酸碱质子理论
前言
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，酸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
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，酸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
