酸碱理论A

酸碱理论阐 明 酸 、 碱 本 身 以 及 酸 碱 反 应 的 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 ：阿 伦 尼 乌 斯 酸 碱 理 论 酸 碱 电 离 理 论 ， 布 朗 斯 特 -劳 里 酸 碱 理 论 酸 碱 质子 理 论 ， 路 易 斯 酸 碱 理 论 酸 碱 电 子 理 论 ， 酸 碱 溶 剂 理 论 ， 软 硬 酸 碱 理 论 。最 早 提 出 酸 、 碱 概 念 的 是 英 国 R.玻 意 耳 。 法 国 A.L.拉 瓦 锡 又 提 出 氧 是 所 有 酸 中 普 遍存 在 的 和 必 不 可 少 的 元 素 ， 英 国 H.戴 维 以 盐 酸 中 不 含 氧 的 实 验 事 实 证 明 拉 瓦 锡 的 看 法是 错 误 的 ， 戴 维 认 为 ： “判 断 一 种 物 质 是 不 是 酸 ， 要 看 它 是 否 含 有 氢 。 ”这 个 概 念 带 有片 面 性 ， 因 为 很 多 有 机 化 合 物 和 氨 都 含 有 氢 ， 但 并 不 是 酸 。 德 国 J.von 李 比 希 弥 补 了戴 维 的 不 足 ， 为 酸 和 碱 下 了 更 科 学 的 定 义 ： “所 有 的 酸 都 是 氢 的 化 合 物 ， 但 其 中 的 氢 必须 是 能 够 很 容 易 地 被 金 属 所 置 换 的 。 碱 则 是 能 够 中 和 酸 并 产 生 盐 的 物 质 。 ”但 他 不 能解 释 为 什 么 有 的 酸 强 ， 有 的 酸 弱 。 这 一 问 题 为 瑞 典 S.A.阿 伦 尼 乌 斯 解 决 。一 、 阿 伦 尼 乌 斯 酸 碱 理 论 在 阿 伦 尼 乌 斯 电 离 理 论 的 基 础 上 提 出 的 酸 碱 理 论 是 ： “酸 、 碱 是 一 种 电 解 质 ， 它们 在 水 溶 液 中 会 离 解 ， 能 离 解 出 氢 离 子 的 物 质 是 酸 ； 能 离 解 出 氢 氧 根 离 子 的 物 质 是 碱 。”由 于 水 溶 液 中 的 氢 离 子 和 氢 氧 根 离 子 的 浓 度 是 可 以 测 量 的 ， 所 以 这 一 理 论 第 一 次 从 定量 的 角 度 来 描 写 酸 碱 的 性 质 和 它 们 在 化 学 反 应 中 的 行 为 ， 指 出 各 种 酸 碱 的 电 离 度 可 以 大不 相 同 ， 有 的 达 到 90 以 上 ， 有 的 只 有 1 ， 于 是 就 有 强 酸 和 弱 酸 ； 强 碱 和 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 。 阿 伦 尼 乌 斯 还 指 出 ， 多 元酸 和 多 元 碱 在 水 溶 液 中 分 步 离 解 ， 能 电 离 出 多 个 氢 离 子 的 酸 是 多 元 酸 ； 能 电 离 出 多 个 氢氧 根 离 子 的 碱 是 多 元 碱 ， 它 们 在 电 离 时 都 是 分 几 步 进 行 的 。 这 一 理 论 还 认 为 酸 碱 中 和 反应 乃 是 酸 电 离 出 来 的 氢 离 子 和 碱 电 离 出 来 的 氢 氧 根 离 子 之 间 的 反 应 ： H+ OH- =H2O阿 伦 尼 乌 斯 酸 碱 理 论 也 遇 到 一 些 难 题 ， 如 ： 在 没 有 水 存 在 时 ， 也 能 发 生 酸 碱 反应 ， 例 如 氯 化 氢 气 体 和 氨 气 发 生 反 应 生 成 氯 化 铵 ， 但 这 些 物 质 都 未 电 离 。 