酸堿質子理論(proton theory of acids and bases),又稱為布朗斯特-勞里理論(Br?nsted-Lowry theory),是由丹麥化學家約翰內斯·尼古勞斯·布朗斯特(Johannes Nicolaus Br?nsted)、英國化學家托馬斯·馬丁·勞里(Thomas Martin Lowry)在1923年獨立提出的化學理論。
酸堿質子理論認為,凡是可以釋放質子的化合物為酸,凡是能接受質子的化合物則為堿,其中質子是帶有單位正電荷的核粒子,符號H+表示。酸堿質子理論指出,一種物質只有在堿存在的情況下才能發揮酸的作用;同樣,一種物質只有在酸的存在下才能發揮堿的作用。此外,當酸性物質失去一個質子時,它會形成一種堿,稱為酸的共軛堿;當堿性物質獲得一個質子時,它會形成一種酸,稱為堿的共軛酸。
酸堿質子理論擴充酸堿范圍,表明酸、堿化合物不僅包括中性分子(例如硫酸、硝酸、冰醋和堿氫氧化物),還包括某些帶正電荷、負電荷的原子和分子(陽離子和陰離子)。
概述
當一個分子或離子釋放氫離子,同時一定有另一個分子或離子接受氫離子,因此酸和堿會成對出現。酸堿質子理論可以用以下反應式說明:
酸+堿≒共軛堿+共軛酸
酸在失去一個氫離子后,變成共軛堿;而堿得到一個氫離子后,變成共軛酸。以上反應可能以正反應或逆反應的方式來進行,不過不論是正反應或逆反應,均維持以下的原則:酸將一個氫離子轉移給堿。
在上式中,酸和其對應的共軛堿為一組共軛酸堿對。而堿和其對應的共軛酸也是一組共軛酸堿對。在這里,酸和堿具有同一性,互為存在條件,在一定條件下又朝著與自己相反的方向轉化,這是符合唯物辯證法的。
概念
酸堿離子理論是阿侖尼烏斯(Arrhenius)根據他的電離學說提出來的。他認為在水中能電離出氫離子并且不產生其它陽離子的物質叫酸。在水中能電離出氫氧根并且不產生其它陰離子的物質叫堿。酸堿中和反應的實質是氫離子和氫氧根離子結合成水。這個理論取得了很大成功,但它的局限性也早就暴露出來,倒臺。例如氣態氨與氯化氫反應迅速生成氯化銨,這個酸堿中和反應并未摻雜水的生成;又如氨的水溶液顯堿性,曾被錯誤地認為是NH3和H2O形成弱電解質NH4OH分子,然后離解出OH-等。
由于斯萬特·阿累尼烏斯的酸堿離子理論不能解一些非水溶液中進行的酸堿反應等問題,1923年布朗斯特(Bronsted)提出了酸堿質子理論,把酸堿概念加以推廣。酸堿質子理論認為凡是能給出質子的物質都是酸,凡是能與質子結合的物質都是堿。即酸是質子的給予體,堿是質子的接受體。這樣,一個酸給出質子后余下的部分自然就是堿,因為它本身就是與質子結合的。它們的關系如下:
這種關系叫做酸堿的共軛關系,式中略去了HB和B可能出現的電荷。右邊的堿是左邊酸的共軛堿,左邊的酸是右邊堿的共軛酸,兩者組成一個共軛酸堿對,它們只差一個質子。
酸和堿可以是分子,也可以是陽離子和陰離子。還可以看出,像(HPO4)2-這樣的物質,既表現酸,也表現為堿,所以它是兩性物質。同理,H2O,HCO3-等也是兩性物質。
共軛酸堿
用KW表示[H3O+][OH-],KW稱為水的離子積。這說明在一定溫度下,水中的[H3O+]與[OH-]的乘積為一常數。所以 Ka·Kb=KW
24℃時KW值為1.0×10-14.這個關系說明,只知道了酸的離解常數Ka,就可以計算出它的共軛堿的Kb,反之亦然。Ka和Kb是成反比的,而Ka和Kb正是反映酸和堿的強度,所以,在共軛酸堿對中,酸的強度愈大,其共軛堿的強度愈?。粔A的強度愈大,其共軛酸的強度愈小。
一些共軛酸堿對的強度次序。
酸性增強共軛酸(HB)Ka(在水中)pKa(在水中)共軛堿(B)堿性增強
