Article

January 20, 2022

酸(酸来自拉丁语。Acidus / acēre 意思是酸)是化合物的基本类别之一。酸是一种化学物质,其水溶液具有特有的酸味,能够将蓝色石蕊试纸变成红色,能够与碱和某些金属(如钙)反应形成盐。酸水溶液的 pH 值小于 7。当阴离子(负离子)与一种或多种带正电荷的氢阳离子反应时,通常会形成非水酸。 pH值越低,酸度越高,因此溶液中正氢离子的浓度越高。具有酸性的化学品或物质被称为酸性。酸的三个广泛接受的定义是:Arrhenius 定义、Bransted-Lauri 定义、和刘易斯的定义。阿雷尼乌斯的定义将酸定义为溶解在水中时会增加氢离子 (H +) 浓度的物质,或者更准确地说,增加水合氢离子 (H3O +) 的浓度。 Bronsted-Lori 的定义是扩展:酸是一种可以作为质子供体的物质。根据该定义,任何可以轻松去质子化的化合物都可以被视为酸。例子包括含有 OH 或 NH 片段的醇和胺。路易斯酸是一种可以接受一对电子并形成共价键的物质。路易斯酸的例子包括所有金属阳离子和缺电子分子,例如三氟化硼和三氯化铝。已知酸的例子是盐酸(一种盐酸溶液,存在于胃中的胃酸中,它激活消化酶)、醋酸(醋是该液体的稀释溶液)、硫酸(用于汽车电池)和酒石酸(用于烘焙的固体物质)。正如这些例子所示,酸可以是溶液或纯物质,也可以来自固体、液体或气体。强酸和一些浓缩的弱酸具有腐蚀性,但也有例外,例如碳硼酸和硼酸。强酸和一些浓缩的弱酸具有腐蚀性,但也有例外,例如碳硼酸和硼酸。强酸和一些浓缩的弱酸具有腐蚀性,但也有例外,例如碳硼酸和硼酸。

定义和概念

现代定义涉及所有酸共有的基本化学反应。日常生活中遇到的酸大部分是水溶液,或者可以溶于水,所以Arenius和Bronsted-Lori定义最相关。除非另有说明,否则假定酸碱反应中发生质子 (H +) 从酸转移到碱。所有三个定义都考虑了水合氢离子酸。有趣的是,虽然醇和胺可以是布朗斯台德-洛里酸,但由于它们的氧和氮原子上存在自由电子对,它们也可以对路易斯碱起作用。

拉瓦锡的定义

酸的第一个科学定义是18世纪法国化学家安托万·拉瓦锡(Antoine Lavoisier)给出的,拉瓦锡对以往化学知识进行系统化的开创性工作包括对化合物的分类和建立化学定律的工作。然而,他对酸的了解仅限于迄今为止已知的酸,主要是具有氧化性的强酸,而当时还不知道氢卤酸的结构。从这个意义上说,拉瓦锡给出了与其氧含量密切相关的酸的定义。此外,他给氧气取的名字来自希腊语“制造酸的人”。

