酸(acid)
化学上是指在
水溶液中
电离时产生的阳离子都是氢离子的化合物。
酸碱质子理论认为:能释放出质子的物质总称为酸。
路易斯酸碱理论认为能接受
电子对的物质都是路易斯酸。酸根据不同的分类依据可分为
含氧酸、
氢酸、
一元酸、
二元酸、
多元酸,
强酸和
弱酸等。酸具有一些共通的性质,比如有酸味、可使
酸碱指示剂显色、可与金属
氧化物反应、可与活泼金属反应、可与碱反应等。酸广泛应用用于食品、医药、印染、皮革、冶金等工业中,如食品的酸味剂和调味剂、工业的原料,金属件酸洗剂,
酸催化剂等。
强酸腐蚀性强,如
硝酸,可腐蚀皮肤和黏膜,弱酸腐蚀性弱,如
食用醋酸,仅对皮肤有一定的刺痛和灼烧作用。酸能造成环境污染,大气中的酸性物质主要是酸,可随
降水而形成
酸雨,进而污染土壤和水体引起土壤与水体的酸化,影响动植物的生长与发育。
历史回顾
人类对酸的认识经历了一个由浅人深,由低级到高级的认识过程。初期,人类根据味道和感觉判定酸——有酸味的是酸。史前时代,人类就发现道某些液体(例如牛奶)搁置久了会变酸。
中世纪,化学家发现带酸味的醋可以侵蚀许多金属;大约在1300年前后,人类发现了一些新的比醋反应更强烈的同类化学物质,并将这类物质叫做acid(酸)。1663年,
罗伯特·波义耳(R-Boyle)对酸的通性进行了具体的描述。1776年,亨利·卡文迪许(H.Carvendish)对酸的通性进行了补充。1777年,
安托万-洛朗·德·拉瓦锡(A.L.Lavoisier)企图从酸的组成来解释酸性的现象,提出——所有的酸都含有
氧气,这一理论持续了近七十年后被推翻;1810年,戴维(Davy)证明
盐酸只含有氢和氯。1838年,利比希(J.V.Liebig)将酸的定义为——
氢可以被金属置换的含氢化合物。这一理论持续了近五十年后又被水-离子论代替。1884年,
瑞典化学家
斯万特·阿累尼乌斯(S.Arrhenius)提出
电离理论,从电离的角度定义了酸。1923年,布朗斯特(Bronsted)和劳瑞(Lowry)用
质子定义了酸,在同年
吉尔伯特·路易士(Lewis)又提出
电子学说,从
电子对的角度定义了
路易斯酸。
定义
阿伦尼乌斯(S.Arrhenius)理论
阿伦尼乌斯把在水中能电离出
氢离子的化合物叫做酸,例如,
水溶液中的
盐酸分子电离出了氢离子,所以它是一种酸。在水溶液中氢离子并不单独存在,而是与水分子结合形成水合离子,即。阿伦尼乌斯理论的缺点在于把酸局限在以水为
溶剂的体系中,局限性大。
布朗斯特(Bronsted)—劳瑞(Lowry)理论
这个理论把酸的体系范围扩大到包括所有的含
质子溶剂,用
氢离子或质子来给酸碱下定义,把酸定义为质子给予体,把碱定义为质子接受体。例如,
盐酸分子给出了质子,所以它是一种酸,每个酸都有一个共轭碱,Cl-是盐酸的共轭碱;H2O接受了质子,所以H2O是一种碱,H3O+是H2O的共轭酸。如果一种
溶质给出质子的性质超过了
溶剂给出质子的性质,则该溶质仅显酸性,以水为溶剂的
无机酸都比水有更强的给出质子的倾向。
路易斯(Lewis)理论
