中和反应(neutralization reaction)是酸和碱作用生成盐和水的反应。在
电离理论中,其实质就是酸溶液中的H+与碱溶液中的OH-结合生成水的过程;在
酸碱质子理论中,酸和碱的中和反应就是一种质子的转移过程,即给出质子(H+)的物质(分子或离子)就是酸,接收质子的物质就是碱。
早在十六世纪医药
化学时期,人们已意识到酸和碱反应能生成既无酸性又无碱性的盐,当时他们把这种中和的过程称为“饱和作用”,中和点称为“饱和点”。常见的中和反应有
强碱强酸、强碱
弱酸、强酸
弱碱以及弱酸弱碱中和反应。在酸碱
滴定中,都采用一种能在酸碱溶液中改变颜色的物质(称为
指示剂)来判断反应的完成点——酸碱恰好完全反应。
一元强酸与强碱的中和热约为57kJ,其值与酸碱种类无关,弱酸、弱碱以及多元酸碱的中和热,因有
电离热的影响,不是定值。
在实际生产应用中,人们常用中和反应改良土壤酸碱性、处理
废水、治疗胃酸过多;在做
矿石分析时可用中和反应计算矿石中物质的含量;日常生活中,可利用中和反应调节
松花蛋的味道以及利用
碳酸氢钠制作面包和除臭等。
定义
中和反应是酸与碱相互作用而生成盐和水的反应。
例如:
也可用表示。
相关历史
化学家研究物质反应过程中量之间的关系是从研究中和反应开始的。早在十六世纪医药
化学时期,人们已意识到酸和碱反应能生成既无酸性又无碱性的盐,当时他们把这种中和的过程称为“饱和作用”,中和点称为“饱和点”。1684年
英国化学家
罗伯特·波义耳(Robert Boyle,1627~1691)最早提出朴素的酸碱概念。
1887年
瑞典化学家
斯万特·阿累尼乌斯(S.A.Arrhenius,1859~1927)总结大量试验事实,提出了
酸碱电离理论。但电离理论把酸碱反应只限于在
水溶液中进行,把酸碱的范围也局限在能电离出H+或 OH-的物质,不能解释物质在非水溶液中的酸碱性。为克服
电离理论的不足,1923年
丹麦化学家布朗斯特(J.N.Brönsted,1879~1947)和
英国化学家劳莱(T.M.Lowry,1874~1936)各自独立地提出了以质子为中心的酸碱质子理论。
反应原理
电离理论
中和反应的实质就是酸溶液中的H+与碱溶液中的OH-结合生成水的过程。
强酸和强碱的中和反应
盐酸、氢氧化钠和氯化钠都是强
电解质,它们在
水溶液中都完全电离成离子,只有水是
电离度极小的弱电解质,因此这一中和反应的实质是H+离子和OH-离子结合生成水的反应:
当反应到达等当点的时候,溶液中H+离子和 OH-离子的浓度
相等,即[H+]=[OH-]=10-7M , 溶液呈中性。
强碱和弱酸的中和反应
例如
氢氧化钠和
食用醋酸的中和反应,生成
乙酸钠和水。
氢氧化钠是强
电解质,在
水溶液中全部
电离成离子,醋酸是弱电解质,在溶液中部分电离成离子:
当H+离子和OH-离子结合成更弱的电解质水后,H+离子的浓度降低,这时CH₃COOH的电离平衡向右移动,CH₃COOH可继续电离,只要加入足够量的
氢氧化钠,中和反应可以继续进行, CH₃COOH可以完全被中和。这个中和反应的实质仍然是H+离子和OH-离子结合成水的反应。
由于生成的
醋酸钠溶液中存在着水的
电离平衡和醋酸的电离平衡,这两组平衡综合组成醋酸根的
水解平衡。所以反应到达等当点时,溶液不是中性,而是[OH-]\u003e[H+],呈碱性。
强酸和弱碱的中和反应
类反应与
强碱和
弱酸的中和反应类似,它是由H+离子和弱碱NH4OH提供的OH- 离子结合生成更弱的
电解质水,故反应的实质仍然是H+离子和OH- 离子结合成水的反应。 但由于生成物
强酸弱碱盐NH4Cl在溶液中也发生
水解反应,其NH4离子能和水
电离出的OH-离子结合,生成弱电解质NH4OH,其结果造成溶液中H+离子浓度的增加:
所以这类中和反应到达等当点的时候,溶液中[H+]\u003e[OH-]。溶液也不是中性,而是呈酸性。
