跳到主要內容
科學素養冒險

LV.37 化學

酸鹼與氧化還原

pH 是對數尺度、氧化還原看電子去哪：漂白水、胃藥和海洋酸化都在考這兩件事

BOSS
酸鹼雙頭龍
時間
約 30 分鐘
題數
9 題
建議先過
LV.32 溶液與溶解度

本關重點

  • 水會自解離：H₂O ⇌ H⁺ ＋ OH⁻；25°C 時 Kw ＝ [H⁺][OH⁻] ＝ 1.0 × 10⁻¹⁴。
  • 阿瑞尼斯酸鹼（Arrhenius）：在水中產生 H⁺ 的是酸，產生 OH⁻ 的是鹼；酸鹼中和生成鹽與水。
  • pH ＝ −log[H⁺]：pH 差 1，[H⁺] 差 10 倍；pH 下降代表 [H⁺] 增加。
  • 強酸（HCl）在水中幾乎完全解離，是強電解質；弱酸（醋酸）只部分解離，是弱電解質。
  • 氧化還原以得失電子定義：失電子被氧化、得電子被還原；氧化劑得電子、還原劑失電子。
  • 常見氧化劑：O₂、O₃、H₂O₂、HClO、Cl₂；常見還原劑：焦煤（C）、SO₂、維生素 C。

核心觀念

一、水的自解離與 pH

純水中有極少量的水分子解離成 H⁺ 與 OH⁻。在 25°C，不論溶液是酸是鹼，[H⁺] × [OH⁻] 都等於 1.0 × 10⁻¹⁴。

溶液[H⁺] 與 [OH⁻]25°C 的 pH
酸性[H⁺] 大於 [OH⁻]小於 7
中性[H⁺] ＝ [OH⁻] ＝ 1.0 × 10⁻⁷ M＝ 7
鹼性[H⁺] 小於 [OH⁻]大於 7

pH 是對數尺度：pH 2 的溶液 [H⁺] 是 pH 4 的 100 倍。學測必修只考整數級的簡單計算，例如 [H⁺] ＝ 1.0 × 10⁻³ M → pH ＝ 3，[OH⁻] ＝ 1.0 × 10⁻¹¹ M。若題目出現非整數（例如海水 pH 由 8.109 降到 8.038），會在題幹給你像「10^0.071 ≈ 1.18」的提示，意思是 [H⁺] 變成 1.18 倍、約增加 18%。

酸性溶液裡仍然有 OH⁻，鹼性溶液裡也仍然有 H⁺；判斷酸鹼要比較兩者的大小，不是看「有沒有」。另外，正常雨水因溶有 CO₂ 而略酸，pH 約 5.6，所以「雨水 pH 小於 7」不等於酸雨。

二、強酸弱酸、強電解質弱電解質

同樣是 0.10 M：

鹽酸 HCl醋酸 CH₃COOH
解離程度幾乎完全解離只有一小部分解離
[H⁺]約 0.10 M約 1.3 × 10⁻³ M
pH約 1.0約 2.9
導電燈泡亮暗但會亮（弱電解質）

表中四列都是必修要會的：同濃度下，強酸的 [H⁺] 較大、pH 較小、導電較好。

延伸補充（非學測範圍）：同濃度、同體積的強酸與弱酸，完全中和所需的鹼一樣多，因為弱酸在被中和的過程中會繼續解離。這牽涉選修化學的酸鹼滴定與平衡觀念，學測若用到會在題幹給提示。

三、酸鹼中和：胃藥的化學

胃藥中的制酸成分（例如氫氧化鎂 Mg(OH)₂）是鹼，和胃酸中的 HCl 中和：

Mg(OH)₂ ＋ 2 HCl → MgCl₂ ＋ 2 H₂O

計算時注意係數比：1 mol Mg(OH)₂ 可中和 2 mol HCl。再用 pH 換回濃度：pH ＝ 1 → [H⁺] ＝ 0.10 M。

四、氧化還原：看電子跑去哪

必修用得失電子定義氧化還原，不考氧化數計算：

  • 失去電子 → 被氧化；這個物質是還原劑（它把電子給了別人）。
  • 得到電子 → 被還原；這個物質是氧化劑（它從別人那裡拿走電子）。

口訣：「氧化劑自己被還原，還原劑自己被氧化」。氧化與還原一定同時發生，有人失電子就有人得電子。

生活中的例子：

  • 漂白水：主成分次氯酸鈉，產生的 ClO⁻、HClO 是氧化劑，能破壞色素與微生物。漂白水與含鹽酸的清潔劑混合時，ClO⁻ 得到電子、Cl⁻ 失去電子，產生有毒的氯氣：ClO⁻ ＋ Cl⁻ ＋ 2 H⁺ → Cl₂ ＋ H₂O。所以中和不等於安全。
  • 維生素 C：容易失去電子，是還原劑。食品中加入維生素 C，它會「搶先被氧化」，保護其他成分，所以常當抗氧化劑。
  • 焦煤煉鐵：焦煤（C）把氧化鐵中的鐵還原出來，焦煤是還原劑。