路易斯又进一步扩大了酸的体系范围,不依赖于是否有
质子存在也不涉及与溶剂的反应,把酸定义为能接受
电子对的物质,由他的理论定义的酸被称为“
路易斯酸”。例如,
盐酸分子从水分子中接受一对孤电子对,所以盐酸是一种路易斯酸。这个理论更具有概括性,但会导致一些矛盾,比如:许多在正常情况下不认为是酸的物质却都是路易斯酸、几乎所有的反应都成为了酸碱反应。
分类及命名
分类
酸可以根据酸中是否含氧,可以将酸分为
含氧酸和
氢酸。酸可以根据分子中能够被金属置换出来的氢原子的个数,可以分为
一元酸、
二元酸和
三元酸。如HNO₃为一元酸,H₂SO₄为二元酸,H₃PO₄则为三元酸,二元酸以上的酸被叫做
多元酸。
酸还可以根据在水中
电离出H⁺的浓度大小,可以分为
强酸和
弱酸,强酸生成的
氢离子多,弱酸生成的氢离子少。如HNO₃、H₂SO₄、HCl是强酸,而磷酸(H₃PO₄)、
碳酸(H₂CO₃)、
食用醋酸(CH₃COOH)、
草酸(H₂C₂O₄)和
DL-乳酸(C3H6O3)都属于弱酸。
命名
含氧酸的命名
含氧酸除了含有氧、氢两种元素,还有第三种元素,这些酸就用第三种元素的名称来命名,如H₂SO₄叫
硫酸,H₃PO₄叫磷酸。如果成酸元素有变
化合价,则按成酸元素化合价高低来命名,把较稳定的常见化合价的酸叫某酸(正酸),比正酸少一个氧原子(第二价)的酸叫亚某酸,比亚某酸还少一个氧原子的酸叫次某酸,如HCIO₃叫
氯酸,HClO₂叫
亚氯酸,次氯酸叫
次氯酸。含氧酸是酸性化合物的
水合物,如H₂SO₄是SO₃溶于水生成的。
无氧酸的命名
无氧酸一般由氢和另外一种元素组成,它的命名时在氢字后面加上另一元素的名称,叫氢某酸,如HF叫
氢氟酸,HCl叫
盐酸(俗称盐酸)。无氧酸一般是非金属
氧化物的
水溶液,如HF的水溶液叫氢酸,H₂S的水溶液叫
硫化氢。
人体内的酸
人体内的酸可分为两类,
挥发性酸和非挥发性的酸,主要是糖、脂肪、
蛋白质等的分解代谢产物。
挥发性酸——碳酸
碳酸是体内产生的主要酸性物质,人体内糖、
脂类、蛋白质完全氧化后生成CO2与H2O,在
碳酸酐酶作用下结合成碳酸,碳酸随
血液循环运至肺部后又可以分解成CO2,并呼出体外,故碳酸称为挥发性酸。成人每日经代谢产生的CO2为300~400L,相当于13~18
摩尔的碳酸。
非挥发性酸——固定酸
固定酸泛指人体内不能变成CO2呼出的酸。正常人每日代谢产生的固定酸相当于0.05-0.1mol/L的H+。体内固定酸的主要来源于富含糖、脂、
蛋白质的食物进入体内后分解代谢产生的
丙酮酸、
DL-乳酸、
硫酸、磷酸、β-羟
丁酸和
乙酰乙酸、尿酸等。还有小部分固定酸来自
消化道吸收的食物中的酸性物质和服用的酸性药物中的酸,如
食用醋酸、
柠檬酸、
氯化铵、
水杨酸、阿司匹林等。
酸的通性
水溶液
酸的水溶液具有酸味。酸味是由酸类物质离解出来的
质子(H+)与
味觉感受器结合所引起的刺激。酸的酸味与环境条件、酸
电离出的H+浓度、
阴离子种类等关。
有机酸的相对酸度较大,而
二元酸的相对酸度随链长度的增加而增加。
