酸碱的定义（Arrhenius、Brønsted-Lowry）

不含 OH⁻ 的碱

1.8.4 节认识了常见的酸和碱：酸能使紫色石蕊溶液变红，碱能使无色酚酞溶液变红。2.7.5 节又从电离的角度给酸和碱下了定义。可是有几件事用这个定义不好解释：

氨气（NH₃）的化学式里没有 OH⁻，它的水溶液却显碱性。
碳酸钠（Na₂CO₃）是盐，俗名却叫“纯碱”，它的溶液能使酚酞变红。
浓盐酸和浓氨水靠近时，挥发出的 HCl 和 NH₃ 在空气中相遇，生成 NH₄Cl 白烟。这里没有水，却和酸碱中和很像。

这一节先回顾电离理论，再学一种范围更宽的酸碱定义。

电离理论（Arrhenius）

1887 年，瑞典化学家阿伦尼乌斯提出了酸碱电离理论Arrhenius theory，也就是 2.7.5 节用的定义：

电离时生成的阳离子全部是 H⁺ 的化合物叫做酸，例如 HCl → H⁺ + Cl⁻。
电离时生成的阴离子全部是 OH⁻ 的化合物叫做碱，例如 NaOH → Na⁺ + OH⁻。

按这个理论，酸碱中和的实质是 H⁺ + OH⁻ → H₂O。电离理论简单好用，但它只讨论水溶液，而且只认含 H⁺ 或 OH⁻ 的化合物，所以解释不了上面的几个例子。

质子理论（Brønsted–Lowry）

1923 年，丹麦的布朗斯特和英国的劳里各自提出了酸碱质子理论Brønsted–Lowry theory：

能给出质子（H⁺）的物质是酸，酸是质子的给予体。
能接受质子（H⁺）的物质是碱，碱是质子的受体。

为什么 H⁺ 叫质子？氢原子只有一个质子和一个电子，失去电子后剩下的就是一个质子。在水中，H⁺ 不会单独存在，它和水分子结合成水合氢离子hydronium ion H₃O⁺。所以 HCl 溶于水，实际上是 HCl 把 H⁺ 给了 H₂O：

\ce{HCl + H2O -> H3O+ + Cl-}

HCl 给出 H⁺，是酸；H₂O 接受 H⁺，是碱。通常写的 HCl → H⁺ + Cl⁻ 是它的简写。

质子理论的酸碱反应就是质子转移：H⁺ 从酸转移到碱。它不要求有水，也不要求是化合物，离子也可以是酸或碱。氨气和氯化氢生成白烟，就是 HCl 把 H⁺ 给了 NH₃。

共轭酸碱对

看氨溶于水的反应：

\ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH-}

H₂O 给出 H⁺，是酸；NH₃ 接受 H⁺，是碱。这个反应是可逆的，逆反应里 NH₄⁺ 把 H⁺ 还给 OH⁻，所以 NH₄⁺ 也是酸，OH⁻ 也是碱。

碱接受 H⁺ 后变成的粒子，叫做这个碱的共轭酸conjugate acid：NH₄⁺ 是 NH₃ 的共轭酸。
酸给出 H⁺ 后剩下的粒子，叫做这个酸的共轭碱conjugate base：OH⁻ 是 H₂O 的共轭碱。

一个酸和它的共轭碱（或一个碱和它的共轭酸）组成一对共轭酸碱对conjugate acid–base pair，两者只相差一个 H⁺。每个质子转移反应里都有两对：这里是 NH₄⁺/NH₃ 和 H₂O/OH⁻。

用质子理论再看另外两个例子：NH₃ 能接受 H⁺，所以是碱，不需要含有 OH⁻；CO₃²⁻ 能从水分子那里接受 H⁺（CO₃²⁻ + H₂O ⇌ HCO₃⁻ + OH⁻），留下 OH⁻，所以纯碱溶液显碱性。

既能当酸又能当碱

同一种粒子，遇到更强的碱时给出 H⁺，遇到更强的酸时接受 H⁺。上面两个反应里，H₂O 在第一个反应中是碱，在第二个反应中是酸。HCO₃⁻ 也是这样：遇到 OH⁻ 时给出 H⁺ 变成 CO₃²⁻，遇到 H₃O⁺ 时接受 H⁺ 变成 H₂CO₃。这种既能给出又能接受质子的物质叫做两性物质amphiprotic substance。

所以判断一种粒子是酸还是碱，要看它在这个反应里是给出还是接受了 H⁺。

下面有 7 个反应。点一下每种粒子，给它标上“酸、碱、共轭酸、共轭碱”，再点“检查”，看 H⁺ 从哪里转移到哪里：

动手试试：标出酸、碱和它们的共轭酸碱

点一下粒子，切换它的身份

和美国教材的不同

人教版课本的酸碱定义以电离理论为主（2.7.5 节），方程式里写 H⁺；质子理论是拓展内容。美国教材和 AP 以质子理论为主，方程式里常写 H₃O⁺。
人教版把氨水写成 NH₃·H₂O，电离方程式是 NH₃·H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻；美国教材写 NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻。
美国教材把 H₂O、HCO₃⁻ 这类物质叫 amphiprotic，也常用 amphoteric（两性）。人教版说的“两性”主要指 Al₂O₃、Al(OH)₃ 这类既能和酸反应、又能和强碱反应的物质。
还有一种范围更宽的路易斯（Lewis）理论，用电子对来定义酸碱，这里不展开。