弱酸和弱碱的中和反应
该反应所生成的
乙酸铵能强烈
水解。由于醋酸和氨水的强度几乎
相等,其
电离平衡常数也几乎相等,因此等当量的醋酸和氨水中和,当反应达到平衡时,溶液几乎呈中性,pH≈7。如果酸较碱更弱些,则酸的
平衡常数小于碱的平衡常数,则溶液呈碱性,反之,则溶液呈酸性。
综上所述:
酸碱质子理论
质子理论认为:任何能给出质子(H+)的物质(分子或离子)都是酸,任何能接收质子的物质都是碱。上述酸碱又分别称为质子酸或质子碱,它们可以是分子,也可以是离子。例如HAc 、HCl 、HNO₃等是分子酸,HSO4-、H₂PO4-、NH4+等是离子酸,因为它们都能给出质子,例如:
同理,NH₃ 、H₂O等是分子碱,HSO₄-、H₂PO₂-、HCO3-等是离子碱,因为它们都能接受
质子。例如:
其中有些物质如HSO₄-、H₂PO₂-、H₂O等既能放出质子,又能接受质子,称为两性物质。
根据
酸碱质子理论,酸和碱不是孤立的,酸给出质子以后余下的部分就是碱;反之碱接受质子后即成为酸,这种对应关系称为酸碱共轭关系。
把仅相差一个质子的对应酸、碱称为共轭酸碱。每一种酸(或碱)都对应有它自己的共轭碱(或共轭酸),如NH₄+ 和NH₃ 、HAc和Ac-。
根据酸碱共轭关系,若酸越强,即越易放出
质子,则其共轭碱就越难结合质子,其共轭碱就越弱;反之酸越弱,则其共轭碱就越强。例如,HCl是强酸,则共轭碱Cl-就是很弱的碱;HAc的酸性比
氢氰酸强,则Ac-的碱性比CN-弱。
综上所述:
平衡常数计算
强酸强碱
例如,
盐酸与
氢氧化钠在
水溶液中,
溶质盐酸完全电离成H3O+和Cl-,氢氧化钠完全电离成OH-和Na+。其中Na+和Cl-并不参与中和反应,所以该中和反应实质是H3O+和OH-之间的反应。
这是水的自耦
电离平衡的逆反应,所以反应平衡
常数K是Kw(水的离子积常数)的
倒数,K值很大,即反应进行的很彻底。当它们恰好完全中和时,溶液中除了Na+和Cl-之外,还有极少量并等量的H3O+和OH-,溶液为中性。若
氢氧化钠过量,则为碱性,
盐酸过量则为酸性;此时混合液的酸度主要由
强酸(
强碱)的浓度来决定。
强酸弱碱
例如,强酸盐酸和弱碱NH3·H2O(NH4OH)在
水溶液中起反应时,强酸HCl完全
电离成H3O+和Cl-,但Cl-不参与中和反应,而弱碱不完全电离成NH4+和OH-,但随着OH-和H3O+的中和,平衡不断移动,中和反应也是很完全的,可表示为:
恰好中和时,溶液中存在一定的共轭酸NH4+,所以溶液不是中性而是酸性,此时溶液H3O+浓度由共轭酸NH4+浓度计算,若尚有剩余碱,则OH-浓度由
弱碱共轭酸碱浓度决定。
强碱弱酸
恰好中和时,溶液中因存在Ac-而显碱性,OH-浓度由剩余Ac-离子浓度计算,当
弱碱过量时,H3O+离子浓度由
弱酸共轭碱浓度决定,。
弱酸弱碱
整个溶液体系中存在弱酸、
弱碱、水三个
离解平衡,根据多重平衡规则有
由上式可知
弱酸弱碱反应的酸碱性取决于两个
常数,即的相对大小:
当时,,溶液为酸性,
当时,,溶液为碱性,
当时,,溶液呈中性。
酸碱中和的计算
例如:2N
硫酸溶液20ml和10ml
氢氧化钠恰好中和,求氢氧化钠溶液的当量浓度。
解:设硫酸的克当量数为N1V1,氢氧化钠的克当量数为N2V2,可以列出下式:
所以氢氧化钠溶液的当量浓度是4N。
酸碱中和滴定
酸碱指示剂原理
在酸碱
滴定(酸、碱溶液的标定和用酸、碱
标准溶液测定未知物质)中,都采用一种能在酸碱溶液中改变颜色的物质(称为
指示剂)来判断反应的完成点——酸碱恰好完全反应。通常把这种“点”称为达到中和,意思是酸碱完全反应,溶液变成中性。从
化学计算的角度来说酸碱以当量的关系(即1个当量对1个当量)反应就恰好达到完全反应,既没有过剩的酸,也没有过剩的碱。
分析化学对这样的状态称为等当点,或简称当量点。对指示剂的要求,就是要尽可能准确地指出当量点,根据指示剂发生颜色变化而终止