将 氯 化铵 溶 于 液 氨 中 ， 溶 液 即 具 有 酸 的 特 性 ， 能 与 金 属 发 生 反 应 产 生 氢 气 ， 能 使 指 示 剂 变 色 ，但 氯 化 铵 在 液 氨 这 种 非 水 溶 剂 中 并 未 电 离 出 氢 离 子 。 碳 酸 钠 在 水 溶 液 中 并 不 电 离 出氢 氧 根 离 子 ， 但 它 却 是 一 种 碱 。 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 。 其 次 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 。 解 决 这 些 难 题 的 是 丹 麦 J.N.布 仑 斯 惕 和 英 国 T.M.劳里 ， 他 们 于 1923 年 提 出 酸 碱 质 子 理 论 。二 、 酸 碱 质 子 理 论 布 仑 斯 惕 和 劳 里 提 出 的 酸 碱 定 义 是 ： “凡是可以释放质子（氢离子，H+）的分子或离子为酸（布朗斯特酸） ，凡是能接受氢离子的分子或离子则为碱（布朗斯特碱） ”。酸 碱 质 子 理 论 中 的 酸 碱 反 应 是 酸 碱 之 间 的 质 子 传 递 。在 以 下 反 应 中 ： HCl H2O=H3O+ Cl- 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 普 遍 反 应 式 表 示 ： 酸 1（ 较 强 酸 ） 碱 2（ 较 强 碱 ） =碱 1（ 较 弱 碱 ） 酸 2（ 较 酸 弱 ） 。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 。 酸 1 和 碱 1 或 酸 2 和 碱 2 称 为 共 轭 酸 碱 对 。 右 边 的 碱 是 左 边 酸的 共 轭 碱 ， 左 边 的 酸 是 右 边 碱 的 共 轭 酸 ， 两 者 组 成 一 个 共 轭 酸 碱 对 ， 它 们 只 差 一 个 质子 (H+)， 即 酸 碱 + 质 子 (H+)。较 强 碱 夺 取 了 较 强 酸 放 出 的 质 子 ， 转 化 为 较 弱 的 共 轭 酸 和 共 轭 碱 。 所以 ， 酸 1 的 酸 性 强 于 酸 2， 碱 2 的 碱 性 强 于 碱 1。在 共 轭 酸 碱 对 中 ， 酸 愈 强 ， 其 共 轭 碱 愈 弱 ； 碱 愈 强 ， 其 共 轭 酸 就 愈 弱 。酸 碱 质 子 理 论 的 优 点 是 ： 扩 大 了 酸 的 范 围 。 只 要 能 够 释 放 出 质 子 的 物 质 ， 不 论它 是 在 水 溶 液 中 ； 或 是 非 水 溶 剂 ； 或 是 气 相 反 应 ； 或 是 熔 融 状 态 ， 它 们 都 是 酸 ， 例 如NH4+、 HCO3-、 HSO4-、 HS-、 H2PO4-、 HPO42-、 H2O 是 酸 。 扩 大 了 碱 的 范 围。 NH3 和 CO32-都 能 接 受 质 子 ， 全 是 碱 ： 于 是 ， F-、 Cl-、 Br-、 I-、 HSO4-、 SO42-等 都 可 算 是 碱 。 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- OH- =CO32- H2O， HCO3-与 HCl 反 应 时 ， 它 又 接 受 质 子 ， 则是 一 种 碱 ： 由 此 可 见 ， 酸 和 碱 的 概 念 具 有 相 对 性 。 当 然 ， 酸 碱 质 子 理 论 也 有 解 释 不 了 的 问 题 ， 例 如 ， 无 法 说 明 下 列 反 应 是 酸 碱 反 应： CaO SO3=CaSO4 在 这 个 反 应 中 SO3 显 然 是 酸 ， 但 它 并 未 释 放 质 子 ； CaO显 然 是 碱 ， 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 无 法 解 释 它 们 是酸 。 