强酸强碱与弱酸弱碱 · 高中化学

同样浓度，差别却很大

取浓度都是 0.10 mol/L 的盐酸和醋酸，各放入一段同样的镁条：盐酸里立刻冒出大量气泡，醋酸里的气泡慢得多。用同样的装置测导电性，盐酸使灯泡很亮，醋酸只让灯泡微微发亮。用 pH 计测，盐酸的 pH 是 1.00，醋酸的 pH 约是 2.88。

两种酸的浓度相同，溶液里 H⁺ 的浓度却差了几十倍。原因在于它们电离的程度不同。

强酸和强碱

2.7.5 节把电解质分成了强电解质和弱电解质。酸和碱也一样：

在水中全部电离的酸叫强酸strong acid。常见的有 HCl、HBr、HI、HNO₃、H₂SO₄、HClO₄。
在水中全部电离的碱叫强碱strong base。常见的有 NaOH、KOH、LiOH 等碱金属的氢氧化物，以及 Ca(OH)₂、Sr(OH)₂、Ba(OH)₂。

强酸溶液里几乎没有酸分子，只有 H⁺ 和酸根离子。0.10 mol/L 的盐酸中，c(H⁺) = 0.10 mol/L。

弱酸、弱碱和电离常数

在水中只有部分电离的酸叫弱酸weak acid，比如 CH₃COOH、HF、H₂CO₃、HClO、HCN；部分电离的碱叫弱碱weak base，比如 NH₃·H₂O。

弱酸的电离是可逆的。用 HA 代表一种一元弱酸：

\ce{HA <=> H+ + A-}

分子电离成离子，离子又结合成分子，一段时间后两个方向的速率相等，达到电离平衡ionization equilibrium。这就是 2.11.3 节的动态平衡。像 2.11.4 节的 K 一样，电离平衡也有平衡常数，叫电离常数ionization constant。弱酸的电离常数记作 Ka：

K_a = \frac{c(\ce{H+})\cdot c(\ce{A-})}{c(\ce{HA})}

同样，NH₃·H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻ 的电离常数记作 Kb，25 °C 时 Kb = 1.8 × 10⁻⁵。

电离常数只与温度有关。温度相同时，Ka 越大，酸越容易电离，酸性越强。下表是几种弱酸在 25 °C 时的 Ka：

弱酸	Ka（25 °C）
HF	6.4 × 10⁻⁴
HNO₂	4.6 × 10⁻⁴
HCOOH（甲酸）	1.8 × 10⁻⁴
CH₃COOH（醋酸）	1.8 × 10⁻⁵
H₂CO₃（第一步电离）	4.3 × 10⁻⁷
HClO（次氯酸）	2.9 × 10⁻⁸
HCN（氢氰酸）	4.9 × 10⁻¹⁰

H₂CO₃ 是二元弱酸，分两步电离，第二步比第一步难得多，所以通常只看第一步。

已电离的百分比

弱酸电离的程度，可以用已电离的分子占全部分子的百分比来表示（也叫电离度）：

\begin{aligned} &\text{已电离的百分比} \\ &= \frac{\text{已电离的弱酸浓度}}{\text{弱酸的初始浓度}} \times 100\% \end{aligned}

0.10 mol/L 的醋酸只有约 1.3% 的分子电离，所以 c(H⁺) 约为 1.3 × 10⁻³ mol/L，比同浓度的盐酸小得多。把醋酸稀释到 0.010 mol/L，已电离的百分比增大到约 4.2%：加水稀释使电离平衡向电离的方向移动（2.11.5 节的勒夏特列原理）。但 c(H⁺) 却减小到约 4.2 × 10⁻⁴ mol/L，因为溶液变稀了。

