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酸碱质子理论

Mon Aug 19 2024
6 分钟
学科 化学 酸碱 反应原理 Brønsted–Lowry
1443 字

前言#

到底什么是酸、什么是碱？

通过前几年在化学教科书1中的学习，我们对酸与碱有如下的定义：

  1. 凡是在水溶液中电离出的阳离子皆为 H+H^+ 的物质叫做酸（acid）；
  2. 凡是在水溶液中电离出的阴离子皆为 OH−OH^- 的物质叫做碱（base）。

上面的酸碱定义其实是 Arrhenius 酸碱理论。可以发现，上述定义对酸和碱的分类具有两个明显的限制条件：

  1. 只能在水溶液中进行酸碱反应；
  2. 必须产生特定的离子——酸产生 H+H^+ ，碱产生 OH−OH^- 。

然而，随着化学研究的不断深入，我们发现这些限制使得酸碱理论的应用范围大大受限。在非水溶液、或者不涉及 H+H^+ 或 OH−OH^- 的反应中，上述定义变得不再适用。因此，科学家们需要一个更为广泛的理论来解释这些现象。

于是，在1923年，丹麦化学家约翰内斯·尼古劳斯·布仑斯惕（Johannes Nicolaus Brønsted）和英国化学家托马斯·马丁·劳里（Thomas Martin Lowry）分别独立提出了一种新的酸碱理论，称为Brønsted–Lowry 酸碱理论。该理论打破了传统的水溶液限制，为理解和解释酸碱反应提供了更为广泛的视角。

在我们学习中的问题#

如果我们仅仅局限于 Arrhenius 酸碱理论，就难以解决一些问题：

  1. 为什么 NaHCO3NaHCO_3 的水溶液是碱性的？

    根据 Arrhenius 的定义，碱是指在水中电离出 OH−OH^- 的物质。然而，NaHCO3NaHCO_3的水溶液中并不直接产生 OH−OH^-，但它的水溶液却表现出碱性。事实上，HCO3−HCO_3^- 离子在水中可以接受一个质子（H+H^+），形成H2CO3H_2CO_3，同时生成 OH−OH^-：

  2. 为什么 NH4ClNH_4Cl 的水溶液是酸性的

    在水中，NH4ClNH_4Cl 会电离成 NH4+NH_4^+ 和 Cl−Cl^-。根据 Arrhenius 理论，Cl−Cl^- 和 NH4+NH_4^+ 本身都不生成 OH−OH^- 或 H+H^+。但在 Brønsted–Lowry 理论中，NH4+NH_4^+ 可以作为酸，释放出一个质子，这个过程导致溶液中的 H+H^+ 浓度增加，使得溶液呈酸性2。

在我刚学化学的时候，这对我来说确实是个未解之谜。

这些例子说明，尽管 Arrhenius 酸碱理论在某些情况下有效，但它的局限性使得我们无法解释某些现象。Brønsted–Lowry 理论则为这些问题提供了更广泛的解释。

Brønsted–Lowry 酸碱理论#

定义#

根据 Brønsted–Lowry 酸碱理论，酸被定义为一种能够给予质子（H+H^+）的物质，而碱则是能够接受质子的物质。这种定义不再局限于水溶液中的特定离子，因此更具普遍性。

在这个理论框架下，酸碱反应被认为是质子的转移过程：

  • 酸：质子（H+H^+）的供体；
  • 碱：质子（H+H^+）的受体。

这种观点不仅适用于水溶液中的反应，也适用于非水溶液的反应，甚至可以应用于气相反应。

比如在液氨中 NH4ClNH_4Cl 与 NaNH2NaNH_2 所发生的反应3：

NH4++NH2−⇌2NH3NH_4^++NH_2^-\rightleftharpoons 2NH_3

这其实与水溶液中的酸碱中和十分类似，只不过没有氢离子和氢氧根离子。

共轭酸碱对#

在 Brønsted–Lowry 理论中，每一种酸在失去质子后，会形成一种对应的碱，称为共轭碱。同样，每一种碱在接受质子后，会形成对应的酸，称为共轭酸。这种酸碱对被称为共轭酸碱对。

举个例子，盐酸（HClHCl）在水中溶解时，失去一个质子（H+H^+），形成氯离子（Cl−Cl^-）。在这个反应中：

  • HClHCl 是酸，它的共轭碱是 Cl−Cl^-；
  • 水（H2OH_2O）作为碱，接受了质子，形成了 H3O+H_3O^+ 4，它是水的共轭酸。

所以根据碳酸（H2CO3H_2CO_3）在水中溶解的情况，我们可以知道 HCO3−HCO_3^- 、 CO32−CO_3^{2-} 都是共轭碱，也就是，“在水中可以接受一个质子（H+H^+）”，这样就可以很好地解释为什么很多碳酸盐都是碱性了5。

不过这里面的 HCO3−HCO_3^- 倒是个有趣的料。它既能给出质子作为酸，也能接受质子作为碱，故称其为两性电解质，如下所示：

HCO3−+H2O⇌H3O++CO32−HCO_3^-+H_2O\rightleftharpoons H_3O^++CO_3^{2-} HCO3−+H2O⇌OH−+H2CO3HCO_3^-+H_2O\rightleftharpoons OH^-+H_2CO_3

具体显酸性还是碱性，这就要看两个反应向右进行倾向性的大小了。

结尾#

本文内容并不多，只是盐的概念似乎需要重新认识。许多盐类例如 NH4ClNH_4Cl 中的 NH4+NH_4^+ 是酸；NaAcNaAc6 中的 Ac−Ac^- 是碱；“纯碱”和“小苏打”中分别含有碱 CO32−CO_3^{2-} 和 HCO3−HCO_3^- 。盐的”水解”其实就是组成它的酸或碱与溶剂 H2OH_2O 分子间质子传递的过程……

博主在学习化学反应原理时突然发现此理论，感觉茅塞顿开，故特意撰写此文。感谢《普通化学反应原理（第四版）》的大力支持，学化学的同学必买此书！其实这篇文章应该是上个星期二写的，我拖了一个星期其实是懒货了。

脚注#

Footnotes

  1. 特指人教版。 ↩

  2. 我个人一般解释为生成弱碱一水合氨导致。 ↩

  3. 摘自普通化学反应原理（第四版）第 155 页。 ↩

  4. 事实上，氢离子在水溶液中总是形成稳定的水合离子。因为它半径小，电荷密度高，很难单独存在。 ↩

  5. 当然，理解成生成弱酸也是可以的。（感觉其实是同一个道理） ↩

  6. Ac−Ac^- 意为醋酸根离子。 ↩