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溶液中的酸碱质子理论


实验室k / 2018-07-09

    1923年,丹麦的J.Bronsted和英国的的T.Lowry提出了酸碱质子理论。

溶液中的酸碱质子理论
    质子理论认为,凡是能释放出质子的任何分子或离子都是酸;任何能与质子结合的分子或离子都是碱。简而言之,酸是质子的给予体,碱是质子的接受体。例如在水溶液中

HCl H++Cl-
H2PO-4 H++HPO2-4
NH+4 H++NH3

    HCl、H2PO-4、NH+4都能给出质子,它们都是酸。NH3、CI-、HPO2-4都可以接受质子,都是碱。
    质子理论强调酸与碱之间的相互依赖关系。酸给出质子后生成相应的碱,而碱结合质子后又生成相应的酸,酸与碱之间的这种依赖的关系称为共轭关系。这一关系可以用通式表示

质子+碱

    酸给出一个质子后生成的碱称为这种酸的共轭碱,例如NH3是NH+4的共轭碱;碱接受一个质子后所生成的酸称为这种碱的共轭酸,例如NH+4是NH3的共轭酸。酸与它的共轭碱(或碱与它的共轭酸)一起被称为共轭酸碱对。表2-2中列出了一些常见的共轭酸碱对。

表2-2  一些常见的共轭酸碱对

共轭碱 共轭碱
HCl Cl- CH3COOH CH3COO-
H2SO4 HSO-4 H2S HS-
H3O+ H2O NH+4 NH3
HSO-4 SO2-4 H2O OH-
〔Fe(H2O)63+ 〔Fe(OH)(H2O)52+    

    共轭的酸和碱的强弱有一定的依赖关系。酸越强,对应的共轭碱的碱性越弱,酸酸越弱,对应的共轭碱的碱性越强;对于碱也是如此。由此可根据酸的相对强弱确定其共轭碱的相对强弱,或者根据碱的相对强弱确定其共轭酸的相对强弱。
    确定了酸、碱的相对强弱之后,可用其判断酸碱反应的方向。酸碱反应是争夺质子的过程,争夺质子的结果总是强碱夺取了强酸给出的质子而转化为它的共轭酸——弱酸;强酸则给出质子转化为它的共轭碱——弱碱。总之,酸碱反应主要是由较强酸与较强碱结合,向生成相应的较弱碱和较弱酸的方向进行。例如

HCI( 较强的酸) + CN-(较强的碱) ⇌ Cl-(较弱的碱) + HCN(较弱的酸)

    酸碱质子理论认为,酸、碱的解离反应是质子转移的反应。如HF在水溶液中的解离,HF给出H+后,生成其共轭碱F-;而H2O接受H+生成其共轭酸H3O+,即

HF(aq)         +       H2O(l)         ⇌       H3O+(aq)        +        F-(aq)
酸(1)                 碱(2)                  酸(2)                    碱(1)

    同样,NH3在水溶液中的解离反成也是质子转移反应,可表示为

H2O(l)         +       NH3(aq)         ⇌       NH+4(aq)        +        OH-(aq)
酸(1)                 碱(2)                  酸(2)                    碱(1)

    由上可见,在酸的解离反应中,H2O是质子的接受体,H2O是碱;在碱的解离反应中,H2O是质子的给于体,H2O又是酸。这种既能给出质子又能接受质子的物质被称为两性物质。水就是两性物质之一,这一点在水的自身解离反应中也可以看出

H2O(l)         +       H2O(l)         ⇌       H3O+(aq)        +        OH-(aq)
酸(1)                 碱(2)                  酸(2)                    碱(1)

    其他常见的两性物质还有HSO-4、H2PO-4、HPO2-4、HCO-3等。
    Arrhenius电离理论中的盐类水解反应实际上也是酸碱的质子转移反应。例如,NaAc的水解反应

Ac-(aq)         +       H2O(l)         ⇌       OH-(aq)        +        HAc(aq)
酸(1)                 碱(2)                  酸(2)                    碱(1)

    Ac-与H2O之间发生了质子转移反应,生成了HAc和OH-
    质子理论不仅适用于水溶液中的酸碱反应,同样适用于气相和非非水溶液中的酸碱反应。如:HCI与NH3的反应,无论在水中,还是在气相中或是有机溶剂中,其实质都是质子转移反应,最终生成成氯化铵。因此均可表示为

HCI        +      NH3        ⇌    NH+4      +     Cl-

酸(1)         碱(2)       酸(2)        碱(1)

    酸碱质子理论扩大了酸和碱的范畴,使人们加深了对酸碱的认识。但是,质质子理论也有局限性。它只限于质子的给予和接受,对于无质子参与的酸碱反应就无能为力了。
    例2-6  下列氧化物哪些在水中形成酸,哪些在水中形成碱,分别写出它们与水的反应方程式。

P4O6、Na2O、Mn2O7、Cl2O、B2O3、I2O5、SO2、Cl2O7、CO2、SO3

    解:在水中形成酸的有:

P4O6、Mn2O7、Cl2O、B2O3、I2O5、SO2、Cl2O7、CO2、SO3

    在水中形成碱的有:Na2O。

    它们与水反应的方程式如下:

P4O6+6H2O=4H3PO3      Na2O+H2O=2NaOH

Cl2O+H2O=2HClO      Mn2O7+H2O=2HMnO4

I2O5+H2O=2HIO3      B2O3+3H2O=2H3BO3

Cl2O7+H2O=2HClO4      SO2+H2O=H2SO3

SO3+H2O=H2SO4      CO2+H2O=H2CO3

    例2-7  根据酸碱质子理论,下列分子或离子,哪些是酸?哪些是碱?哪些既是酸又是碱?

HS-、CO2-3、H2PO-4、NH3、H2S、NO-2、HCl、CH3COO-、OH-、H2O

    解:根据酸碱质子理论:

    酸:H2S、HCl;

    碱:CO2-3、NO-2、CH3COO-、OH-
    既是酸又是碱:HS-、H2PO-4、NH3、H2O。


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