五、怎麼知道溶液的酸鹼？指示劑與 pH 計

指示劑（indicator）是會隨酸鹼改變顏色的物質。最常見的是石蕊試紙：藍色石蕊試紙遇酸變紅，紅色石蕊試紙遇鹼變藍；中性溶液則兩種都不變色。石蕊試紙只能告訴你「酸、中、鹼」，不能告訴你 pH 是多少。廣用試紙由多種指示劑混合而成，能用顏色估出大約的 pH；要更精確，就用 pH 計直接量測。家裡也能做簡易指示劑：紫色高麗菜汁在酸中偏紅、在鹼中偏綠。

做實驗時要記得：指示劑的顏色只代表溶液目前的酸鹼狀態，不能直接看出酸是強是弱。0.10 M 鹽酸和 0.10 M 醋酸都會讓藍色石蕊試紙變紅，要區分強弱，需要比較同濃度下的 pH 或導電度。這也是學測常見的設計：給你兩種量測結果，要你判斷哪一個推論才有資料支持。

素養怎麼考

  • 資訊評估：網路說法「漂白水加醋清得更乾淨」「中和後就安全」對不對？用反應式與 pH 圖判斷。
  • 圖表判讀：pH 隨時間變化（海洋酸化）、物種比例隨 pH 變化的示意圖；要懂得 pH 是對數尺度。
  • 實驗設計：要證明「是維生素 C 的還原性、不是酸性」在作用，該加哪一個對照組。
  • 計算：pH 與濃度互換、Kw 求 [OH⁻]、中和的係數比。

真題考法對照（用本站的話描述，非原題）

  • 115 學年度學測第 21 題：五種指示劑的變色範圍表加上各溶液的顏色紀錄，比較氫離子濃度大小。本關第 9 題是同型練習：每個顏色都是一個不等式。
  • 115 學年度學測第 19 題：判斷哪些反應的產物會讓藍色石蕊試紙變紅（酸性氧化物與鹼性物質的區分）。
  • 114 學年度學測第 35 題：光照下以奈米粒子把 CO₂ 轉成甲醇，要判斷誰被還原、光照是不是必要條件。
  • 111 學年度學測第 55～57 題：多孔材料吸附六價鉻並照光轉成三價鉻，讀移除率、對照飲用水標準、找操縱變因。

解題技巧

  1. pH 題先換成 [H⁺]：pH ＝ n → [H⁺] ＝ 10⁻ⁿ M；兩溶液比較時，pH 差幾，就差 10 的幾次方倍。
  2. 酸鹼判斷比大小：[H⁺] 與 [OH⁻] 哪個大，不是看「有沒有」。
  3. 氧化還原先圈「得」或「失」：題幹寫「得到電子」就是被還原、是氧化劑；不用自己算氧化數。
  4. 中和計算三步：寫平衡反應式 → 用係數比換算莫耳 → 莫耳 ÷ 濃度 ＝ 體積。
  5. 對照組設計：要分開兩個可能原因，新組別只能和原組差一個變因。

常見陷阱

  • 以為 pH 下降 0.1 只差一點點；其實 [H⁺] 增加約 26%（10^0.1 ≈ 1.26）。
  • 把「海洋酸化」誤解成「海水已經變酸」；海水 pH 約 8.0，仍是弱鹼性。
  • 把弱酸的 [H⁺] 當成弱酸的濃度。
  • 把燈泡變暗說成「非電解質」，其實是弱電解質。
  • 氧化劑、還原劑定義對調；或以為 H⁺ 一定是氧化劑。
  • 以為酸鹼中和一定讓溶液變安全，忽略同時發生的氧化還原。

BOSS 戰

BOSS 戰：酸鹼雙頭龍

酸鹼與氧化還原 擋住了去路！共 9 題。

計時從進入每題開始，看詳解時暫停；同分比時間。

延伸閱讀與資料來源