阿雷尼乌斯酸

1884 年,瑞典化学家 Svante Arrhenius 认为氢离子 (H +) 或质子是造成酸性的原因。阿伦尼乌斯酸是一种物质,当加入水中时,会增加水中 H + 离子的浓度。化学家在描述酸碱反应时通常会写 H + (aq) 并谈论氢离子,尽管游离氢核,即质子,在水中并不是独立存在的,它以水合氢离子 H3O + 的形式出现。因此,阿雷尼乌斯酸也可以描述为一种在加入水中时会增加水合氢离子浓度的物质。该定义源自水分解为水合氢离子和氢氧根 (OH−) 离子的平衡: H2O (l) + H2O (l) ⇌ H3O + (aq) + OH− (aq) 在纯水中,大多数分子是 H2O,尽管分子不断地解离和重新结合,在任何给定的时间都有少量分子是水合氢离子,具有相同数量的氢氧化物。由于数字相等,纯水是中性的(不是酸性或碱性)。另一方面,阿伦尼乌斯碱是一种溶解在水中时会增加氢氧根离子浓度的物质,因此会降低水合氢离子的浓度。 H2O 分子的不断缔合和解离形成了一种平衡,其中水合氢浓度的任何增加都伴随着氢氧化物浓度的降低,因此,阿雷尼乌斯酸也可以说降低了氢氧化物的浓度,阿雷尼乌斯碱增加。酸中水合氢离子的浓度高于每升 10-7 摩尔。由于 pH 被定义为水合氢离子浓度的负对数,因此酸的 pH 值小于 7。另一方面,阿伦尼乌斯碱是一种溶解在水中时会增加氢氧根离子浓度的物质,因此会降低水合氢离子的浓度。 H2O 分子的不断缔合和解离形成了一种平衡,其中水合氢浓度的任何增加都伴随着氢氧化物浓度的降低,因此,阿雷尼乌斯酸也可以说降低了氢氧化物的浓度,阿雷尼乌斯碱增加。酸中水合氢离子的浓度高于每升 10-7 摩尔。由于 pH 被定义为水合氢离子浓度的负对数,因此酸的 pH 值小于 7。另一方面,阿伦尼乌斯碱是一种溶解在水中时会增加氢氧根离子浓度的物质,因此会降低水合氢离子的浓度。 H2O 分子的不断缔合和解离形成了一种平衡,其中水合氢浓度的任何增加都伴随着氢氧化物浓度的降低,因此,阿雷尼乌斯酸也可以说降低了氢氧化物的浓度,阿雷尼乌斯碱增加。酸中水合氢离子的浓度高于每升 10-7 摩尔。由于 pH 被定义为水合氢离子浓度的负对数,因此酸的 pH 值小于 7。H2O 分子的不断缔合和解离形成了一种平衡,其中水合氢浓度的任何增加都伴随着氢氧化物浓度的降低,因此,阿雷尼乌斯酸也可以说降低了氢氧化物的浓度,阿雷尼乌斯碱增加。酸中水合氢离子的浓度高于每升 10-7 摩尔。由于 pH 被定义为水合氢离子浓度的负对数,因此酸的 pH 值小于 7。H2O 分子的不断缔合和解离形成了一种平衡,其中水合氢浓度的任何增加都伴随着氢氧化物浓度的降低,因此,阿雷尼乌斯酸也可以说降低了氢氧化物的浓度,阿雷尼乌斯碱增加。酸中水合氢离子的浓度高于每升 10-7 摩尔。由于 pH 被定义为水合氢离子浓度的负对数,因此酸的 pH 值小于 7。由于 pH 被定义为水合氢离子浓度的负对数,因此酸的 pH 值小于 7。由于 pH 被定义为水合氢离子浓度的负对数,因此酸的 pH 值小于 7。

布朗斯台德-洛瑞酸

尽管阿雷尼乌斯的概念可用于描述许多反应,但它的范围也非常有限。 1923 年,化学家 Johannes Nicholas Bronsted 和 Thomas Martin Lori 独立观察到酸碱反应涉及质子转移。 Bronsted-Lori 酸(或简称 Bronsted 酸)是一种向 Bronsted-Lori 碱提供质子的物质。与 Arrhenius 理论相比,Bronsted-Lori 酸碱理论有几个优点。考虑乙酸 (CH3COOH) 的以下反应,有机酸赋予醋特有的味道: CH3COOH + H2O ⇌ CH3COO− + H3O + CH3COOH + NH3 ⇌ CH3COO− + NH4 + 两种理论都很容易描述第一个反应: CH3COOH 充当当溶于水时,Arenius 酸是 H3O + 的来源,它通过向水中提供质子而起到布朗斯台德酸的作用。在另一个例子中,CH3COOH 经历了相同的转变,在这种情况下,向氨 (NH3) 提供质子,但不能使用阿雷尼乌斯的酸定义来描述,因为该反应不产生水合氢。 Bronsted-Lori 理论也可以用来描述分子化合物,而阿雷尼乌斯酸必须是离子化合物。氯化氢 (HCl) 和氨在几种不同的情况下结合形成氯化铵,NH4Cl。 HCl 的水溶液起到盐酸的作用,由水合氢离子和氯离子组成。以下反应说明了 Arenius 定义的局限性: H3O + (aq) + Cl− (aq) + NH3 → Cl− (aq) + NH4 + (aq) + H2O HCl (苯) + NH3 (苯) → NH4Cl ( s) HCl (g) + NH3 (g) → NH4Cl (s) 与乙酸反应一样,这两个定义都适用于第一个例子,其中水是溶剂,水合氢离子由 HCl 溶液形成。接下来的两个反应不涉及离子形成,但仍然是质子转移反应。在第二个反应中,氯化氢和氨(溶解在苯中)在苯溶剂中反应形成固体氯化铵,在第三个反应中,气态 HCl 和 NH3 结合形成固体。

