Tuesday 17 December 2013

Chemistry Chapter 7 Form 4(Part I)

很大部分都是参考了老师的笔记,仅此向老师表示感谢。>< 因为觉得可能帮到朋友们所以才post上来。
短期内应该没法做更多这些notes,但有机会的话,希望能继续。

Form 4 Chemistry: Chapter 7 (Acid & Bases)
[ Part 1 | Part II | Part III ]

见到Acid 就请想起 H+
An acid is a chemical substance which ionises in water to produce hydrogen ions, H+.

也可以说,Acid = a substance that produces hydrogen ions, H+ as the only positive ions in aqueous solution.
这是我们熟悉的 HCl。在没有水的地方,它的名字不叫 Hydrochloric Acid,而是 Hydrogen Chloride(是一种 Gas)。现在,如果我们拿 Blue litmus paper 去 Test 这个气体,Litmus paper 还是蓝色的…… =(

当 HCl 遇到水,H 和 Cl 会分开——我们把这个过程叫做 Dissociation/Ionisation。分开的时候,H 的 Electron 留在 Cl 那边,所以 Cl 成为了 Negative ion,而 H 只剩下一个 Positively charged proton。但他会跑去和H2O打交道。
所以,Acid 遇到水时,真正发生的事情是这样的。
                                   Hydroxonium ion + Chloride ion

不过,我们通常都会把它简化成:
                           Hydrogen ion

现在,如果我们把蓝色的 Litmus paper 扔进 Hydrochloric Acid 里面,它一定会变红!所以,为什么 Acid 会有 Acidic properties?因为他有 free moving hydrogen ions。为什么它会有 H+?因为有水。

正解:The presence of water is essential for an acid to show its acidic properties... 
- Acids exists as neutral, covalent molecules in dry form.
- The presence of water enables the acid molecules to ionise to produce free-moving hydrogen ions.
- 写 Equation xD
[The presence of H+ or H3O+ that are free to move in water enables an acid to show its properties.]

除了水,把 Acid 溶解在别的 Organic Solvent 不能让它 show acidic properties,因为 dissolved in organic solvent 的 acid 还是以 covalent molecules 的形式存在着!

我们知道,一个 HCl molecule ionise 后可以 produce 一个 H+。因此它可以被叫做 Monoprotic Acid。不过,有些 Acid 比它更厉害……他们的一个 Molecule 就可以 produce 超过一个 H+!
Monoprotic Acid: produces 1 hydrogen ion when one molecule of the acid ionises in water.
Diprotic Acid: ... 2 hydrogen ions...
Triprotic Acid: ... 3 hydrogen ions...

Diprotic Acid 有 Sulphuric Acid, H2SO4。
                                                   Sulphate ions 
Triprotic Acid 有 Phosphoric Acid, H3PO4。
                                                    Phosphate ions
那么,Ethanoic Acid / Acetic Acid(CH3COOH)呢?它是最特别的,因为它虽然总共有 4 个 H,不过只有最后面那个 H 会在水中 ionise to produce H+。所以,它和 Hydrochloric Acid & Nitric Acid 一样是 Monoprotic Acid。
                                                                   Ethanoate ion

P/S Acid 是 Proton donor,因为它会 donate(只剩下一粒 Proton 的) H+。
P/S II 除了 Ethanoic acid,大多数我们所学的 Acid 都是 formula 里面有几个 H 就会 ionise to produce 几个 H+。当然这只是限于我们所学的,ethanoic acid的家族还有更多(我们不会认识的)成员呢。 

Bases
所谓的 Base 就是可以和 Acid 相亲相爱,produce only salt + water的物质。通常 Base 包括了 Metal oxide、hydroxide。
(不是所有的 Hydroxide 都可以溶解于水~ 其实除了 Alkali metals,大多数的 Hydroxide 都是 insoluble in water 的。特例是 Barium hydroxide 和稍微可以溶解于水的 Calcium hydroxide)

比方说,Magnesium oxide 是一个 Base……

大多数 Bases 都不能溶解在水中,而少数能够溶解于水的被叫做 Alkali。
^ Alkali 是一种 Base,不过 Base 不一定是 Alkali!

