酸碱理论

酸碱理论指阐述酸、碱及酸碱反应本质的各种理论。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

*布仑斯惕-劳里酸碱理论——酸碱质子理论

  • 路易士酸碱理论——酸碱电子理论
  • 酸碱溶剂理论
  • 软硬酸碱理论

酸和碱的定义
历史性的突破
酸碱反应的概念最早由纪尧姆-弗朗索瓦·鲁埃勒于 1754 年提出,他将“碱”一词引入化学中,表示与酸反应生成固体形式(作为盐)的物质。 碱本质上大多是苦的。

拉瓦锡的定义(酸中需含有氧元素)
酸和碱的第一个科学概念是由拉瓦锡在1776年左右提出的。

拉瓦锡认为氧是酸中不可或缺的组分,将氧定义为酸生成者(οξυς γεινομαι),并且认为当时还未研究清楚成分的氢卤酸中也含有氧元素。 这是因为拉瓦锡对强酸的知识仅限于含氧酸,例如硝酸(HNO3)和硫酸(H2SO4),这些酸有一个中心原子,中心原子具有高氧化态,且被氧原子包围。并且当时的科学界也不清楚氢卤酸(HF、HCl、HBr 和 HI)的准确组成。

拉瓦锡的定义持续了 30 多年,直到汉弗莱·戴维于 1810 年发表文章和随后的讲座,证明硫化氢 (H2S)、碲化氢 (H2Te) 和氢卤酸中不含氧。 然而,戴维未能发展出新的理论,他得出的结论是“酸度并不取决于任何特定的元素,而是取决于不同元素的特殊排列”。

永斯·贝采利乌斯对拉瓦锡的氧理论进行了一项值得注意的修改,他指出酸是非金属的氧化物,而碱是金属的氧化物。

李比希的定义(酸中需含有氢元素)
1838年,尤斯图斯·冯·李比希提出酸是一种含氢化合物,酸中的氢元素可被金属取代。这一重新定义基于他对有机酸化学成分的广泛研究,完成了戴维发起的从氧基酸到氢基酸的学说转变。 李比希的定义虽然完全是经验性的,但在阿伦尼乌斯定义被采用之前一直沿用了近 50 年。

阿伦尼乌斯的定义
该理论以阿伦尼乌斯与威廉·奥斯特瓦尔德在1884年左右的研究为基础,相比其他酸碱理论更加简明易懂。阿伦尼乌斯本人也因此获得1903年的诺贝尔化学奖。

至于该理论中的酸碱定义,可用以下句子来描述:

也就是说,阿伦尼乌斯酸被加入水后,必须直接或间接引起:

  • 水合氢离子浓度增加,或
  • 氢氧根离子浓度降低

而阿伦尼乌斯碱被加入水后,必须直接或间接引起:

  • 水合氢离子浓度降低,或
  • 氢氧根离子浓度增加

酸碱反应的本质是氢离子与氢氧根离子反应生成水。
:2 H2O → OH− + H3O+
因此在该理论下,酸碱反应生成盐和水的过程也被称作中和反应。 酸和碱不是孤立的,它们通过质子互相联系,用通式可以表示为:

:酸 → 碱 + 质子
这样的一对酸碱称为共轭酸碱对,其中的酸和碱分别称为相应物质的共轭酸及共轭碱。 结合了布朗斯特-劳里和酸碱溶剂理论的特点,在水溶液和非水溶剂中都有很广的应用。 该理论着重探讨电子的给予与获得, 在1939年時所提出,其後約在1947年作進一步的修正,
现在主要用于现代熔盐的地球化学和电化学研究中。在该定义中,酸被定义为一个氧离子受体,而碱则是一个氧离子供体。例如:
: MgO (碱) + CO2 (酸) → MgCO3
: CaO (碱) + SiO2 (酸) → CaSiO3
: NO3− (碱) + S2O72− (酸) → NO2+ + 2SO42−

皮尔逊的定义
1963年, 拉斐尔·皮尔逊提出了一个高级的定性概念——软硬酸碱理论。1984年,在Robert Parr的协助下,该理论发展成为一个定量的理论。“硬”对应的是小的、高氧化态的粒子,这些粒子都很难被极化。相反,“软”是指大的,低氧化态的粒子,很容易被极化。软-软和硬-硬之间的酸碱反应最为稳定。这个理论在有机化学和无机化学均有应用。

参见

  • 电子排布
  • 路易斯结构
  • 共振结构
  • 质子化,去质子化
  • 亲核取代反应
  • 氧化还原反应
  • 酸碱滴定

注释
参考资料

Miessler, L. M., Tar, D. A., (1991) "Inorganic Chemistry" 2nd ed. Pearson Prentice-Hall

Clayden, J., Warren, S., et al. (2000) "Organic Chemistry" Oxford University Press

Meyers, R. (2003) "The Basics of Chemistry" Greenwood Press

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H. L. Finston and A. C. Rychtman, A New View of Current Acid-Base Theories, John Wiley & Sons, New York, 1982, pp. 140-146.

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International Union of Pure and Applied Chemistry (2006) IUPAC Compendium of Chemical Terminology, Electronic version Retrieved from International Union of Pure and Applied Chemistry on 9 May 2007 on URL http://goldbook.iupac.org/O04379.html

Murray, K. K., Boyd, R. K., et al. (2006) "Standard definition of terms relating to mass spectrometry recommendations" International Union of Pure and Applied Chemistry.

外部链接

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