路易斯酸

第三个概念由吉尔伯特·牛顿·刘易斯于 1923 年提出,包括具有酸碱特性的反应,其中不发生质子转移。路易斯酸是一种从另一个物种接收一对电子的物种;换句话说,它是电子对的接收者。布朗斯台德酸碱反应描述质子转移,而路易斯酸碱反应导致电子对转移。所有布朗斯台德酸也是路易斯酸,而并非所有路易斯酸都是布朗斯台德酸。比较以下反应是如何用酸碱化学描述的。在第一个反应中,氟离子 F- 将电子对赋予三氟化硼,形成四氟硼酸盐产物。氟化物“失去”了一对价电子,因为在 B-F 键中分裂的电子位于两个原子核之间的空间区域,因此比在游离氟离子中离氟核更远。 BF3 是路易斯酸,因为它从氟化物接收电子对。这个反应不能用布朗斯特的理论来描述,因为这里没有质子转移。可以使用任何理论来描述第二个反应。质子从未指明的布朗斯台德酸转移到氨、布朗斯台德碱;或者,氨充当路易斯碱并转移一对自由电子,从而与氢离子形成键。获得电子对的物质是路易斯酸;例如,当其中一个 H-O 键断裂并且该键的电子定位在氧上时,H3O + 中的氧原子会获得一对电子。根据上下文,路易斯酸也可以描述为氧化剂或亲电子试剂。

解离和平衡

酸反应通常以 HA ⇌ H + + A- 的形式概括,其中 HA 代表酸,A- 是共轭碱。酸碱共轭对的成员相差一个质子,并且可以通过添加或去除质子(分别为质子化和去质子化)进行相互转化。酸可以是带电荷的物质,共轭碱可以是中性的,在这种情况下,一般的反应路线可以写成 HA + ⇌ H + + A。在酸和其共轭碱之间的溶液中存在平衡。平衡常数 K 是溶液中分子或离子平衡浓度的表达。括号表示浓度,所以[H2O]表示H2O的浓度。酸解离常数 Ka 通常用于酸碱反应。Ka的数值等于产物浓度除以反应物浓度的乘积,其中反应物为酸(HA),产物为共轭碱和H+。K a [H +] [A -] [HA] {\ displaystyle K_ {a} {\ frac {[{\ mbox {H}} ^ {+}] [{\ mbox {A}} ^ {-}] } {{{{mbox {HA}}]}}} 两种酸中的强者具有较高的 Ka弱酸的价值;使用更强的酸,氢离子与酸的比率会更高,因为它更容易失去质子。由于Ka的可能取值范围涵盖了大量数量级,常数的形状更容易应用,pKa更常用,用pKa -log10 Ka。较强的酸比较弱的酸具有较低的 pKa 值。在 25°C 水溶液中实验确定的 pKa 值经常在教科书和参考资料中报道。较强的酸比较弱的酸具有较低的 pKa 值。在 25°C 水溶液中实验确定的 pKa 值经常在教科书和参考资料中报道。较强的酸比较弱的酸具有较低的 pKa 值。在 25°C 水溶液中实验确定的 pKa 值经常在教科书和参考资料中报道。

