酸碱质子理论

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 $H^+$ 的物质叫做酸(acid);
2. 凡是在水溶液中电离出的阴离子皆为 $OH^-$ 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 $H^+$ ,碱产生 $OH^-$ 。

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 $H^+$ 或 $OH^-$ 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 $NaHCO_3$ 的水溶液是碱性的? 根据 Arrhenius 的定义,碱是指在水中电离出 $OH^-$ 的物质。然而,$NaHCO_3$的水溶液中并不直接产生 $OH^-$,但它的水溶液却表现出碱性。事实上,$HCO_3^-$ 离子在水中可以接受一个质子($H^+$),形成$H_2CO_3$,同时生成 $OH^-$:
2. 为什么 $NH_4Cl$ 的水溶液是酸性的 在水中,$NH_4Cl$ 会电离成 $NH_4^+$ 和 $Cl^-$。根据 Arrhenius 理论,$Cl^-$ 和 $NH_4^+$ 本身都不生成 $OH^-$ 或 $H^+$。但在 Brønsted–Lowry 理论中,$NH_4^+$ 可以作为酸,释放出一个质子,这个过程导致溶液中的 $H^+$ 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,被定义为一种能够给予质子($H^+$)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($H^+$)的供体
● 碱:质子($H^+$)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 $NH_4Cl$ 与 $NaNH_2$ 所发生的反应[^3]:

[^3]:摘自普通化学反应原理(第四版)第 155 页。

$$ NH_4^++NH_2^-\rightleftharpoons 2NH_3 $$

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($HCl$)在水中溶解时,失去一个质子($H^+$),形成氯离子($Cl^-$)。在这个反应中:

$HCl$ 是酸,它的共轭碱是 $Cl^-$;
水($H_2O$)作为碱,接受了质子,形成了 $H_3O^+$ ^4,它是水的共轭酸。

所以根据碳酸($H_2CO_3$)在水中溶解的情况,我们可以知道 $HCO_3^-$ 、 $CO_3^{2-}$ 都是共轭碱,也就是,“在水中可以接受一个质子($H^+$)”,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 $HCO_3^-$ 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:

$$ HCO_3^-+H_2O\rightleftharpoons H_3O^++CO_3^{2-} $$

$$ HCO_3^-+H_2O\rightleftharpoons OH^-+H_2CO_3 $$

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 $NH_4Cl$ 中的 $NH_4^+$ 是酸;$NaAc$[^6] 中的 $Ac^-$ 是碱;“纯碱”和“小苏打”中分别含有碱 $CO_3^{2-}$ 和 $HCO_3^-$ 。盐的"水解”其实就是组成它的酸或碱与溶剂 $H_2O$ 分子间质子传递的过程……

[^6]: $Ac^-$ 意为醋酸根离子。

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

via サン猫の時間漂流
 
 
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