化学 / 实验

酸、碱与中和

滴定用浓度已知的溶液测量另一种溶液的浓度，指示剂的变色帮助我们判断何时停止加液

酸和碱就在我们身边：食醋、柠檬汁、肥皂、烤箱清洁剂。胃甚至会分泌盐酸来帮助消化食物，而缓解胃部不适的药片，正是靠中和一部分胃酸起作用的（见胃页面）。可是，是什么让一种溶液成为酸？为什么酸和碱会互相“抵消”？食盐溶解时，会分成一个个带电的微粒，叫作离子，在水中运动（离子晶体页面展示了这一点）。酸和碱溶解时也会释放离子，而中和反应的全部故事，就是其中两种离子相遇。

溶液中的离子看不见，但指示剂能把 pH 的变化显示成颜色。要读懂这种变化，我们需要说明酸、碱和可溶性碱各指什么，以及它们在水中怎样反应。实验台上的滴定把这些解释用在一个具体任务中：逐滴加入溶液，观察指示剂何时变色，并判断这个终点意味着什么。

什么让溶液呈酸性或碱性？

酸把质子转移给水

我们先看盐酸。质子是原子核里带正电的粒子，氢原子只有一个质子。氯化氢（化学式 HCl，H 是氢，Cl 是氯）进入水中后，把这个质子转移给水分子，也就是下面第一条式子；式子括号里的 (aq) 表示这种粒子溶在水中。H₃O⁺ 叫水合氢离子；水中的质子还会与周围水分子相互作用。后面为方便计数，用常见简写 H⁺(aq)，并不表示水里有孤立的裸质子。

\mathrm{HCl}(aq)+\mathrm{H_2O}(l)\rightarrow \mathrm{H_3O^{+}}(aq)+\mathrm{Cl^{-}}(aq)

可溶性碱使水中氢氧根离子增多

可溶性碱溶于水，使水中的氢氧根离子 OH⁻ 浓度增大。氢氧根离子含氧和氢，带负电。氢氧化钠在溶解时提供 OH⁻；氨则与水反应。两种方式都会使溶液呈碱性，下面两条式子分别对应它们。

\mathrm{NH_3}(aq)+\mathrm{H_2O}(l)\rightleftharpoons \mathrm{NH_4^{+}}(aq)+\mathrm{OH^{-}}(aq)

\mathrm{NaOH}(aq)\rightarrow \mathrm{Na^{+}}(aq)+\mathrm{OH^{-}}(aq)

中和：两种离子生成水

现在把两种溶液混合。带正电的 H⁺ 和带负电的 OH⁻ 互相吸引。异号电荷相吸，这是电力的基本规律。它们结合生成水。想多看这条规律，可以读库仑定律页面。钠离子和氯离子留在水中，如果把水蒸干，它们就会形成食盐。下面两条式子分别记录离子变化和总的反应：

\mathrm{H^{+}}(aq)+\mathrm{OH^{-}}(aq)\rightarrow \mathrm{H_2O}(l)

\mathrm{HCl}(aq)+\mathrm{NaOH}(aq)\rightarrow \mathrm{NaCl}(aq)+\mathrm{H_2O}(l)

碱，还是可溶性碱？

在本课的质子转移描述中，碱是能够接受质子的粒子。例如 OH⁻ 接受 H⁺ 生成水，NH₃ 接受 H⁺ 生成 NH₄⁺。许多金属氧化物和氢氧化物能与酸反应，但不能说所有金属氧化物都属于碱。能溶于水并使水溶液中 OH⁻ 浓度增加的碱，称为可溶性碱（alkali）；“碱溶液”指得到的溶液。例如氧化铜(II) 能与酸反应，却不溶于水，所以是碱而不是可溶性碱。

常见的酸和碱

酸
名称	化学式	在哪里遇到
盐酸	HCl	胃液中，帮助消化食物
硫酸	H₂SO₄	汽车蓄电池；制造化肥
硝酸	HNO₃	制造化肥和炸药
乙酸（醋酸） *	CH₃COOH	食醋
柠檬酸 *	C₆H₈O₇	柠檬、青柠和橙子
碳酸 *	H₂CO₃	碳酸饮料：溶解在水中的二氧化碳