酸越强，共轭碱越弱

2.12.1 节说过，酸给出 H⁺ 后剩下共轭碱。酸越容易给出 H⁺，它的共轭碱就越难把 H⁺ 抢回来：

HCl 是强酸，它的共轭碱 Cl⁻ 几乎不能接受 H⁺，NaCl 溶液呈中性。
CH₃COOH 是弱酸，它的共轭碱 CH₃COO⁻ 能从水分子那里接受一部分 H⁺（CH₃COO⁻ + H₂O ⇌ CH₃COOH + OH⁻），CH₃COONa 溶液呈弱碱性。像这样，盐电离出的离子和水电离出的 H⁺ 或 OH⁻ 结合、使溶液显碱性或酸性的反应，人教版叫做盐类的水解salt hydrolysis，选择性必修 1 会系统学习。2.12.5 节的滴定曲线会用到这一点。

下面的模型里，每个格子代表一个溶质分子。选一种酸或碱和浓度，看 100 个分子里有几个电离了，再比较 c(H⁺)、pH 和灯泡的亮度。pH 的算法在 2.12.3 节讲，这里先记住：pH 越小，c(H⁺) 越大。

动手试试：同样浓度的强酸和弱酸差在哪里？

浓度

灯泡亮度只是示意离子的多少。计算时忽略了水自身电离出的 H⁺ 和 OH⁻。

和美国教材的不同

美国教材把 Ka 叫 acid ionization constant（或 acid dissociation constant），浓度写成 [H⁺]、[A⁻]，已电离的百分比叫 percent ionization。
人教版写 NH₃·H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻；美国教材写 NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻，Kb 的式子里不写水。
美国教材要求记住六种强酸（HCl、HBr、HI、HNO₃、H₂SO₄、HClO₄），人教版课本里最常见的是 HCl、H₂SO₄、HNO₃ 三种。
美国教材常用 ICE 表计算弱酸溶液，人教版叫“三段式”，就是 2.11.4 节的方法。

例题 1：0.10 mol/L 醋酸中的 c(H⁺)

25 °C 时，求 0.10 mol/L CH₃COOH 溶液中的 c(H⁺) 和已电离的百分比，并和 0.10 mol/L 盐酸比较。已知 Ka = 1.8 × 10⁻⁵。

设平衡时 c(H⁺) = x mol/L，则 c(CH₃COO⁻) = x，c(CH₃COOH) = 0.10 − x：

\begin{aligned} K_a &= \frac{c(\ce{H+})\cdot c(\ce{CH3COO-})}{c(\ce{CH3COOH})} \\ &= \frac{x^2}{0.10 - x} \\ &= 1.8 \times 10^{-5} \end{aligned}

分步解析

近似。 Ka 很小，电离的醋酸很少，x 比 0.10 小得多，分母里可以把 x 去掉：0.10 − x ≈ 0.10。于是
$\begin{aligned} x^2 &= 1.8 \times 10^{-5} \times 0.10 \\ &= 1.8 \times 10^{-6} \end{aligned}$
求 x。
$\begin{aligned} x &= \sqrt{1.8 \times 10^{-6}} \\ &= 1.34 \times 10^{-3} \end{aligned}$
c(H⁺) ≈ 1.3 × 10⁻³ mol/L。
已电离的百分比。
$\frac{1.34 \times 10^{-3}}{0.10} \times 100\% \approx \boxed{1.3\%}$
检验近似：为什么看“5%”？ 把 0.10 − x 写成 0.10，分母大了 x ÷ 0.10，也就是已电离的百分比。只要它小于 5%，分母的误差就小于 5%；x 是开平方得来的，误差还要再减半，不到 2.5%。Ka 本身只有 2 位有效数字，这点误差不影响结果。这里只有 1.3%，近似合理。
对照精确解。 不近似、直接解 x² + 1.8 × 10⁻⁵x − 1.8 × 10⁻⁶ = 0，得 x = 1.33 × 10⁻³，和近似值只差不到 1%。
什么时候不能近似。 酸很稀或 Ka 较大时，电离的比例大。例如 0.0010 mol/L 醋酸，近似算出 x = 1.34 × 10⁻⁴，已电离 13%，超过 5%，就要解一元二次方程（得 1.25 × 10⁻⁴）。
比较。 0.10 mol/L 盐酸中 c(H⁺) = 0.10 mol/L，是醋酸的七十多倍。所以镁条在盐酸中反应快得多。

