酸碱理论

更新时间:2024-04-09 17:34

酸碱理论是阐明何为酸碱,以及什么是酸碱反应的理论。最早提出酸碱概念的是Robert Boyle,在其理论基础上,酸碱的概念不断更新,逐渐完善,其中最重要的有:酸碱电离理论,酸碱质子理论与酸碱电子理论。历史上的酸碱理论名目众多,但都是针对有共同特征一类物质与反应提出的观点。它们各有其特点,又相互联系,相互补充,提高了人们对酸碱本质的认识。酸与碱的概念体现在大自然的方方面面,它对人们的生产生活有着重要的意义。

古典的酸碱理论

人类对于酸碱的认识经历了漫长的时间。最初人们将有酸味的物质叫做酸,有涩味的物质叫做碱。17世纪英国化学家波义耳将植物汁液提取出作为指示剂,对酸碱有了初步的认识。在大量实验的总结下,波义耳提出了最初的酸碱理论:凡物质的水溶液能溶解某些金属,与碱接触会失去原有特性,而且能使石蕊试液变红的物质叫酸;凡物质的水溶液有苦涩味,能腐蚀皮肤,与酸接触会失去原有特性,而且能使石蕊试液变蓝的物质叫碱。这种定义比以往的要科学许多,但仍有漏洞,比如一些酸和碱反应后的产物仍带有酸或碱的性质。此后,拉瓦锡、戴维,李比希等科学家对此观点进一步进行补充,逐渐触及酸碱的本质,但仍然没有能给出一个完善的理论。

酸碱电离理论

定义

瑞典科学家阿伦尼乌斯(Arrhenius)总结大量事实,于1887年提出了关于酸碱的本质观点——酸碱电离理论(Arrhenius酸碱理论)。在酸碱电离理论中,酸碱的定义是:凡在水溶液中电离出的阳离子全部都是H+的物质叫酸;电离出的阴离子全部都是OH-的物质叫碱,酸碱反应的本质是H+与OH-结合生成水的反应。(这里的氢离子在水中的呈现形态是水合氢离子(H3O+),但为书写方便,在不引起混淆的情况下可简写为H+)

衡量标度

在酸碱电离理论中,水溶液的酸碱性是通过溶液中氢离子浓度和氢氧根离子浓度衡量的:氢离子浓度越大,酸性越强;氢氧根离子浓度越大,碱性越强。同时,298K下,稀溶液中始终存在,所以氢离子或氢氧根离子中一者浓度增加时,另一者浓度必然下降,酸和碱是对立的。

为方便书写,定义,则pH越小,溶液的酸性越强;pH越大,溶液的碱性越强。

弱酸与强酸

酸碱电离理论指出,各种酸碱的电离度不一定相同,有的达到90%以上,有的只有1%,于是就有强酸弱酸强碱弱碱之分,强酸和强碱在水溶液中完全电离,弱酸和弱碱则部分电离。一元强酸(碱)溶液中氢离子(氢氧根离子)浓度等于强酸自身的浓度,弱酸(碱)溶液中氢离子(氢氧根离子)浓度小于弱酸的浓度。

酸中存在电离平衡,设酸的通式为HA,则平衡常数,,强酸的Ka>1,pKa<0,反之为弱酸。

进步性

局限性

要解决这些问题,必须使酸碱概念脱离溶剂(包括水和其他非水溶剂)而独立存在。同时,酸碱概念不能脱离化学反应而孤立存在,酸和碱是相互依存的,而且都具有相对性。

酸碱溶剂理论

定义

富兰克林(Franklin)于1905年提出酸碱溶剂理论,其内容是:凡是在溶剂中产生该溶剂的特征阳离子的溶质叫酸,产生该溶剂的特征阴离子的溶质叫碱。

例如:液氨中存在如下平衡:

因此在液氨中电离出NH4+的是酸,例如NH4Cl,电离出NH2-的是碱,例如NaNH2。

液态N2O4中存在如下平衡:

因此在液态N2O4中电离出NO+的是酸,例如NOCl,电离出NO3-的是碱,例如AgNO3。

酸碱溶剂理论中,酸和碱并不是绝对的,在一种溶剂中的酸,在另一种溶剂中可能是一种碱。

与电离理论的联系

酸碱溶剂理论可以看做是酸碱电离理论在非水溶剂中的拓展——酸碱电离理论中由水自偶电离产生的H+与OH-,在酸碱溶剂理论中则变为溶剂自偶电离出的阴阳离子,酸碱溶剂理论进一步发展了酸碱电离理论,并且对后来的理论有一定影响。

溶剂的分类

按照溶剂的自偶电离情况,可将溶剂分为两类:

