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第二节 酸碱质子理论
酸和碱是两类重要的电解质。在化学发展史上,人们提出过各种不同的酸碱理论,其中比较重要的有电离理论、质子理论和电子理论。1887年,阿伦尼乌斯(Arrhenius S A)根据电解质在水中的解离情况提出了酸碱电离理论。酸碱电离理论认为:在水溶液中解离时所生成的阳离子全部是H +的化合物是酸;所生成的阴离子全部是OH -的化合物是碱,酸碱反应的实质是酸和碱反应生成水。电离理论成功地揭示了含有H +和OH -的物质在水溶液中的酸碱性,但它把酸碱反应局限于水溶液中,把酸碱限制在能解离出H +或OH -的物质,它不能解释非水溶剂中的酸碱反应,也不能解释氨气等物质的碱性。
1923年丹麦的布朗斯特(Brønsted J N)与英国的劳莱(Lowry T M)提出了酸碱的质子理论。
一、酸碱的定义
酸碱质子理论(proton theory of acid and base)认为:凡是能给出质子(H +)的物质都是酸(acid),凡是能接受质子的物质都是碱(base)。即酸是质子的给予体,碱是质子的接受体。例如 HCl、HAc、 等都能够给出质子,都是酸,常称为质子酸;Cl -、Ac -、NH 3等都可以结合质子,都是碱,常称为质子碱。
根据酸碱质子理论,酸和碱不是孤立的,酸给出一个质子后余下的部分就是碱,碱接受一个质子后就变成酸,酸与碱是共轭关系。用简式表示如下:
像这样表示酸碱之间转化关系的式子称为酸碱半反应(half reaction of acid-base),通过一个质子联系起来的酸和碱称为共轭酸碱对(conjugated pair of acid-base)。在上述酸碱半反应中,左边的HA是酸,右边的A -是碱。酸释放一个质子形成其共轭碱(conjugate base),碱结合一个质子形成其共轭酸(conjugate acid)。
还有一类物质,如 、H 2O等,在某个共轭酸碱对中是酸,但在另一个共轭酸碱对中却是碱,这类物质称为两性物质(amphoteric substance)。H 2O对于OH -来说是酸,但对于H 3O +来说却是碱; 对 来说是酸,但对H 2CO 3来说却是碱。 、氨基酸等都是两性物质。
相对于酸碱电离理论,质子理论大大扩大了酸碱的范围。在电离理论中,酸和碱只能是中性分子,而按照质子理论,酸和碱既可以是中性分子,如H 2CO 3、NH 3,还可以是阴离子或阳离子,如 。
酸碱质子理论中没有盐的概念,如Na 2CO 3,在电离理论中称为盐,但在酸碱质子理论中, 为质子碱,Na +是非酸非碱物质,因而Na 2CO 3属于碱,它的水溶液显碱性。
问题与思考
按照酸碱质子理论,下列各组物质哪些互为共轭酸碱对?
①H 2CO 3与 CO ;②H 3O +与 OH -;③PO 与HPO ;④H 2S与S 2-
二、酸碱反应与酸碱强度
(一)酸碱反应的实质
酸碱半反应仅是酸碱共轭关系的表达形式,并非实际反应式,共轭酸碱对自身不能进行反应。例如HAc分子不能自发地解离为Ac -和H +,因为质子(H +)非常小,电荷密度非常大,在溶液中不能单独存在,但在醋酸水溶液中确实存在Ac -。那么,Ac -是怎样得到的呢?
HAc将质子传递给H 2O,HAc转化成Ac -,H 2O转变成H 3O +。如果没有HAc与H 2O之间的质子传递,HAc就不能发生解离反应。欲使酸表现出酸性,成为质子的给予体,必须有一种物质来接受质子。当酸将质子传递给碱以后,酸变成其共轭碱,而碱接受质子变成其共轭酸。可见,酸碱反应的实质是质子在两对共轭酸碱对之间的传递,即酸 1把质子传递给碱 2,自身转变为其共轭碱 1;碱 2接受质子后转变为其共轭酸 2:
电离理论中水的解离、酸碱的解离、酸碱中和反应、盐类的水解等都可以归结为质子传递的酸碱反应。例如:
酸碱质子理论摆脱了酸碱必须在水中发生反应的局限性,给酸碱反应在非水溶剂中或气相中进行提供了理论依据,从而扩大了酸碱反应的范围。
(二)酸碱强度与酸碱反应的方向
在水溶液中,酸的强度取决于它将质子给予水分子的能力。酸给出质子的能力愈强,其本身酸性愈强,而其共轭碱则愈弱,反之亦然。例如,HCl是强酸,其共轭碱Cl -是弱碱;H 2O是弱酸,则其共轭碱OH -是强碱。
酸碱的强弱是相对的,如HAc相对于H 2O是弱酸,而相对于NH 3来说则是强酸,这是由于NH 3比H 2O更容易接受来自HAc的质子。
酸碱反应的方向及程度取决于酸碱的相对强弱。酸碱反应总是较强的酸和较强的碱作用,生成较弱的酸和较弱的碱。相互作用的酸和碱愈强,反应就进行得愈完全。