酸碱指示剂反应
酸溶液遇蓝色
石蕊试纸显现出红色,酸溶液不能使
phenolphthalein变色。酸碱指示剂存在
离解平衡:
,当
指示剂遇到酸溶液时,指示剂的解离平衡移动,从而引起指示剂颜色的变化。
常见的酸碱指示剂还有
百里酚蓝(酸性溶液中呈红色或黄色)、
甲基橙(酸性溶液中呈红色或
橙色)、
溴酚蓝(酸性溶液中呈黄色或蓝色)、
甲基红(酸性溶液中呈红色或黄色)、溴百里酚蓝等(酸性溶液中呈黄色)。
与金属氧化物反应
酸可以和金属氧化物反应生成盐和水,反应如下所示:
中和反应
酸可以和碱发生中和反应生成盐和水,反应如下所示:
这个反应是
酸碱中和滴定的基础。酸碱中和滴定依据
酸碱指示剂在不同
氢离子(H+)浓度的溶液中会改变颜色的特性来确定溶液的pH,依据反应所使用的用已知浓度的酸(或碱)的量来计算得到未知浓度的碱(或酸)浓度。
与盐反应
酸可以和盐发生
复分解反应生成新酸和新盐,反应如下所示:
与活泼金属反应
酸可以和较活泼金属反应生成盐和
氢气,反应如下所示:
酸能否和金属反应生成氢气,可以参看金属活动顺序,排在氢前面的金属都能从酸中置换出氢气(
硝酸和
硫酸除外),排在氢后面的金属则不能从酸中置换除氢气。金属活动顺序为:K、Na、Ga、Mg、Al、Zn、Fe、Sn、Pb、(H)、Cu、Hg、Ag、Pt、Au,金属活动顺序从左至右逐渐减弱。
解离与平衡
酸可在
水溶液中
电离出
氢离子。
强酸一般在水溶液中几乎能全部解离为离子,
弱酸是弱
电解质,弱电解质在水溶液中只有一部分解离,而解离出的离子又互相吸引,重新结合再生成弱电解质,即弱电解质的电离是可逆的。当温度一定时,未解离的弱电解质分子与已解离的离子之间存在着解离平衡。当解离的
速率与重新结合的速率
相等时就达到了解离平衡。
一元弱酸的解离
一元弱酸(用HB表示)在水溶液中存在解离平衡
方程为:
酸解离平衡常数
在一定温度下,达到解离平衡时,存在解离平衡常数Ka,Ka计算方式为:
其中,、、分别为溶液达到解离平衡时的H3O+、B-、HB浓度。有时也可用pKa来表示解离平衡常数,其计算方式为:
多元酸的解离
与一元酸的解离不同,多元酸的
电离在水中是分步进行的。如磷酸H₃PO₄在水中的电离是分三步进行的:
对
多元酸的解离
平衡常数的计算则是按照
一元酸的计算方式对每一步的解离过程分别进行计算后再累计相乘。
酸的强度
酸的强度是指酸给出
质子的能力;Ka与pKa的数值大小可以
表征水溶液中酸强度的大小,Ka的数值越大或pKa的数值越小,则酸性越强。Ka的大小与酸的本性、温度有关,而与浓度的大小无关。部分酸的强度排序:H2SO4>HBr>HCl>HNO3>
甲酸>H2CO3>
氢氰酸。
应用领域
食品行业
菠萝、
绿柠檬等水果中所含的
柠檬酸,酸奶中所含的
DL-乳酸,属于
有机酸。柠檬酸是一种酸性较强的有机酸,主要用于食品、饮料等的酸味剂和调味剂;食用醋中含有3%~6%的
食用醋酸,它是酸味及刺激性气味的来源,还是重要的有机化工原料。
雪碧、
可乐等饮料中含有的碳酸属于
无机酸。碳酸是