酸 碱 质 子 理 论 中 ， 酸 越 易 释 放 质子（氢离子，H+） ，其酸性越强；碱越易接受氢离子，其碱性越强。三 、 路 易 斯 酸 碱 理 论 酸 碱 电 子 理 论酸 碱 电 子 理 论 （ the electronic theory of acid and alkali） ， 也 称 广 义 酸 碱理 论 、 路 易 斯 （ lewis） 酸 碱 理 论 ， 是 1923 年 美 国 物 理 化 学 家 吉 尔 伯 特 ·牛 顿 ·路 易 斯（ Lewis G N） 提 出 的 一 种 酸 碱 理 论 ， 它 认 为 ： 凡 是 可 以 接 受 外 来 电 子 对 的 分 子 、 基团 或 离 子 为 酸 ； 凡 可 以 提 供 电 子 对 的 分 子 、 基 团 或 离 子 为 碱 。 这 种 理 论 包 含 的 酸 碱 范 围很 广 ， 但 是 ， 它 对 确 定 酸 碱 的 相 对 强 弱 来 说 ， 没 有 统 一 的 标 度 ， 对 酸 碱 的 反 应 方 向 难 以判 断 。 后 来 ， 皮 尔 逊 提 出 的 软 硬 酸 碱 理 论 弥 补 了 这 种 理 论 的 缺 陷 。 电 子 酸 碱 的 定 义该 理 论 认 为 ：凡 是 能 够 接 受 外 来 电 子 对 的 分 子 、 离 子 或 原 子 团 称 为 路 易 斯 酸 (Lewis acid)，简 称 受 体 ；凡 是 能 够 给 出 电 子 对 的 分 子 、 离 子 或 原 子 团 称 为 路 易 斯 碱 （ Lewis base） ， 简称 给 体 。或 者 说 ：路 易 斯 酸 (Lewis acid)是 指 能 作 为 电 子 对 接 受 体 (Electron pair acceptor)的分 子 、 离 子 或 原 子 团 ； 路 易 斯 碱 (Lewis base)则 指 能 作 为 电 子 对 给 予 体 (Electron pair donor)的 分 子、 离 子 或 原 子 团 。路 易 斯 酸 碱 理 论 中 的 酸 碱 反 应 是 电 子 对 接 受 体 与 电 子 对 给 予 体 之 间 形 成配 位 共 价 键 的 反 应 .这 一 理 论 很 好 地 解 释 了 一 些 不 能 释 放 出 质 子 的 物 质 也 是 酸 ； 一 些 没 有 接受 质 子 的 物 质 也 是 碱 。 如 CaO 与 SO3 的 反 应 可 解 释 如 下 ： 在 这 一 反 应 中 ， CaO 并 未 接 受 质 子 ， 但 它 具 有 孤 对 电 子 ， 这 对 电 子 可 以用 来 使 SO3 中 的 硫 原 子 达 到 稳 定 的 8 电 子 层 结 构 ， 所 以 CaO 是 碱 。 SO3 在反 应 中 虽 然 没 有 释 放 质 子 ， 但 其 中 的 硫 原 子 能 够 接 受 CaO 中 氧 原 子 的 孤 对电 子 而 达 到 稳 定 的 8 电 子 层 结 构 ， 所 以 SO3 是 一 种 酸 。 路 易 斯 酸 的 分 类1、 配 位 化 合 物 中 的 金 属 阳 离 子 ,例 如 Fe(H2O)63+和 Cu(NH3)42+中 的 Fe3+离 子 和 Cu2+离 子 . 2、 有 些 分 子 和 离 子 的 中 心 原 子 尽 管 满 足 了 8 电 子 结 构 ,仍 可 扩 大 其 配 位 层 以 接 纳更 多 的 电