星号表示弱酸：在给定浓度下，它不会全部电离（电离就是酸把质子交给水分子）。强酸如稀盐酸，电离近乎完全。能给出不止一个质子的酸（多元酸）要逐步讨论；例如硫酸第一步很强，后续一步仍需按平衡处理。酸的强弱与溶液浓稀是两个不同的问题。

碱
名称	化学式	可溶？	在哪里遇到
氢氧化钠	NaOH	是	烤箱和管道清洁剂；制造肥皂
氢氧化钾	KOH	是	碱性电池；软皂
氢氧化钙	Ca(OH)₂	是	石灰水；改良酸性土壤（微溶）
氨水	NH₃(aq)	是	家用清洁剂；它与水反应生成 OH⁻
氧化铜(II)	CuO	否	黑色粉末；不溶于水
氢氧化镁	Mg(OH)₂	否	胃药（“镁乳”）；几乎不溶于水
氢氧化铁(III)	Fe(OH)₃	否	红褐色固体；不溶于水
氧化锌	ZnO	否	防晒霜和护臀膏；不溶于水

pH 与指示剂

以下先讨论约 25 °C 的水溶液：pH<7 为酸性，pH=7 为中性，pH>7 为碱性。中性的本意是 H₃O⁺ 与 OH⁻ 的浓度相等；中性对应的 pH 会随温度改变。0 至 14 是这里展示的常见范围，不是所有溶液都必须落在其中。

盐酸、氢氧化钠溶液以及它们生成的盐溶液都是无色的，所以我们的眼睛看不出中和什么时候完成。指示剂解决了这个问题。指示剂是一种特殊的溶液，通常是某种染料的溶液，它的颜色会随 pH 改变。每种指示剂都只在它自己的一小段 pH 范围内变色。所以我们要根据用途来选择指示剂。做滴定时，要选一种恰好在当量点附近那段 pH 急升范围内变色的指示剂。当量点是酸碱按所需比例恰好反应完的位置，观察到的变色终点与它接近，但不是同一个定义。

常见指示剂在 pH 0 至 14 时的颜色
指示剂	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	变色范围
通用指示剂红 → 橙 → 黄 → 绿 → 蓝 → 紫	pH 0	pH 1	pH 2	pH 3	pH 4	pH 5	pH 6	pH 7	pH 8	pH 9	pH 10	pH 11	pH 12	pH 13	pH 14	0–14
石蕊红 → 紫 → 蓝	pH 0	pH 1	pH 2	pH 3	pH 4	pH 5	pH 6	pH 7	pH 8	pH 9	pH 10	pH 11	pH 12	pH 13	pH 14	4.5–8.3
酚酞无色 → 粉红	pH 0	pH 1	pH 2	pH 3	pH 4	pH 5	pH 6	pH 7	pH 8	pH 9	pH 10	pH 11	pH 12	pH 13	pH 14	8.2–10.0
甲基橙红 → 橙 → 黄	pH 0	pH 1	pH 2	pH 3	pH 4	pH 5	pH 6	pH 7	pH 8	pH 9	pH 10	pH 11	pH 12	pH 13	pH 14	3.1–4.4
甲基红红 → 橙 → 黄	pH 0	pH 1	pH 2	pH 3	pH 4	pH 5	pH 6	pH 7	pH 8	pH 9	pH 10	pH 11	pH 12	pH 13	pH 14	4.4–6.2
溴百里酚蓝黄 → 绿 → 蓝	pH 0	pH 1	pH 2	pH 3	pH 4	pH 5	pH 6	pH 7	pH 8	pH 9	pH 10	pH 11	pH 12	pH 13	pH 14	6.0–7.6

颜色只是近似，会随浓度变化。石蕊来自天然染料的混合物；它主要帮助我们区分酸性和碱性。通用指示剂也含多种成分，但被配制成能在较宽 pH 范围呈现不同颜色。约 pH 13 以上，酚酞的颜色又会慢慢褪去。