按照溶剂的酸碱性,可以将溶剂分为:

拉平溶剂与区分溶剂

在酸碱电离理论中,强酸的酸性强度是无法区分的,因为它们在水中的电离都相当彻底,无法分辨哪种酸更强。但是大量实验事实表明,强酸的强度依然是有区别的,例如,在乙酸作为溶剂时,可测得高氯酸,硫酸与硝酸的酸性大小是HClO4>H2SO4>HNO3,这种某种溶剂能够区分酸或碱强度的效应称为区分效应,对应的溶剂称为被区分酸的区分溶剂。相应的,像在水这种碱性相对较强的溶剂中,强酸的酸性是由水合氢离子体现的,水的碱性消除了强酸的酸性差别,这种将不同强度的酸拉平到溶剂化质子水平的效应,称为拉平效应,对应的溶剂称为被拉平酸的拉平溶剂。

进步性

溶剂为液态NH3

溶剂为液态SO2

溶剂为液态BrF3

局限性

酸碱质子理论

定义

布朗斯特(J.N.Bronsted)和劳里(Lowry)于1923年提出了酸碱质子理论(Bronsted酸碱理论),对应的酸碱定义是:凡是能够给出质子(H+)的物质都是酸;凡是能够接受质子的物质都是碱。由此看出,酸碱的范围不再局限于电中性的分子或离子化合物,带电的离子也可称为“酸”或“碱”。若某物质既能给出质子,也能接受质子,那么它既是酸,又是碱,通常被称为”酸碱两性物质“。为了区别出酸碱质子理论,有时会将该理论中的”酸“称作”质子酸“,该理论中的”碱“称为”质子碱“。

酸碱共轭

酸(HA)和碱(A-)之间存在以下关系:

上式中的酸碱称为共轭酸碱对,碱是酸的共轭碱,酸是碱的共轭酸,这个式子表明,酸和碱是相互依赖的。

同时,易证得:在水溶液中,,因此,共轭酸的酸性越强,共轭碱的碱性越弱,反之,共轭酸的酸性越弱,共轭碱的碱性越强。

酸碱反应

在以下反应中:

HCl和H3O+都能够释放出质子,它们都是酸;H2O和Cl-都能够接受质子,它们都是碱:

上述反应称为质子传递反应,可用一个通式表示:

酸1+碱2→酸2+碱1

酸1和碱1、酸2和碱2是两对共轭酸碱对。上式说明,当一种分子或离子失去质子起着酸的作用的同时,一定有另一种分子或离子接受质子起着碱的作用,单独的一对共轭酸碱无法发生酸碱反应。形如“酸=碱+H+”的反应不可发生,称为酸碱半反应。

为了简化书写,在不引起混淆时,可以把质子传递反应中的H3O+简写为H+,得到一个类似于酸碱半反应的反应式,例如:

这个反应式实际上是对氯化氢与水的反应的简写,并不是酸碱半反应,虽然它和酸碱半反应看起来是一模一样的。具体需要区分简写式与半反应式时,联系上下文不难分析出。

由通式也可以看出,一种物质是酸还是碱,是由它在酸碱反应中的作用而定。HCO3-与NaOH反应时放出质子,此时它是一种酸,HCO3-与HCl反应时,它又接受质子,则是一种碱。又例如,硝酸在水中是一种酸,而溶解在纯硫酸中时却是一种碱。由此可见,酸和碱的概念具有相对性。

进步性

局限性

酸碱质子理论仍有解释不了的反应,例如有下列反应:

在这个反应中SO3显然具有酸的性质,但它并未释放质子;CaO显然具有碱的性质,但它并未接受质子。

又如实验证明了许多不含氢的化合物(它们不能释放质子)如AlCl3、BCl3、SnCl4都可以与碱发生反应,但酸碱质子理论不认为它们是酸。

再如,液态N2O4存在如下平衡:

有如下反应:

这个反应非常类似于酸碱反应,但因为无质子转移,酸碱质子理论无法处理。因此,酸碱理论需要进一步的改进。

酸碱电子理论

定义

1923年美国化学家吉尔伯特·牛顿·路易斯(Gilbert Newton Lewis)指出,没有任何理由认为酸必须限定在含氢的化合物上,他的这种认识来源于氧化反应不一定非有氧参加。路易斯是共价键理论的创建者,他用结构的观点,提出了酸碱电子理论(Lewis酸碱理论):酸是电子的接受体,碱是电子的给予体。酸碱反应是酸从碱接受一对电子,形成配位键,得到一个酸碱加合物的过程,该理论体系下的酸碱反应被称为酸碱加合反应。其通式为:

通常,酸碱电子理论中的”酸“被称为Lewis酸,”碱“被称为Lewis碱,以示区别。

酸碱反应类型

酸碱电子理论中,有四种基本反应类型:

与质子理论的比较

Lewis碱包括全部Brownst碱,Lewis酸则不一定包括Brownst酸。例如,在质子酸碱理论中,HCl是一种质子酸,然而在Lewis酸碱理论中,HCl是Lewis酸——H+与Lewis碱——Cl-结合而成的酸碱加合物。

地位

路易斯酸碱反应是化学中三大基本反应类型之一(另两者为氧化还原反应与自由基反应)。

有机反应机理

路易斯酸碱理论认为许多有机反应也是酸碱反应,例如CH3+、C2H5+、CH3CO+都是酸,分别与碱H-、OH-、C2H5O-结合成加合物CH4、C2H5OH、CH3COOC2H5。在有机反应中,Lewis酸是亲电试剂,Lewis碱是亲核试剂

进步性

局限性

无法准确描述酸碱的强弱程度,难以判断酸碱反应的方向与限度。

软硬酸碱理论

定义

在前人工作的基础上,拉尔夫·皮尔逊(Ralph G. Pearson)于1963年提出软硬酸碱理论(HSAB):体积小,正电荷数高,可极化性低的中心原子称作硬酸,体积大,正电荷数低,可极化性高的中心原子称作软酸。将电负性高,极化性低难被氧化的配位原子称为硬碱,反之为软碱;除此之外的酸碱为交界酸碱。

酸碱软硬度

1983年,皮尔逊与罗伯特·帕尔共同提出了计算酸碱软硬度的方法,计算得到的软硬度称作化学硬度。

反应规律

皮尔孙提出的酸碱反应规律为:“硬酸优先与硬碱结合,软酸优先与软碱结合。”这虽然是一条经验规律,但实验证明以下规律与HSAB理论完全吻合:

进步性

局限性

注意事项

酸碱的软硬程度与酸碱强度是不同的概念,处理酸碱反应时需要综合考虑反应物的酸碱性与软硬程度。在酸碱的软硬度与酸碱性相当时,酸碱的软硬度对反应的方向起主导作用。

联系

历史上酸碱理论各有特点,但它们并非是完全不相干的,下面的维恩图展现了当前最常使用的四种酸碱理论之间的关系(HSAB看做电子理论的补充,不在图内标出):

从图中可以看出,酸碱电子理论的范围是最广的。事实上,几乎现存其他所有理论概念均被包含其中,所有酸碱反应均可用酸碱电子理论(结合HSAB)处理,但需要定量计算时,电子理论则无能为力。

酸碱质子理论在处理有质子传递的酸碱反应时优势较大,因为相较于电离理论,质子理论的适用范围更宽;相较于电子理论,质子理论的定量计算更完备。

酸碱溶剂理论可以用于处理非质子溶剂中的酸碱反应,同样可以做一些定量计算,但由于其限制条件较大,实用性相对较小,一般很少使用。

酸碱电离理论则以其易于理解性占有优势。在稀的水溶液中,用电离理论得出的计算结果与用质子理论完全相同,而且在处理部分计算问题上,它比质子理论简洁些许,因此在定量计算上的应用仍然较广。

所以在处理酸碱问题时,要合理选择酸碱理论,才能得出正确结论,并达到优化处理过程,节约时间的目的。

另外,在综合上述理论之后不难发现,在上述酸碱理论中,大部分酸碱反应都不是氧化还原反应,因为在这些理论中酸碱反应总是伴随着离子键的断裂或共价键的异裂,基本不存在电子的得失或电子对的转移。

不常见的理论

Usanovich的定义

这一酸碱定义来自于俄罗斯化学家Mikhail Usanovich。根据该定义,只要是可以接受负电荷或放出正电荷,就是酸,反之则是碱。因为这个定义与氧化还原的定义有些重合,所以化学家并不是很倾向于使用这个定义。这是因为氧化还原主要集中讨论物理上的电子转移过程,而并非是键的形成与断裂过程,尽管要将两者完全区分是不可能的。

Lux-Flood的定义

这个定义由德国化学家Hermann Lux在1939年时所提出,其后H.kon Flood约在1947年作进一步的修正,主要用于现代熔盐的地球化学和电化学研究中。根据此理论定义:能接受氧离子O2-的物质是酸,能提供氧离子的物质是碱。

碱=酸+O2-

重要性及优点:适用高温氧化物反应,在冶金、玻璃陶瓷硅酸盐工业地球化学中有很重要的作用。

缺点:适用面较小。

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