二氧化碳溶于水而生成的
弱酸,性质不稳定,易分解出二氧化碳气体。
碳酸饮料易腐蚀损坏牙齿,幼儿大量饮用碳酸饮料易发生
龋病、
骨折,故碳酸类饮料不宜长时间大量饮用。
工业
酸的工业应用范围广,如
盐酸是重要的无机
化工原料,广泛用于医药、印染、皮革、冶金等工业中。盐酸能用于制造
氯化锌等
氯化物,也可用于从
矿石中提取镭、钒、钨、锰等金属,制成氯化物。盐酸可以用于
水解淀粉来制作葡萄糖,并且可以用于制造盐酸奎宁。
硫酸是一种重要的化工原料,用途广泛,它被大量用于生产农业上的化肥(如
硫酸铵、
过磷酸钙)和农药(如1650、1059)等。
酸可用于工业金属件生产过程中的
酸洗,酸洗可以去除生产过程中金属表面氧化造成的残留物,显著延长了产品的生命周期并提高了其服役性能。例如,
盐酸酸洗金属镀件,除去镀件表面的氧化层(或铁锈等)后进行
电镀,从而获得结合牢固的金属镀层。酸洗也用于对铜、银、金等合金材质珠宝的清洁。
酸可用作
催化剂,
酸催化剂的存在有利于反应的中间态(
碳正离子)的形成。化工工业中烃类的裂化、
烯烃的异构化、
芳香烃和烯烃的基化、烯烃的缩聚、醇的
催化脱水等反应通常都需要用到酸催化剂。例如:
DCP的化工生产,以
过氧化氢异丙苯为原料,过氧化氢异丙苯下与
亚硫酸钠进行还原反应生成
苯甲醇,以
高氯酸为催化剂,
苯甲醇在高氯酸催化剂作用下进行縮合反应生成DCP。
聚乙烯醇缩甲乙醛的化工生产,以聚乙烯醇为原料在
盐酸的催化作用下与与甲醛、乙醛进行
缩合反应生成聚乙烯醇缩甲乙醛。
安全事宜
健康危害
强酸的腐蚀性很强,使用时要注意安全。如
硫酸遇水会放出大量的热,如将水倒在
浓硫酸里,放出的热会使硫酸溅到四处,造成意外损失。因此稀释硫酸,只能将硫酸慢慢倒入水中。若将硫酸不慎滴在衣服或皮肤上,应立即用大量清水或
碳酸氢钠溶液冲洗。
急救措施
强酸如硫酸、
硝酸、盐酸等
无机酸不慎与与皮肤接触,迅速脱去或剪去污染的衣物,创面立即用毛巾干,再用大量流水冲洗20~30分钟,有条件还可在冲洗后以浓度为5%的碳酸氢钠液湿敷,再用流水冲洗,外涂浓度为1%的
磺胺嘧啶银冷霜。如不慎吞入,立即口服牛奶或蛋清、豆浆、食用植物油,严禁口服碳酸氢钠,严禁催吐或
洗胃。如不慎入眼,立即用大量流水冲洗。进行上述处理后立即送医。
弱酸如
碳酸、
硫化氢、
氢氰酸等,造成烧伤时,立即用大量流动清水彻底冲洗伤口。
防护措施
作业前应穿戴耐腐蚀的防护用品,对易散发有毒蒸气或
烟雾的
腐蚀性物质,必须通风作业,并使用防毒面具。
贮存与运输
包装应选择耐腐蚀的包装物或容器,按所装酸的性质、状态采用气密封口、液密封口或严密封口,防止泄漏、
潮解或撒漏。强酸碱必须设置专门的库房存放,不得与其他物品混合入库。存放酸的库房要有良好的通风设备,保持干燥、低温状态,保持通风,注意防潮,库温一般不超过32℃,
相对湿度在80%以下。严格出入库手续,避免事故发生。。装车前、卸车后必须清扫车辆;不得留有稻草、木屑、煤炭、油蜡、纸屑、碎布等
可燃物。货物堆码必须平稳牢固,严禁肩扛、背负、撞击、拖拉、翻滚。
消防
