一类化合物
酸(acid)化学上是指在水溶液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——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
酸可在水溶液电离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:
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。
参考资料
目录
概述
历史回顾
定义
阿伦尼乌斯(S.Arrhenius)理论
布朗斯特(Bronsted)—劳瑞(Lowry)理论
路易斯(Lewis)理论
分类及命名
分类
命名
含氧酸的命名
无氧酸的命名
人体内的酸
挥发性酸——碳酸
非挥发性酸——固定酸
酸的通性
水溶液
酸碱指示剂反应
与金属氧化物反应
中和反应
与盐反应
与活泼金属反应
解离与平衡
一元弱酸的解离
酸解离平衡常数
多元酸的解离
酸的强度
应用领域
食品行业
工业
安全事宜
健康危害
急救措施
防护措施
贮存与运输
消防
泄露处理
环境污染
常见的酸
盐酸(HCl)
硫酸(H₂SO₄)
硝酸(HNO3)
醋酸(CH₃COOH)
磷酸(H3PO4)
参考资料