命名法

在经典命名系统中,酸根据它们的阴离子命名。这个离子后缀被省略并替换为一个新的后缀(有时是一个前缀),如下表所述。例如,HCl 的阴离子是氯化物,因此 -id 后缀似乎采用盐酸的形式。在 IUPAC 命名系统中,“aqueous”只是简单地添加到离子化合物的名称中。因此,对于氯化氢,IUPAC 名称将是氯化氢水溶液。如果酸仅由氢和一种其他元素组成,则添加前缀“氢-”。经典命名系统:

酸强度

酸的强度反映了它失去质子的能力或趋势。强酸是一种在水中完全离解的酸;换句话说,一摩尔强酸 HA 溶解在水中得到一摩尔 H + 和一摩尔共轭碱 A-。相反,弱酸仅部分离解,溶液中的酸和共轭碱处于平衡状态。强酸的例子是盐酸 (HCl)、氢碘酸 (HI)、氢溴酸 (HBr)、高氯酸 (HClO4)、硝酸 (HNO3) 和硫酸 (H2SO4)。在水中,它们中的每一个基本上都是 100% 电离的。酸越强,就越容易失去质子 H +。有助于去质子化容易的两个关键因素是 X-A 键的极性和 A 原子的大小,这决定了 X-A 键的强度。在共轭碱的稳定性方面也经常考虑酸强度。强酸比弱酸具有更高的Ka值和更多的负pKa值。磺酸是有机羟基酸,是一类强酸。这种酸的一个众所周知的例子是甲苯磺酸(甲苯磺酸)。与硫酸本身不同,磺酸可以是固体。事实上,功能化成聚苯乙烯磺酸盐的聚苯乙烯是一种可以过滤的固体、高酸性塑料。超强酸是强于 100% 硫酸的酸。超强酸的例子是氟锑酸、魔酸和高氯酸。超强酸可以使水永久质子化以产生离子晶体水合氢“盐”。它们还能够定量稳定碳正离子。Ka 值决定了酸性化合物的强度,而水溶液的强度则由 pH 值表示,pH 值是溶液中水合氢浓度的指标。酸性化合物在水中的简单溶液的 pH 值是通过稀释化合物和化合物的 Ka 值来确定的。

化学特性

一元酸

一元酸是那些在解离过程(有时称为电离)中能够为每个分子提供一个质子的酸,如下所示(酸用 HA 表示): HA (aq) + H2O (l) ⇌ H3O + (aq ) + A- (aq) Ka 在无机酸中已知的一元酸的例子是盐酸 (HCl) 和硝酸 (HNO3)。另一方面,在有机酸的情况下,该术语通常表示存在单个羧基,这些酸有时被称为单羧酸。有机酸的例子是甲酸 (HCOOH)、乙酸 (CH3COOH) 和苯甲酸 (C6H5COOH)。

