鹼Bases

化學原理啟迪170

1.      根據阿瑞尼士定義，「鹼」是指能在溶液中提供「氫氧根離子OH^－」的物質。根據布忍斯特－勞萊的酸鹼定義，「鹼」是「質子H⁺」的接受者。鹼性物質「氫氧化鈉NaOH」和「氫氧化鉀KOH」符合以上二種定義。

2.      「NaOH」和「KOH」在固態格狀結構內含有OH^－，是強電解質，能完全溶解於水中：

NaOH(s )   ^H2O→  Na⁺(aq) + OH^－(aq)

3.      因此1.0M NaOH溶液中含有1.0M Na⁺和1.0M OH^－。因為NaOH和 KOH在溶液中能完全解離，因此稱為強鹼 strong bases。

4.      1A族元素的氫氧化物（LiOH 、NaOH、 KOH、PbOH、 CsOH）都是強鹼，但是只有NaOH和KOH是實驗室常用的反應物，因為鋰Li、銣Rb、銫Cs等化合物比較貴。

5.      鹼土族（2A族）的氫氧化物－Ca(OH)2、Ba(OH)2和Sr(OH)2也是強鹼。這幾種化合物每溶解1莫耳於溶液中，會產生2莫耳的氫氧根離子OH^－。

6.      鹼土族金屬的氫氧化物十分難溶解，通常使用在不太需要溶解度的場合。事實上，它們的低溶解度也是一個優點。

7.      舉例來說，有許多抗酸制劑就是這種許多金屬氫氧化物構成的，例如氫氧化鋁aluminum hydroxide與氫氧化鎂 magnesium hydroxide。

8.      氫氧化鋁和氫氧化鎂…這類化合物的低溶解度，可以避免它們遇水產生高濃度的氫氧根離子，傷害口腔、咽喉和胃的組織。

9.      另一方面，氫氧化鋁和氫氧化鎂…這些懸浮物質含有高濃度的氫氧根離子，能夠與胃酸反應中和，因為這些鹽類在酸鹼反應過程中會溶解。

10.  氫氧化鈣Ca(OH)2，又稱為熟石灰slaked lime，因為產量很多又便宜，成為工業上常用的化合物。舉例來說，熟石灰可用來處理發電廠與工廠的廢氣，用熟石灰刷洗可移除廢氣中的硫酸。

11.  刷洗的程序是把熟石灰水噴灑在廢氣中，讓熟石灰與硫酸氣體進行化學反應，流程如下：

SO2(g) + H2O(l) ←→ H2SO3(aq)

Ca(OH)2(aq) + H2SO3(aq) ←→ CaSO3(s) + 2H2O(l)

12.  熟石灰也廣泛應用在自來水廠，用來軟化硬水，移除硬水中的Ca²⁺和Mg²⁺，這些離子會阻礙洗潔劑溶解發泡。

13.  自來水廠最常用的軟化方法是灰鹼法 lime-soda process，方法就是把石灰CaO和蘇打粉Na2CO3加入水中。

14.  蘇打粉產生的碳酸根離子CO3^2－會與水反應產生碳酸氫根離子HCO3^－。

15.  石灰加入硬水中會產生熟石灰

CaO(s)+H2O(l) ←→Ca(OH)2(aq)

16.  然後熟石灰Ca(OH)2與碳酸氫根離子HCO3^－、鈣離子Ca⁺（碳酸鈣解離）反應：

Ca(OH)2(aq)+Ca²⁺(aq)+2HCO3^－(aq)→2CaCO3(s)+2H2O(l)

Ca²⁺從硬水而來

17.  由上面的方程式可以知道，每消耗1莫耳的Ca(OH)2，就能移除硬水中1莫耳的Ca²⁺，使水軟化。

18.  有些硬水含有碳酸氫鹽離子bicarbonate ions(HCO3^－)。這種情況下就不需要蘇打粉，只要加生石灰就可以軟化水。

19.  【例題】計算5.0×10^－2M NaOH溶液的pH值。

20.  【解題】這個溶液的主要化合物是

Na⁺、OH^－和H2O

↑從NaOH而來

21.  雖然水自解離也會產生 氫氧根離子OH^－，但是溶液的pH值是由NaOH解離的氫氧根離子OH^－決定。因此，這個溶液裡的氫氧根離子濃度是：

[OH^－]＝5.0×10^－2 M

22.  質子H⁺的濃度可利用離子積常數Kw計算出來：

[H⁺]＝Kw／[OH^－]＝(1.0×10^－14)÷(5.0×10^－2)＝2.0×10^－13M

pH=12.70

23.  特別提醒，這個溶液是鹼性的

[OH^－]＞[H⁺]  並且 pH＞7

24.  利用增加NaOH鹽類來增加氫氧根離子OH^－，會使得水的自解離平衡位置往左移動，因此NaOH溶液的質子濃度[H⁺]比純水低。水的自解離方程式：

H2O(l)←→ H⁺(aq) + OH^－(aq)

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》