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酸碱理论的发展是化学史上很重要的一件事,大约从17世纪到20世纪经历了三百年的时间才逐步形成如今的理论体系。酸碱理论对于人们认识物质的组成、结构、性质和反应等具有指导意义。普及度较高的理论是酸碱电离理论,无机化学领域使用较多的是质子酸碱理论,有机化学领域使用较多的是路易斯酸碱理论。
1.古典理论
大约17世纪末,英国化学家波义耳(Boyel)根据实验现象提出了古典的酸碱理论:
具有酸味、能使石蕊变红、能与碱反应失去原有性质的物质,称为酸
具有苦涩味、能使石蕊变蓝、能与酸反应失去原有性质的物质,称为碱
波义耳提出的酸碱理论是基于感官认识的,对酸碱并没有一个科学性的认识。
波义耳在研究酸碱的过程中发现酸或碱能使植物的花瓣变色,从而发现了酸碱指示剂,这也是化学史上他的一个贡献。
2.电离理论
1887年,阿伦尼乌斯(Arrhenius)提出酸碱的电离理论:
凡是水溶液中电离出的阳离子仅有H⁺的物质,称为酸
凡是水溶液中的电离出的阴离子仅有OH⁻的物质,称为碱
该理论从物质的组成角度给出了酸碱的本质,揭示了酸碱反应的实质是酸电离出的H⁺与碱电离出的OH⁻结合生成H₂O,而各自留下的阴阳离子组成了盐。
这个理论对化学的发展具有很大的作用,但是该理论是一个狭义的酸碱理论,根据该理论,NH₃、Na₂CO₃、吡啶等不属于碱,因为不能电离出OH⁻,但是它们又都具有碱性,能中和酸,因此属于酸或碱的物质种类有必要进一步扩大。
3.质子酸碱理论
1923年,Bronsted和Lowry提出了质子酸碱理论,该理论认为:
凡是能给出质子(H⁺)的物种,称为酸
凡是能接受质子(H⁺)的物种,称为碱
在该理论下,酸给出H⁺后便变成了碱,碱获得H⁺后便变成了酸,酸与碱之间的这种关系称为共轭关系,具有共轭关系的酸和碱称为共轭酸碱对,用式子可以表示为:酸=H⁺+碱,例如HCl=H⁺+Cl⁻,HCl是酸,Cl⁻是它的共轭碱,HCl和Cl⁻是一共轭酸碱对。
像H₂O、HCO₃⁻、H₂PO₄²⁻等既可以给出质子,也可以接受质子,称为两性物质。
给出质子:H₂O-H⁺=OH⁻
接受质子:H₂O+H⁺=H₃O⁺
质子酸碱理论下的酸与Arrhenius酸碱理论下的酸范围基本一致,但碱的范围变大了,不再局限为OH⁻,而是所有可以接受质子的物质都属于碱,并且盐的概念消除了,酸碱反应的实质变为了质子的转移:
HCl+H₂O=Cl⁻+H₃O⁺
HCl+NH₃=Cl⁻+NH₄⁺
H₃O⁺+NH₃=H₂O+NH₄⁺(逆反应为NH₄⁺的水解)
4.路易斯酸碱理论
1923年,在质子酸碱理论提出的同年,美国化学家路易斯(Lewis)提出了另一种酸碱理论:
凡是能接受电子对的物种,称为酸
凡是能接受电子对的物种,称为碱
Lewis酸碱反应的实质是碱提供电子对与酸配位的过程:
R-Cl+R₃N→R₄N⁺+Cl⁻(氯代烷+胺→氯化季铵盐,烷基正离子作为Lewis酸,胺作为Lewis碱)
质子碱要接受质子必定需要具备孤电子对,因此Lewis碱与质子碱的范围大致重合,但是质子酸中能接受电子对的微粒限定为H⁺,而Lewis酸的范围要比质子酸大得多,所有因失去电子而腾出空轨道的阳离子比如Fe³⁺、Zn²⁺等,以及一些具有空轨道的中性分子都比如AlCl₃、BF₃等都属于Lewis酸。
5.软硬酸碱理论
质子酸碱的强弱是通过得失质子的能力判定的,而Lewis酸碱的强弱不太容易判定,因此在20世纪60年代,在Lewis酸碱理论的基础上提出了软硬酸碱理论,根据得失电子对的能力将Lewis酸碱分为软酸、硬酸、软碱、硬碱,“软硬”形象地说明了物种电子云的变形性。
软酸的特征:正电荷数低、亲电原子的半径大、电负性低、极化度高,比如过渡金属离子Ag⁺、Cu⁺等
硬酸的特征:正电荷数高、亲电原子的半径小、电负性高、极化度小、比如H⁺、碱金属和碱土金属离子、Al³⁺、Fe³⁺等
软碱的特征:亲核原子的电负性低、约束电子能力弱、极化度高、易被氧化,比如S²⁻、I⁻、CN⁻等
硬碱的特征:亲核原子的电负性强、约束电子能力强、极化度低、难被氧化,比如OH⁻、F⁻、Cl⁻、NH₃等
该理论提供了Lewis酸碱反应的优先原则:软亲软、硬亲硬,即软酸优先与软碱结合,硬酸优先与硬碱结合,例如Ag⁺是软酸,S²⁻是软碱,二者的结合速率比较快且产物稳定性高,不易解离。
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