例题 2：浓的弱酸和稀的强酸

25 °C 时，1.0 mol/L 的醋酸和 0.010 mol/L 的盐酸，哪个溶液的 c(H⁺) 更大？

分步解析

盐酸。 HCl 是强酸，全部电离，c(H⁺) = c(HCl) = 0.010 mol/L。
醋酸。 同例题 1 的方法，设 c(H⁺) = x，分母近似为 1.0：
$\begin{aligned} x^2 &\approx 1.8 \times 10^{-5} \times 1.0 \\ x &\approx 4.2 \times 10^{-3}\ \text{mol/L} \end{aligned}$
检验近似。 4.2 × 10⁻³ ÷ 1.0 = 0.42%，远小于 5%，近似合理。
比较。 0.010 > 4.2 × 10⁻³，所以稀盐酸的 c(H⁺) 反而更大，尽管醋酸的浓度是它的 100 倍。
结论。 “强弱”说的是电离的程度，“浓稀”说的是溶液的浓度，这是两回事。

练一练：这种物质属于哪一类？

HNO₃
HF
KOH
NH₃·H₂O
HClO₄
HCN
Ba(OH)₂
H₂CO₃

常见误区

误区 1：“强酸就是浓酸，弱酸就是稀酸。” 强弱看电离程度，浓稀看浓度。0.010 mol/L 的盐酸是稀的强酸，1.0 mol/L 的醋酸是浓的弱酸，前者的 c(H⁺) 反而更大。

误区 2：“氢氟酸能腐蚀玻璃，所以是强酸。” HF 腐蚀玻璃是因为它能和 SiO₂ 反应，和电离程度无关。HF 在水中只部分电离，是弱酸。

误区 3：“弱酸溶液加水稀释，电离程度变大，所以 c(H⁺) 也变大。” 稀释后已电离的百分比确实变大，但溶液变稀的影响更大，c(H⁺) 还是减小。0.10 mol/L 醋酸稀释 10 倍，c(H⁺) 从 1.3 × 10⁻³ 降到 4.2 × 10⁻⁴ mol/L。

即时小测

浓度相同时，下列酸溶液中 c(H⁺) 最小的是？（Ka 见上表）

0.10 mol/L 某一元弱酸溶液中，c(H⁺) = 1.0 × 10⁻³ mol/L。这种酸已电离的百分比是？

小结

强酸（HCl、HBr、HI、HNO₃、H₂SO₄、HClO₄）和强碱（碱金属的氢氧化物和 Ca(OH)₂、Sr(OH)₂、Ba(OH)₂）在水中全部电离。
弱酸、弱碱部分电离，存在电离平衡。电离常数 Ka（Kb）只与温度有关，越大说明酸（碱）越强。
已电离的百分比 = 已电离的浓度 ÷ 初始浓度 × 100%，稀释使它增大，但 c(H⁺) 减小。“强弱”和“浓稀”是两回事。

通往 AP（以后再看）

AP 要求记住常见的强酸和强碱（8.2）。AP 8.3 用 Ka、Kb 和 ICE 表计算弱酸、弱碱溶液的 [H₃O⁺]、pH 和 percent ionization，还常要求说明 x ≪ c 的近似是否合理。AP 8.6 从分子结构（键的极性、键的强弱、共轭碱的稳定性）解释为什么有的酸强、有的酸弱。

数据来源：Ka 取自 OpenStax《Chemistry 2e》附录 H。

强酸强碱与弱酸弱碱Strong and Weak Acids and Bases

学习目标

前置知识

同样浓度，差别却很大

强酸和强碱

弱酸、弱碱和电离常数

已电离的百分比

酸越强，共轭碱越弱

和美国教材的不同

例题 1：0.10 mol/L 醋酸中的 c(H⁺)

例题 2：浓的弱酸和稀的强酸

常见误区

即时小测

小结

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