滴定的一点,称为滴定终点,或简称终点。通常要求终点尽可能同当量点吻合。显然,为了达到这一点,
指示剂应尽可能在当量点变色。常用指示剂及变色范围如下:
综上所述,在当量点时溶液变成中性。实际这种说法并不完全正确,因为酸碱反应形成的产物中除水外还有盐类,而有些盐——由
强酸弱碱形成的盐和由
强碱弱酸形成的盐,能同水发生反应,产生酸性或碱性(这种反应称为
水解作用)。因此,指示剂的选择应与有关的水解作用相适应。
强酸强碱中和滴定
在强酸强碱互相滴定时,因为形成的盐不发生水解,所以在当量点时溶液呈中性,即pH=7。因此变色范围为pH7的
指示剂,例如
中性红,最为适用。但其他相近的指示剂,例如
甲基橙、
甲基红、酚酞等也常被应用。
强碱弱酸中和滴定
在用
强碱滴定弱酸时,形成的盐水解后产生
氢氧根,使溶液的pH值超过7,因而呈碱性。例如用
氢氧化钠溶液滴定
食用醋酸时产生的
乙酸钠,
水解后产生氢氧化钠和醋酸。由于氢氧化钠是
强碱,所以完全
离解为Na+和 OH-,而醋酸是
弱酸,所以很少解离。因此溶液中因有过剩的OH- 而呈碱性。根据醋酸钠的水解
常数,可以计算
醋酸钠溶液的pH值。常用的氢氧化钠同
有机酸如
苯二甲酸氢钾、
苯甲酸(两者都是标定碱溶液常用的基准物)等形成的盐,水解后的pH值约为9。因此应选用变色的pH范围接近9的
指示剂,例如
phenolphthalein。
强酸弱碱的中和滴定
在用强酸如
盐酸、
硫酸滴定弱碱如氢氧化铵时,形成的盐水解后使当量点时的溶液呈酸性, pH值约为5。在此情况下,应选用
甲基红做指示剂。
弱酸弱碱的中和滴定
一般弱酸和弱碱的中和滴定,在等当点前后pH值的变化也很小,没有对终点如此敏感的指示剂,因此用指示剂来判断当点是比较困难的。
中和热
中和热是指在稀溶液中酸碱中和生成1mol水的反应热。
一元强酸与
强碱的中和热约为57kJ,与酸碱种类无关,因为这实际上是1molH+与1molOH-反应生成1mol水的反应热。弱酸、
弱碱以及多元酸碱的中和热,因有
电离热的影响,不是定值。
多元酸的中和反应通常热效应是递减的。例如,与中和,加入1
摩尔碱的中和热为-64.86kJ,加入第二个1摩尔的碱的中和热为-56.85kJ,加入第三个1摩尔的碱的中和热则为-2.0gkJ。
实际应用
改良土壤
根据土壤情况,可以利用中和反应,在土壤中加入酸性或碱性物质,以调节土壤的酸碱性,利于植物生长。例如,由于
空气污染造成
酸雨,导致一些地方的土壤变成酸性,不利于作物生长,可在土壤中加入适量的
氢氧化钙,以中和酸性;若土壤呈碱性,则可向土壤中加入适量
碳酸水进行中和。
工业
工业生产过程中的污水,需进行一系列的处理。例如,
硫酸厂的污水中含有硫酸等杂质,可以用熟石灰进行中和处理。若工厂的废水呈碱性(含
氢氧化钠等),则可用废硫酸中和。
医药领域
人的胃液里含有适量的
盐酸,可以帮助消化,但是如果饮食过量时,胃会分泌出大量的
胃酸,反而造成
消化不良。在这种情况下,可遵医嘱服用某些含碱性物质的药物(如含有
氢氧化铝或
氢氧化镁的药物),以中和过多的胃酸。
如果被蚊虫叮咬,其会在人的皮肤内分泌出蚊酸,从而使皮肤肿痛,如果涂一些含有碱性物质(如稀氨水)的药水,就可减轻痛痒。
科学实验
科学实验室里,当有过量的酸或碱,常用适量的酸或碱来中和。并且凡是能与酸或碱直接(或间接)发生中和反应的物质都可用已知浓度的
标准溶液来确定未知溶液的浓度。在做
矿石分析时,也可利用中和反应,例如,在磷的定量时,使磷生成
仲钼酸铵沉淀,然后将其溶解于已知量的
氢氧化钠中,再用酸
滴定剩余的氢氧化钠,求出氢氧化钠消耗量而计算出磷的含量。
日常生活
松花蛋中含有碱性物质,人们在食用它时常加一些醋,以中和其碱性;有的
食用小苏打标有“
泡打粉”字样,制作,面包、点心就是利用小苏打(碱性)发生中和反应;恶臭属于酸性,
碳酸氢钠属于弱碱性,可利用两者发生中和反应,消除恶臭。