多元酸

多元酸,也称为多元酸,每个酸分子能够提供一个以上的质子,而一元酸每个分子只能提供一个质子。特定类型的多元酸有更具体的名称,例如二质子酸(可能提供两个质子)和三元酸(可能提供三个质子)。二质子酸(本文中称为 H2A)可根据 pH 值进行一次或两次离解。每个解离都有自己的解离常数 Ka1 和 Ka2。 H2A (aq) + H2O (l) ⇌ H3O + (aq) + HA− (aq) Ka1 HA− (aq) + H2O (l) ⇌ H3O + (aq) + A2− (aq) Ka2 第一解离常数通常为大于第二个;即,Ka1>Ka2。例如,硫酸(H2SO4)可以捐出一个质子形成硫酸氢根阴离子(HSO4-),其中Ka1非常大;然后它可以提供另一个质子以形成硫酸根阴离子 (SO42−),其中 Ka2 具有中等强度。第一次解离的大 Ka1 值使硫酸强。以类似的方式,弱的不稳定碳酸 (H2CO3) 会失去一个质子形成碳酸氢根阴离子 (HCO3-) 并失去另一个质子形成碳酸根阴离子 (CO32-)。两个Ka值都很小,但是Ka1>Ka2。三元酸 (H3A) 可以进行 1、2 或 3 次解离,并具有三个解离常数,其中 Ka1> Ka2> Ka3。H3A (aq) + H2O (l) ⇌ H3O + (aq) + H2A− (aq) Ka1 H2A− (aq) + H2O (l) ⇌ H3O + (aq) + HA2− (aq) Ka2 HA2− (aq) + H2O (l) ⇌ H3O + (aq) + A3- (aq) Ka3 三元酸的无机例子是正磷酸 (H3PO4),通常称为磷酸。所有三个质子都可以连续丢失以形成 H2PO4-,然后是 HPO42-,最后是 PO43-,一种正磷酸盐离子,通常称为磷酸盐。尽管三个质子在原始磷酸分子上的位置相同,但连续的 Ka 值不同,因为如果其共轭碱基带更多负电荷,则在能量上更不利于失去质子。三元酸的一个有机例子是柠檬酸,它可以连续失去三个质子,最终形成柠檬酸根离子。虽然随后每个氢离子的损失不太有利,所有共轭碱都存在于溶液中。可以计算每个物种的分数浓度 α (alpha)。例如,通用二元酸在溶液中会产生 3 种类型:H2A、HA- 和 A2-。当给出 pH 值(可以转换为 [H +])或酸浓度及其所有共轭碱时,可以如下计算分数浓度:α H 2 A [ H + ] 2 [ H + ] 2 + [ H + ]K 1 + K 1 K 2 [ H 2 A ] [ H 2 A ] + [ H A -] + [ A 2 − ] {\displaystyle \alpha _{H_{2}A}{{[H^{+}]^{2}} \over {[H^{+}]^{2}+[ H^{+}]K_{1}+K_{1}K_{2}}}{{[H_{2}A]} \over {[H_{2}A]+[HA^{-}]+ [A^{2-}]}}} α HA − [ H + ] K 1 [H + ] 2 + [ H + ] K 1 + K 1 K 2 [ H A −] [ H 2 A ] + [ HA − ] + [ A 2 − ] {\displaystyle \alpha _{HA^{-}}{{[H^{+}]K_{1}} \over {[H^ {+}]^{2}+[H^{+}]K_{1}+K_{1}K_{2}}}{{[HA^{-}]} \over {[H_{2}A ]+[HA^{-}]+[A^{2-}]}}} α A 2− K 1 K 2 [ H + ] 2 + [ H + ] K 1 + K1 K 2 [ A 2 − ] [ H 2 A ] + [ H A − ] + [ A 2 −] {\ displaystyle \ alpha _ {A ^ {2 -}} {{K_ {1} K_ {2}} \ over {[H ^ {+}] ^ {2} + [H ^ {+}] K_ { 1} + K_ {1} K_ {2}}} {{[A ^ {2-}]} \ over {[H_ {2} A] + [HA ^ {-}] + [A ^ {2-} ]}}} 对于给定的 K1 和 K2 值,这些分数浓度与 pH 值的关系图称为 Bjerum 图。该模式可以在上面的方程中观察到,并且可以扩展到一般的正质子酸,它已经被去质子化了 i 次:α H n − i A i − [ H + ] n − i ∏ j 0 iK j ∑ i 0 n [ [ H + ] n − i∏ j 0 i K j] {\ displaystyle \ alpha _ {H_ {ni} A ^ {i -}} {{[H ^ {+}] ^ {ni} \ displaystyle \ prod _ {j0} ^ {i} K_ {j}} \ over {\ displaystyle \ sum _ {i0} ^ {n} {\ Big [} [H ^ {+}] ^ {ni} \ displaystyle \ prod _ {j0} ^ {i} K_ { j}} {\ Big]}}} 其中 K0 为 1,其他 K 成员为酸解离常数。

中和

中和是酸和碱之间的反应,生成盐和被中和的碱;例如盐酸和氢氧化钠形成氯化钠和水: HCl (aq) + NaOH (aq) → H2O (l) + NaCl (aq) 中和是滴定的基础,pH 指示剂显示等当点时添加到酸中的等量摩尔数的碱。人们常常错误地认为,中和会产生 pH 值为 7.0 的溶液,这只是类似强度的酸和碱反应的情况。用比酸弱的碱中和会产生弱酸性盐。一个例子是弱酸性氯化铵,它由强盐酸和弱氨碱形成。相反,弱酸与强碱的中和产生弱碱盐,例如由氢氟酸和氢氧化钠制得的氟化钠。