例题 1：用两种理论分析同一个反应

浓盐酸和浓氨水靠近时产生白烟：NH₃(g) + HCl(g) → NH₄Cl(s)。分别用电离理论和质子理论分析，这个反应算不算酸碱反应？

分步解析

先回顾两种定义。 电离理论：在水溶液中电离出的阳离子全部是 H⁺ 的是酸，阴离子全部是 OH⁻ 的是碱。质子理论：能给出质子（H⁺）的是酸，能接受质子的是碱，不要求有水。
电离理论。 反应在气体之间进行，没有水，HCl 和 NH₃ 都没有电离，也没有 OH⁻ 参加。按电离理论，这个反应说不上是酸碱中和。
质子理论。 HCl 把 H⁺ 给了 NH₃，生成 NH₄⁺ 和 Cl⁻（它们组成 NH₄Cl 固体）。HCl 给出质子，是酸；NH₃ 接受质子，是碱。所以这是酸碱反应。
共轭酸碱对。 HCl 失去 H⁺ 后变成 Cl⁻，Cl⁻ 是 HCl 的共轭碱；NH₃ 得到 H⁺ 后变成 NH₄⁺，NH₄⁺ 是 NH₃ 的共轭酸。两对是 HCl/Cl⁻ 和 NH₄⁺/NH₃。
想一想。 质子理论的适用范围更广：同一个反应，电离理论说不清，质子理论能解释。

例题 2：写出共轭酸和共轭碱

写出下列酸的共轭碱：H₂SO₄、HCO₃⁻、NH₄⁺、H₂O。再写出下列碱的共轭酸：OH⁻、CO₃²⁻、H₂O、NH₃。

分步解析

规则。 共轭碱 = 酸去掉一个 H⁺，电荷减少 1；共轭酸 = 碱加上一个 H⁺，电荷增加 1。每次只加或去掉一个 H⁺。
共轭碱。 H₂SO₄ → HSO₄⁻；HCO₃⁻ → CO₃²⁻；NH₄⁺ → NH₃；H₂O → OH⁻。
共轭酸。 OH⁻ → H₂O；CO₃²⁻ → HCO₃⁻；H₂O → H₃O⁺；NH₃ → NH₄⁺。
检查电荷。 例如 HCO₃⁻ 去掉 H⁺：(−1) − (+1) = −2，得 CO₃²⁻；NH₃ 加上 H⁺：0 + (+1) = +1，得 NH₄⁺。
注意。 H₂O 和 HCO₃⁻ 两组都出现了：它们既有共轭碱，也有共轭酸，都是两性物质。
常见错误。 把 H₂SO₄ 的共轭碱写成 SO₄²⁻，一次去掉了两个 H⁺。SO₄²⁻ 是 HSO₄⁻ 的共轭碱。

练一练：这种粒子在给定的反应中是什么？

HNO₃ + H₂O → H₃O⁺ + NO₃⁻ 中的 HNO₃
同上反应中的 NO₃⁻
同上反应中的 H₃O⁺
NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻ 中的 H₂O
同上反应中的 NH₃
同上反应中的 OH⁻
HCO₃⁻ + OH⁻ → CO₃²⁻ + H₂O 中的 OH⁻
F⁻ + H₂O ⇌ HF + OH⁻ 中的 HF

常见误区

误区 1：“碱的化学式里一定有 OH⁻。” 这是电离理论的说法。按质子理论，能接受 H⁺ 的就是碱，NH₃、CO₃²⁻、F⁻ 里都没有 OH⁻，但它们都是碱。

误区 2：“反应里的任意一个酸和一个碱都能组成共轭酸碱对。” 共轭酸碱对的两个成员只相差一个 H⁺，比如 HCl 和 Cl⁻。HCl 和 OH⁻ 相差的不止一个 H⁺，不是共轭酸碱对。

误区 3：“水只是溶剂，既不是酸也不是碱。” 水能接受 HCl 给出的 H⁺，这时它是碱；也能把 H⁺ 给 NH₃，这时它是酸。水是两性物质。

即时小测

在 HSO₄⁻ + H₂O ⇌ SO₄²⁻ + H₃O⁺ 中，HSO₄⁻ 的共轭碱是？

下列粒子中，既能给出 H⁺ 又能接受 H⁺ 的是？

小结

电离理论：电离出的阳离子全部是 H⁺ 的是酸，阴离子全部是 OH⁻ 的是碱，只适用于水溶液。
质子理论：给出 H⁺ 的是酸，接受 H⁺ 的是碱。酸碱反应是质子从酸转移到碱，水中的 H⁺ 以 H₃O⁺ 的形式存在。
共轭酸碱对只相差一个 H⁺。H₂O、HCO₃⁻ 等两性物质在不同反应里可以当酸，也可以当碱。

通往 AP（以后再看）

AP 8.1 用 Brønsted–Lowry 理论定义酸碱，要求写出质子转移反应、标出两对共轭酸碱，并知道水是两性的。AP 的题目多用 H₃O⁺ 来写这类方程式。AP 8.6 还会从分子结构解释酸的强弱，2.12.2 节先从电离程度讲起。

酸碱的定义（Arrhenius、Brønsted-Lowry）Definitions of Acids and Bases (Arrhenius, Brønsted-Lowry)

学习目标

前置知识

不含 OH⁻ 的碱

电离理论（Arrhenius）

质子理论（Brønsted–Lowry）

共轭酸碱对

既能当酸又能当碱

和美国教材的不同

例题 1：用两种理论分析同一个反应

例题 2：写出共轭酸和共轭碱

常见误区

即时小测

小结

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