着火时,可用雾状水或干砂、泡沫、干粉等扑救,不可用
柱状水,以防酸液飞溅伤人;对遇水能剧烈反应及引起燃烧、爆炸或放出
有毒气体的酸,如
硫酸(浓),遇水放热,禁用水灭火,可用干砂、泡沫、
石粉扑救。
泄露处理
发现少量酸液撒漏应及时撒上干
松软土,清除干净后,再用水冲洗污染处;大量酸液溢漏时,可用
氢氧化钙中和。
环境污染
大气中的酸性物质(主要是H2SO4、HNO4及其
前体物SO2、NO2等)通过
降水(包括雨、雪、霜、雹、雾、露等形式)或在
气流作用下直接迁移到地表造成污染,大气中的污染物二氧化硫经过氧化形成硫酸,随自然界的降水而形成
酸雨。硫酸雨能使大片森林和农作物毁坏,纸品、纺织品、皮革制品等腐蚀破碎,金属的防锈涂料变质而降低保护作用,还能腐蚀、污染建筑物等。
当大气中的酸性物质
沉降到土壤环境中后,就会引起
土壤酸化、使土壤营养状况发生变化,从而引起土壤环境改变,影响到植物的正常生长发育。当大气中的酸性物质沉降到水体中后又会引起水体酸化,沉降方式为直接降入湖水或降入河水后再流入湖水;也可落到
植被上,雨水冲刷形成径流,注入江河湖泊;也可渗入土壤,而后进入
地下水。水体酸化会改变微生物的组成和代谢活性,使生物
分解作用减弱,直接影响系统中
碳循环和营养盐的再循环;影响
藻类、水生
维管植物、
浮游动物、
软体动物门、鱼和
两栖动物的生长与发育。
常见的酸
盐酸(HCl)
盐酸是一种
氢酸,
学名氢氯酸,俗称
工业盐酸,它是HCI气体的
水溶液,浓盐酸具有很强的
挥发性和强烈的刺激性,有酸味(人体的
胃酸主要是盐酸),它还有毒性和腐蚀性,是重要的无机
化工原料,广泛用于医药、食品、印染、皮革、冶金等行业。
硫酸(H₂SO₄)
硫酸是
含氧酸,俗称硫
镪水,也是
二元酸,是SO₃和水反应形成的,纯硫酸是无色油状液体,具有很强的氧化性,
吸水性、强腐蚀性和脱水性,能灼伤皮肤、衣物等,如不慎接触衣物或皮肤,应立即用大量的水冲洗,再用稀
碳酸钠溶液冲洗。硫酸是一种难挥发的稳定酸,易溶于水,能以任意比与水
混溶,其
水溶液呈强酸性
硝酸(HNO3)
硝酸是
强酸,又称硝镪水、镪水、
氨氮水。纯硝酸为无色透明液体,浓硝酸为淡黄色液体,浓硝酸含量达68%左右时易挥发,在空气中产生白雾,一般认为浓硝酸与稀硝酸之间的界线是6mol/L。硝酸有窒息性刺激气味,能与水混溶形成
共沸混合物,具有腐蚀性,对皮肤和黏膜有强刺激和腐蚀作用。硝酸可用于制造化肥、炸药、
草酸,也可用作
有机合成原料。
醋酸(CH₃COOH)
醋酸是一元
有机酸,
学名冰醋,纯醋酸为无色液体,在16℃以下
凝结成结晶,又名
乙酸。醋酸有强烈刺鼻的酸味、易燃烧、
挥发性和腐蚀性,对皮肤会有刺痛和灼烧作用,可以与水任意比列混合,其溶液呈弱酸性。
磷酸(H3PO4)
磷酸是
无机酸,常温下为无色结晶,无臭,有酸味,42.2℃以上转为液态,液态磷酸为清澈的
果露状液体,基本无味,可溶于水。磷酸有腐蚀性,不燃,但能与空气形成爆炸性
混合物;对皮肤会有刺激性和灼烧作用,如不慎接触衣物或皮肤,应立即用大量的水冲洗后送医。