弱酸弱碱平衡

要使质子化酸失去质子,系统的 pH 值必须高于酸的 pKa 值。碱性溶液中 H + 浓度的降低使平衡向共轭碱性形式(酸的去质子化形式)移动。在 pH 值较低(酸度较高)的溶液中,溶液中的 H + 浓度足够高,使酸保持其质子化形式。弱酸溶液及其共轭碱盐形成缓冲溶液。

酸应用

酸有多种应用。酸通常用于在称为酸洗的过程中去除金属上的锈蚀和其他腐蚀。它们适合作为湿电池中的电解质,例如汽车电池中的硫酸。强酸,尤其是硫酸,广泛用于矿物加工。例如,磷酸盐矿物与硫酸反应生成磷酸生产磷肥,将氧化锌溶解在硫酸中生产锌,然后将溶液电解提纯。在化学工业中,酸在中和反应中反应形成盐。例如,硝酸与氨反应形成硝酸铵,一种人造肥料。此外,羧酸可以与醇酯化,从而形成酯。酸被用作饮料和食品的添加剂,因为它们会改变味道并用作避孕套。例如,磷酸是可乐饮料的一种成分。乙酸在日常生活中用作醋。碳酸是许多饮料和苏打水的重要组成部分。柠檬酸在酱汁和腌制蔬菜中用作避孕套。酒石酸是一些常用食物的重要成分,例如未成熟的芒果和罗望子果。水果和蔬菜也含有酸。柠檬酸存在于橙子、柠檬和其他柑橘类水果中。草酸存在于西红柿和菠菜中。抗坏血酸(维生素C)是人体必需的维生素,存在于许多食物中。一些酸用作药物。乙酰水杨酸(阿司匹林)用作止痛药和退烧。酸在人体中起着重要作用。盐酸存在于胃中,通过分解大而复杂的食物分子来帮助消化。氨基酸是合成身体组织生长和修复所必需的蛋白质所必需的。脂肪酸对于身体组织的生长和修复也是必不可少的。核酸对于 DNA 和 RNA 分子的形成以及通过基因将遗传特征传递给后代很重要。碳酸对于维持身体平衡的 pH 值很重要。氨基酸是合成身体组织生长和修复所必需的蛋白质所必需的。脂肪酸对于身体组织的生长和修复也是必不可少的。核酸对于 DNA 和 RNA 分子的形成以及通过基因将遗传特征传递给后代很重要。碳酸对于维持身体平衡的 pH 值很重要。氨基酸是合成身体组织生长和修复所必需的蛋白质所必需的。脂肪酸对于身体组织的生长和修复也是必不可少的。核酸对于 DNA 和 RNA 分子的形成以及通过基因将遗传特征传递给后代很重要。碳酸对于维持身体平衡的 pH 值很重要。

酸催化

酸在工业和有机化学中用作催化剂;例如,在燃料生产的烷基化过程中大量使用硫酸。硫酸、磷酸和盐酸等强酸也会影响脱水和缩合反应。在生物化学中,许多酶使用酸催化。

更重要的酸

酸以来自酸残基的非金属命名,例如 H2S——硫化氢。

获取酸

非金属氧化物+水 ---> 酸性 SO2 + H2O ----> H2SO3(亚硫酸盐/硫酸) C + O2 ---> CO2 P2O5 + 3H2O ---> 2 H3PO4 CO2 + H2O ---> H2CO3 H2CO3 ---> H2O + CO2

查看更多

碱的pH值

参考

文学

外部链接

Science Aid:高中生的酸和碱信息 Curtipot:酸碱平衡图、pH 计算和滴定曲线模拟和分析 - 免费软件 初级化学学生酸的特性摘要 联合国欧洲经济委员会远距离跨界公约空气污染