弱酸 (weak molecular acid) 在水中只有部分解離 ( 通常在典型的濃度下，只有不到5% 解離 )，因 為離子的濃度很低，所以弱酸在水中是弱電解 質。弱酸在水中無法完全解離，屬於可逆反應，

可逆反應在反應式中以雙箭號來表示( )。

– 弱酸HF 的解離反應如下所示：

13-3 酸與鹼的強度

• 鹼的強度

– 鹼依其強度大小也有強鹼與弱鹼之區分，例如，

氫氧化鈉是強鹼，而氨為弱鹼。

– 氨是我們日常生活中最熟悉的弱鹼之一， 弱鹼 (weak molecular base) 代表分子僅部分解離，因 此氨在水中的解離反應的反應方向通常以代表 平衡的雙箭頭表示：

13-4 酸鹼中和與鹽類

• 酸鹼中和是屬於雙取代反應。氫氯酸與氫氧化鈉 的反應，就是典型的酸鹼中和反應，現在以分子 方程式及淨離子方程式來表示此中和反應：

學習重點

• 13-1

– 鋞離子是質子於水溶液環境下形成的水合離子形式。

• 13-2

– 依據布忍斯特 - 羅雷的定義，酸是指能提供質子的化學物質，

– 鹼則是能接受質子的化學物質。

– 酸鹼中和可視為質子交換反應，產生反應物的共軛酸與共軛鹼。

– 兩性物質可以做為質子的提供者 ( 酸 ) 或質子的接受者 ( 鹼 )。

• 13-3

– 弱酸是指該分子僅能部分解離產生質子。

– 弱鹼是指該分子僅能部分解離產生氫氧根離子。

• 13-4

– 多質子酸可以分為單質子酸、雙質子酸與三質子酸，分別代表單一分子 可以提供的質子數量。

– 酸式鹽是指多質子酸經過酸鹼中和反應後，僅部分中和所產生的鹽類。

13-5 水的平衡

• 自解離反應

– 由於純水中沒有溶質，因此，純水中的離子是來自於純水本身所 產生的，因此稱為自解離 (autoionization)。是由於水分子解離，而 形成正離子和負離子，此反應屬於可逆反應並處於平衡狀態，其 解離反應如下所示：

– 因此在 25°C 時：

13-5 水的平衡

• 水的離子積

– K_w

(1.0 × 10

– 酸性、鹼性或中性溶液，可以由各種離子的濃 度來定義：

13-6 pH 值

• pH 值的定義

– 利用 pH 值可以很方便地表示溶液中的 [H₃O⁺]。例如，

要描述一個 [H₃O⁺] 為 10^-5 M 的溶液，若以pH 值來表示 時，則可以寫成 pH = 5，更為清楚且易於瞭解。將 [H₃O⁺] 換算成 pH 的方法為：

13-8 緩衝溶液

• 緩衝溶液的功能

– 緩衝 (buffer) 字面上具有吸收衝擊的含意，因此緩衝溶液 (buffer solution) 即指添加於溶液系統中，可以避免溶液系統的酸鹼值 ( pH 值 ) 過大的變化。

– 假設一種弱酸 HX 能與加入的 OH^- 反應：

– 而其共軛鹼 X^- 能與加入的 H₃O^- 反應：

– 當溶液中同時含有 HX 與 X^- 時，溶液即可與後來添加的酸或鹼反 應而將其消耗，若將上述兩反應的反應方向倒過來，則也同樣可 以與外加的酸鹼反應的效果。

13-8 緩衝溶液

– 強酸不能當做緩衝溶液，因為強酸在溶液中無法以分 子狀態存在，因此沒有分子可以與加入的 OH^- 反應。同 樣地，強鹼及其鹽類也不能當做緩衝溶液。

– 弱鹼與其共軛酸陰離子組成的緩衝溶液 ( 如： NH3 與 NH4⁺)也可以作為緩衝溶液：

– 磷酸氫根離子與磷酸二氫根離子這兩種離子可以分別

13-8 緩衝溶液

• 緩衝溶液的限制

– 緩衝溶液雖然可以控制溶液 pH 值的穩定性，

但是控制的能力還是有一限度，如果外界加入 系統的 OH^- 超過了HClO 於溶液中的含量時，則 緩衝溶液將失去緩衝鹼的效果，pH 值就會改變。

– 同樣地，若加入系統的酸超過了 ClO^- 的含量時，

緩衝溶液也會失去緩衝酸的作用。