酸碱反应

✍ dations ◷ 2025-04-25 09:56:36 #酸碱反应
酸碱理论指阐述酸、碱及酸碱反应本质的各种理论。在历史上曾有多种酸碱理论,其中重要的包括:拉瓦锡是最早提出酸碱概念的人。他在1776年左右提出一套酸碱理论。在那时,强酸主要是HNO3和H2SO4一类的含氧酸,基本上都含有氧元素和高氧化态的中心原子。因此拉瓦锡认为氧是酸中不可或缺的组分,将氧定义为酸生成者(οξυς γεινομαι),并且认为当时还未研究清楚成分的氢卤酸中也含有氧元素。这个定义一直推行了30年,直到1810年戴维证明了H2S、H2Te和卤化氢虽也属于酸,但不含氧原子。尤斯图斯·冯·李比希在研究了很多有机酸的组成后,于1838年左右提出一套酸碱理论,认为酸是含氢元素的物质,并且其中的氢可以被 金属原子替换。 这个理论在推行了50年后,被更加全面的阿伦尼乌斯酸碱电离理论所替代。该理论以阿伦尼乌斯与威廉·奥斯特瓦尔德在1884年左右的研究为基础,相比其他酸碱理论更加简明易懂。阿伦尼乌斯本人也因此获得1903年的诺贝尔化学奖。至于该理论中的酸碱定义,可用以下一句话来描述:酸碱反应的本质是氢离子与氢氧根离子反应生成水。因此在该理论下,酸碱反应生成盐和水的过程也被称作中和反应。碱的阳离子可与酸中的阴离子成盐。比如,两摩尔的氢氧化钠(NaOH)与一摩尔的硫酸(H2SO4)反应,产物是两摩尔水和一摩尔硫酸钠:丹麦化学家约翰内斯·尼古劳斯·布仑斯惕和英国化学家托马斯·马丁·劳里于1923年分别提出酸碱质子理论,也称为布朗斯特-劳瑞酸碱理论。该理论认为,凡是能给出质子(H+)的物质都是酸,凡能接受质子的物质都是碱,而既能给出质子,也能接受质子的物质称为两性物质。 酸和碱不是孤立的,它们通过质子互相联系,用通式可以表示为:这样的一对酸碱称为共轭酸碱对,其中的酸和碱分别称为相应物质的共轭酸及共轭碱。与阿伦尼乌斯酸碱理论不同的是,布仑斯惕酸碱不仅限于电中性的分子,也包括带电的阴阳离子。而该理论之下的酸碱反应则是两对共轭酸碱对之间传递质子的反应,不一定生成盐和水:路易斯酸碱理论由吉尔伯特·牛顿·路易斯在1923年提出, 结合了布朗斯特-劳里和酸碱溶剂理论的特点,在水溶液和非水溶剂中都有很广的应用。 该理论着重探讨电子的给予与获得,路易斯酸被定义为电子接受体,而路易斯碱则是电子给予体。路易斯酸与路易斯碱反应时,路易斯碱含有孤对电子的最高占有轨道(HOMO)向路易斯酸缺电子的最低未占轨道(LUMO)贡献电子生成配位键,产物称作酸碱加合物。 在强极性分子如三氟化硼中,电负性强的元素吸引电子,带有部分负电荷,电负性弱的元素则带有部分正电荷,孤对-成键电子(Lp-Bp)之间作用力超过成键-成键电子(Bp-Bp)之间的作用力。 金属离子的加合物被称为配位化合物。该理论与阿伦尼乌斯对所有自偶解离溶剂的定义有关。在这些溶剂中,存在中性溶剂分子与解离出的阳离子和阴离子之间的平衡:非质子溶剂:酸导致溶剂阳离子浓度上升,阴离子浓度下降;而碱则导致阳离子浓度下降,阴离子浓度上升。例如在液氨中,KNH2提供NH2−离子,是强碱,而NH4NO3提供NH4+离子,是强酸。在液态二氧化硫(SO2)中,亚硫酰基化合物是酸,提供SO2+离子;而亚硫酸盐提供SO32−离子,可看作碱。该理论下,液氨中的酸碱反应包括:硝酸在纯硫酸中是碱:液态四氧化二氮中:酸碱溶剂理论中,同一化合物在不同溶剂中可以改变其酸碱性质,比如HClO4在水中是强酸,在乙酸中是弱酸,而在氟磺酸中则是弱碱。关于酸碱最基本的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。这个定义由德国化学家Hermann Lux 在1939年时所提出,其后Håkon Flood约在1947年作进一步的修正, 现在主要用于现代熔盐的地球化学和电化学研究中。在该定义中,酸被定义为一个氧离子受体,而碱则是一个氧离子供体。例如:1963年, 拉斐尔·皮尔逊提出了一个高级的定性概念——软硬酸碱理论。1984年,在Robert Parr的协助下,该理论发展成为一个定量的理论。“硬”对应的是小的、高氧化态的粒子,这些粒子都很难被极化。相反,“软”是指大的,低氧化态的粒子,很容易被极化。软-软和硬-硬之间的酸碱反应最为稳定。这个理论在有机化学和无机化学均有应用。

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