Alkali > OH-
Alkali 包括了 Sodium hydroxide、Potassium hydroxide、Ammonia、Barium hydroxide。
如果 Acid 要有 hydrogen ions,那么 Alkali 怎么办?倒反过来,Alkali 遇到水会 ionise to produce hydroxide ions。
 

 Chemical Properties of Acids & Alkali
这个可以说是最重要的东西~^^ 其实我们在 Form 2 有大概的学过了。
Physical Properties
 

P/S  写 Formula 的时候,通常我们要把 Cation 写在前面,Anion 写在后面,比如说 NaCl。不过,Ethanoic Acid 是个特例,我们的 Metal ion 需要写在 CH3COO- 的后面!因为那个 Metal ion 取代了原本 H 的位置。

此外, Ammonia & Acid 的 Reaction 有两种写法~如果写成 NH3 的话,它的 Product 只有 Salt,而没有水。如果写作 NH4OH 的话,Product 就是我们熟悉的 Salt & water。(两个都对的 ^^)
——

现在,如果忽然间有一个 Essay 的题目出现在你面前,题目给了你一个实验,有 2 个 test tubes,一个放 ethanoic acid + water,另一个放 ethanoic acid + dry propanone。他问你:那一个 mixture shows acidic properties?为什么?[ 4分 ]

老师给的答案是:
- Ethanoic acid which is dissolved in water shows acidic properties [1]
- Ethanoic acid molecule ionises in water [1]
- To form hydrogen ions and ethanoate ions [1]

(最后一分去了哪里?记得刚才上面的正解中,有提到 Equation 吗?)
等一下,题目有叫我们写 Equation ?没有!并不一定每次都是这样,但是……当一个题目给相当多分时,有可能其中一分是给 Equation 的。 
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Strength of Acids & Alkali
我们用 Hydrogen ions / Hydroxide ions 的 concentration 来衡量 Acid 或 Alkali 的强度,而某个 Acid/Alkali 的 degree of dissociation 决定了它的 concentration of H+/OH-。

Strong acid: An acid which ionises or dissociate completely in water to produce a high concentration of hydrogen ions.

比方说,我们有 1 mol 的 HCl,遇到水后,接近 100% 的 HCl 都会 Ionise 成为 H+ & Cl-。于是,我们就得到了 1 mol 的 hydrogen ion。[ 大多数我们在 Form 1~3 学过的 Acid,比如 Sulphuric & Phosphoric acid 也是 strong acid]
 
Weak acid: An acid which ionises/dissociate partially in water to produce a low concentration of hydrogen ions.
现在,我们把 1 mol 的 Ethanoic acid 溶解在水中,只有大约 0.4% 的 molecule 被 ionised,其余的 Ethanoic acid 都是exist in the form of covalent molecules。因此,如果 Hydrochloric acid 跟 Ethanoic acid 都被溶解在同样分量的水中,Ethanoic acid produce 的 H+ 就明显地比 HCl 少。
[ 不用背 =x >> Weak acid 还有 H2C2O4(Oxalic acid)、H2CO3(Carbonic acid)。通常 Organic acid 都是 weak acid。(Formula 里面有 C 的…… =P) ]
P/S 写 Weak acid/alkali 的 Equation 时,我们可以用 Equilibrium Symbol(那个来回的箭头)来表示那个 reaction 是 reversible 的。(Ethanoic acid ionise 后,有些 hydrogen ion & ethanoate ion 会重新形成 molecule。)

Alkali 也是一样。
Strong Alkali: An alkali which ionises/dissociate completely in water to produce a high concentration of hydroxide ions.

Weak alkali: An alkali which ionises/dissociate partially in water to produce a low concentration of hydroxide ions.
 

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