滴定实验

滴定就是用一种已知浓度的溶液去测定另一种溶液的浓度。摩尔（mol）用来计数粒子，1 mol 含约 $6.022 \times 10^{23}$ 个指定粒子。mol/dm³ 表示每立方分米溶液含多少摩尔溶质；1 dm³ 就是 1 升。因此，0.100 mol/dm³ 的 NaOH 溶液每升含有 0.100 mol NaOH。这里氢氧化钠溶液的浓度是 0.100 mol/dm³，盐酸的浓度未知。我们准确量取 25.00 cm³ 盐酸，然后从滴定管中加入碱溶液，直到酸恰好被中和。由于 H⁺ 和 OH⁻ 按一比一反应，所需碱溶液的体积就告诉我们原来有多少酸。

这是一个自由实验。你可以把任一种溶液放到任何地方，用多少都可以，变色以后继续加也可以，没有什么会阻止你。只有某些操作会让实验中止，和真实实验室里一样：洒出溶液、装得过满，或者打碎玻璃仪器。完成以后，实验会把你的操作与右侧的步骤比较，并告诉你结果可能在哪里出了问题。如果不知道从哪里开始，可以先播放示范。

移动仪器 拖动它。仪器跟着指针在台面上移动。按住它时，鼠标滚轮、触控板双指滑动，或 ↑ / ↓ 键都可以升高或降低它；触屏上把它拖到目标工作位置即可，靠近时会自动对准。靠近漏斗、锥形瓶、烧杯或水槽时，它会自动对准到操作位置，画面上会有提示
操作仪器 点击它。它的按钮会出现在画面下方和「物品」标签页中。标有「按住」的按钮只在按下时起作用
按步骤操作 「步骤」标签页中的每一步都写明要用哪件仪器、哪个按钮。指向或展开一步，对应的仪器会亮起；「显示位置」会把它移到画面中
环顾与走动 在画面空白处拖动可以转头；W、A、S、D 键走动，向上、向下方向键升降（可在「设置」中更改）。手机上用摇杆和箭头按钮。仪器离开画面时，按「回到实验台」
实验台另一侧 有水槽和三联水龙头，还有燃气阀、本生灯和点火器。点击手柄可以转动它；把本生灯的橡胶管拖到燃气出口上就能接上