H3O+ H2O 草酸 5.4×10-2 1.27 HC2O-4 亞硫酸 1.54×10 1.81 HSO-3 HSO-4 1.20×10-2 1.92 二氧化硫4 H3PO4 7.51×10-3 2.12 H2PO-4 HNO2 4.6×10-4 3.37 二氧化氮 HF 3.53×10-4 3.45 F- 甲酸 1.77×10-4 3.75 HCOO- HC2O-4 5.4×10-5 4.27 C2O2-4 CH3COOH 1.76×10-5 4.75 CH3COO- 碳酸 4.30×10-7 6.37 HCO-3 HSO-3 1.02×10-7 6.91 二氧化硫3 硫化氫 9.1×10-8 7.04 HS- H2PO-4 6.23×10-8 7.21 HPO2-4 NH+4 5.68×10-10 9.25 NH3 氫氰酸 4.93×10-10 9.31 CH- HCO-3 5.61×1011 10.25 CO2-3 過氧化氫 2.4×10-12 11.62 超氧化氫 HS- 1.1×10-12 11.96 S2 HPO2-4 2.2×10-13 12.67 PO3-4 H2O OH-
根據酸堿質子理論,酸堿在溶液中所表現出來的強度,不僅與酸堿的本性有關,也與溶劑的本性有關。我們所能測定的是酸堿在一定溶劑中表現出來的相對強度。同一種酸或堿,如果溶于不同的溶劑,它們所表現的相對強度就不同。例如HOAc在水中表現為弱酸,但在液氨中表現為強酸,這是因為液氨奪取質子的能力(即堿性)比水要強得多。這種現象進一步說明了酸堿強度的相對性。
酸堿反應
酸堿質子理論中的酸堿反應是酸堿之間的質子傳遞。
這個反應無論在水溶液中、苯或氣相中,它的實質都是一樣的。HCL是酸,放出質子給NH3,然后轉變成共軛堿CL-,NH3是堿,接受質子后轉變成共軛酸NH4+。強堿奪取了強酸放出的質子,轉化為較弱的共軛酸和共軛堿。
酸堿質子理論不僅擴大了酸堿的范圍,還可以把酸堿離解作用、中和反應、水解反應等,都看作是質子傳遞的酸堿反應。
由此可見,酸堿質子理論更好地解釋了酸堿反應,擺脫了酸堿必須在水中才能發生反應的局限性,解決了一些非水溶劑或氣體間的酸堿反應,并把水溶液中進行的某些離子反應系統地歸納為質子傳遞的酸堿反應,加深了人們對酸堿和酸堿反應的認識。但是酸堿質子理論不能解釋那些不交換質子而又具有酸堿性的物質,因此它還存在著一定的局限性。
酸堿理論
布朗斯特(Br?nsted)和勞萊(Lowry)在1923年提出的質子理論認為,凡是給出質子(H+)的任何物質(分子或離子)都是酸;凡是接受質子(H+)的任何物質都是堿。簡單地說,酸是質子的給予體,而堿是質子的接受體。酸和堿之間的關系表示如下:
酸質子(H+)+堿
按照酸堿質子理論,屬于酸的有:HCL、HAC、NH4-、[AL(H2O)6]、H2PO4-、HPO42-等。屬于堿的有:NH3、[Al(H2O)5OH]2+、Cl-、Ac-、HPO42-、PO43-等。同時還可以看出,酸和堿是統一在對質子的關系上:酸放出質子后變成了堿,而堿接受質子后就變成了酸。為了表示它們之間的聯系,常把酸堿之間的這種關系叫做共軛酸堿對。酸放出質子后形成的堿,叫做該酸的共軛堿;堿接受質子后形成的酸,叫做該堿的共軛酸。我們把相差一個質子的對應酸堿,叫做共軛酸堿。
根據酸堿的質子理論,容易放出質子(H+)的物質是強酸,而該物質放出質子后形成的堿就不容易同質子結合,因而是弱的堿。換言之,酸越強,它的共軛堿就越弱;反之,堿越強,它的共軛酸就越弱。
酸堿質子理論擴大了酸堿的含義及酸堿反應的范圍,擺脫了酸堿必須發生在水中的局限性,解決了非水溶液或氣體間的酸堿反應,并把在水溶液中進行的解離、中和、水解等類反應概況為一類反應,即質子傳遞式的酸堿反應。但是,質子理論也有它的缺點,它只限于質子的放出和接受,因此必須含有氫,不能解釋不含氫的一類化合物的反應;雖然它包含了所有堿性的物質,但仍限制在含氫基礎上。例如,對不含氫的一類化合物的酸堿性問題,卻無能為力。
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