可以在页面右上角的设置（齿轮图标）中查看或调整移动按键。

拖动只改变水平位置 · 滚轮或“高度”调节升降

正在准备模型…

操作步骤与原因

01
安装滴定管滴定管已夹在铁架台上：点击活塞，确认旋钮显示「关闭」
把滴定管竖直夹好，并检查活塞是否关闭。滴定管倾斜会使读数不准；活塞开着，装液时溶液就会流出去。真实实验补充（本模拟器不对此项评分）：在真实实验中，要用去离子水洗净仪器。残留的水会稀释装入的溶液，因此还要用将要装入的 NaOH 溶液润洗滴定管，用待测盐酸润洗移液管。锥形瓶用去离子水洗净即可：它残留的少量水改变浓度，但不改变已经量取的酸的物质的量。
02
向滴定管中装入氢氧化钠溶液把氢氧化钠烧杯拖到漏斗旁，自动对准后松开，再按住「倒入漏斗」；在滴定管刻度 0.00 稍下方停止
使用漏斗，因为滴定管口只有约 1 cm 宽。液面接近顶部时要慢慢倒，停在 0.00 刻度稍下方，也就是刻度范围以内。在真实的滴定管中，你还要放出一点溶液把尖嘴充满：如果那里留有气泡，之后会被液体取代，读数就会包含一部分从未流进锥形瓶的体积。
03
取下漏斗把漏斗从滴定管上拖出，在空烧杯上方松开
漏斗中残留的液滴可能在滴定过程中流进滴定管，读数因此改变，却没有溶液流进锥形瓶。
04
读出初读数打开画面右上角的「滴定管刻度」，读凹液面最低点，填入实验台下方的表格
读取弯曲液面最低点，即凹液面的位置，视线要与它相平，读到小数点后两位（精确到 0.05 cm³）。从上方或下方看都会使读数偏移，这叫作视差。画面右上角的「滴定管刻度」可以显示放大视图。
05
用移液管准确移取 25.00 cm³ 酸到锥形瓶中点击移液管拿起，把尖端拖进盐酸烧杯；按住「吸液」，再按住「慢慢放出」到刻度线。然后拖进锥形瓶，按住「全部放出」
移液管能非常准确地量取一个固定的体积。要用移液器，绝不能用嘴吸，因为酸有腐蚀性。把酸吸到刻度线以上，随后慢慢放出，直到凹液面最低点正好落在刻度线上。让它流进锥形瓶，并把尖端靠在瓶内壁上；不要吹出最后一滴，因为移液管的校准已经把它算在留下的部分里。
06
加入 2–3 滴酚酞点击滴管，按住「挤压胶头」再松开，吸入指示剂；拖到锥形瓶上方，挤压到落下 2–3 滴
H⁺ 与 OH⁻ 恰好按反应比例用完的位置叫当量点。指示剂让我们看见的是终点：本实验取充分摇匀后刚能保持的淡粉色。酚酞在约 pH 8.2–10 的范围变色，并非 pH 刚超过 7 就立刻变粉。这里当量点附近 pH 变化很快，因此少量过量碱给出的终点可以接近当量点；它们仍不是同一个定义。只加几滴：指示剂本身是一种弱酸。
07
把锥形瓶放在滴定管下方的白瓷板上把锥形瓶拖向滴定管尖嘴，它会自动对准下方的白瓷板
白色背景让最初的淡粉色很容易看清。滴定管尖嘴应在瓶口正上方或刚伸进瓶颈，保证每一滴都落进瓶里。
08
加入碱溶液，同时不停摇动点击滴定管活塞，向上拖动旋钮打开它，然后在碱溶液流入时按住「摇动」
打开活塞让碱溶液流入，同时摇动锥形瓶。碱溶液落下的地方会出现粉红色，摇动后又消失：那一小块暂时变成了碱性，但瓶中其余部分还有酸。先快速做一次粗测，就能大致知道终点在哪里。
09
接近终点时改为逐滴加入把旋钮调小到「逐滴」（或按 −），每滴后摇动，出现不褪的淡粉色时按「关闭」
精确滴定时，在距离粗测滴定量约 1 cm³ 以前，可以较快地加入溶液。进入这最后约 1 cm³ 的范围，就要一滴一滴地加入，每加一滴都摇动。某一滴使溶液在摇动后仍保持淡粉色时，就停止加入。每一滴约 0.05 cm³；这时加得太快就会超过终点，多加的碱溶液是拿不回来的。
10
读出终读数，求出滴定量再读一次「滴定管刻度」，把终读数填入表格
滴定量就是加入的体积：终读数减去初读数。两个读数都要记录，而不只是差值，这样之后可以发现其中任一个的错误。
11
重复，直到两次滴定量一致按实验台下方的「倒空并冲洗」，再从第 5 步开始，重新量取 25.00 cm³ 酸
倒空并冲洗锥形瓶，再用移液管取 25.00 cm³ 酸，加入指示剂，重新滴定。相差不超过 0.10 cm³ 的结果是一致的；只对一致的滴定量取平均，粗测的那一次不计入。
12
计算酸的浓度在「你的实验记录」中填入浓度，再按「完成实验并检查」
物质的量 $n$ 用 mol 计数粒子，1 mol 约含 $6.022 \times 10^{23}$ 个指定粒子。浓度 $c = n/V$ ，因此 $n = cV$ ，V 须与浓度单位匹配。用一个示例练习：平均滴定量为 24.80 cm³ = 0.02480 dm³，则 $n(\mathrm{NaOH}) = 0.100 \times 0.02480 = 0.002480\text{ mol}$ 。反应比为 1∶1，所以 $n(\mathrm{HCl})$ 相同。酸体积是 0.02500 dm³，因此 $c(\mathrm{HCl}) = 0.002480 / 0.02500 = 0.0992\text{ mol/dm³}$ 。这组数据只是算例，不是替你完成本次实验的读数。

天平0.00 g

自由操作拖动只改变水平位置 · 滚轮或“高度”调节升降洒落 0.0 mL · 0.00 g

滴定管读数请在「滴定管刻度」中自行读取

你的实验记录

每次读数都记录到小数点后两位。勾选相差不超过 0.10 cm³ 的滴定量，计入平均值。

项目	粗测	1	2	3
滴定管终读数 / cm³
滴定管初读数 / cm³
滴定量 / cm³	–	–	–	–
计入平均	不计入

平均滴定量: – cm³

盐酸的浓度 / mol dm⁻³