酸碱质子理论(
质子 theory of acids and bases),又称为布朗斯特-劳里理论(Brønsted-Lowry theory),是由
丹麦化学家约翰内斯·尼古劳斯·布朗斯特(Johannes Nicolaus Brønsted)、英国化学家托马斯·马丁·劳里(Thomas Martin Lowry)在1923年独立提出的
化学理论。
酸碱质子理论认为,凡是可以释放质子的化合物为酸,凡是能接受质子的化合物则为碱,其中质子是带有单位正电荷的核粒子,符号H+表示。酸碱质子理论指出,一种物质只有在碱存在的情况下才能发挥酸的作用;同样,一种物质只有在酸的存在下才能发挥碱的作用。此外,当酸性物质失去一个
质子时,它会形成一种碱,称为酸的共轭碱;当碱性物质获得一个质子时,它会形成一种酸,称为碱的共轭酸。
酸碱质子理论扩充酸碱范围,表明酸、碱化合物不仅包括中性分子(例如
硫酸、
硝酸、
冰醋和碱
氢氧化物),还包括某些带正电荷、负电荷的
原子和分子(
阳离子和
阴离子)。
概述
当一个分子或离子释放
氢离子,同时一定有另一个分子或离子接受氢离子,因此酸和碱会成对出现。酸碱质子理论可以用以下反应式说明:
酸+碱≒共轭碱+共轭酸
酸在失去一个氢离子后,变成共轭碱;而碱得到一个氢离子后,变成共轭酸。以上反应可能以正反应或逆反应的方式来进行,不过不论是正反应或逆反应,均维持以下的原则:酸将一个氢离子转移给碱。
在上式中,酸和其对应的共轭碱为一组
共轭酸碱对。而碱和其对应的共轭酸也是一组共轭酸碱对。在这里,酸和碱具有
同一性,互为存在条件,在一定条件下又朝着与自己相反的方向转化,这是符合唯物辩证法的。
概念
酸碱离子理论是阿累尼乌其斯(Arrhenius)根据他的
电离学说提出来的。他认为在水中能电离出
氢离子并且不产生其它
阳离子的物质叫酸。在水中能电离出
氢氧根并且不产生其它
阴离子的物质叫碱。酸碱
中和反应的实质是氢离子和氢氧根离子结合成水。这个理论取得了很大成功,但它的局限性也早就暴露出来,倒台。例如
气态氨与
氯化氢反应迅速生成
氯化铵,这个酸碱中和反应并未掺杂水的生成;又如氨的
水溶液显碱性,曾被错误地认为是NH3和H2O形成弱
电解质NH4OH分子,然后离解出OH-等。
由于
斯万特·阿累尼乌斯的酸碱离子理论不能解一些非水溶液中进行的酸碱反应等问题,1923年布朗斯特(Bronsted)提出了酸碱质子理论,把酸碱概念加以推广。酸碱
质子理论认为凡是能给出质子的物质都是酸,凡是能与质子结合的物质都是碱。即酸是质子的给予体,碱是质子的接受体。这样,一个酸给出质子后余下的部分自然就是碱,因为它本身就是与质子结合的。它们的关系如下:
这种关系叫做酸碱的共轭关系,式中略去了HB和B可能出现的电荷。右边的碱是左边酸的共轭碱,左边的酸是右边碱的共轭酸,两者组成一个
共轭酸碱对,它们只差一个质子。
酸和碱可以是分子,也可以是
阳离子和
阴离子。还可以看出,像(HPO4)2-这样的物质,既表现酸,也表现为碱,所以它是两性物质。同理,H2O,HCO3-等也是两性物质。
共轭酸碱
用KW表示[H3O+][OH-],KW称为水的离子积。这说明在一定温度下,水中的[H3O+]与[OH-]的乘积为一
常数。所以 Ka·Kb=KW
24℃时KW值为1.0×10-14.这个关系说明,只知道了酸的
离解常数Ka,就可以计算出它的共轭碱的Kb,反之亦然。Ka和Kb是成反比的,而Ka和Kb正是反映酸和碱的强度,所以,在
共轭酸碱对中,酸的强度愈大,其共轭碱的强度愈小;碱的强度愈大,其共轭酸的强度愈小。
一些共轭酸碱对的强度次序。
酸性增强共轭酸(HB)Ka(在水中)pKa(在水中)共轭碱(B)碱性增强
H3O+ H2O
草酸 5.4×10-2 1.27 HC2O-4
亚硫酸 1.54×10 1.81 HSO-3 HSO-4 1.20×10-2 1.92
二氧化硫4 H3PO4 7.51×10-3 2.12 H2PO-4 HNO2 4.6×10-4 3.37
二氧化氮 HF 3.53×10-4 3.45 F-
甲酸 1.77×10-4 3.75 HCOO- HC2O-4 5.4×10-5 4.27 C2O2-4 CH3COOH 1.76×10-5 4.75 CH3COO-
碳酸 4.30×10-7 6.37 HCO-3 HSO-3 1.02×10-7 6.91
二氧化硫3
硫化氢 9.1×10-8 7.04 HS- H2PO-4 6.23×10-8 7.21 HPO2-4 NH+4 5.68×10-10 9.25 NH3
氢氰酸 4.93×10-10 9.31 CH- HCO-3 5.61×1011 10.25 CO2-3
过氧化氢 2.4×10-12 11.62
超氧化氢 HS- 1.1×10-12 11.96 S2- HPO2-4 2.2×10-13 12.67 PO3-4 H2O OH-
根据酸碱质子理论,酸碱在溶液中所表现出来的强度,不仅与酸碱的本性有关,也与
溶剂的本性有关。我们所能测定的是酸碱在一定溶剂中表现出来的相对强度。同一种酸或碱,如果溶于不同的溶剂,它们所表现的相对强度就不同。例如HOAc在水中表现为
弱酸,但在
液氨中表现为
强酸,这是因为液氨夺取
质子的能力(即碱性)比水要强得多。这种现象进一步说明了酸碱强度的相对性。
酸碱反应
酸碱质子理论中的酸碱反应是酸碱之间的质子传递。
这个反应无论在
水溶液中、苯或气相中,它的实质都是一样的。HCL是酸,放出质子给NH3,然后转变成共轭碱CL-,NH3是碱,接受质子后转变成共轭酸NH4+。
强碱夺取了强酸放出的质子,转化为较弱的共轭酸和共轭碱。
酸碱质子理论不仅扩大了酸碱的范围,还可以把酸碱
离解作用、
中和反应、
水解反应等,都看作是质子传递的酸碱反应。
由此可见,酸碱
质子理论更好地解释了酸碱反应,摆脱了酸碱必须在水中才能发生反应的局限性,解决了一些非水
溶剂或气体间的酸碱反应,并把
水溶液中进行的某些
离子反应系统地归纳为质子传递的酸碱反应,加深了人们对酸碱和酸碱反应的认识。但是酸碱质子理论不能解释那些不交换质子而又具有酸碱性的物质,因此它还存在着一定的局限性。
酸碱理论
布朗斯特(Brönsted)和劳莱(Lowry)在1923年提出的质子理论认为,凡是给出质子(H+)的任何物质(分子或离子)都是酸;凡是接受
质子(H+)的任何物质都是碱。简单地说,酸是质子的给予体,而碱是质子的接受体。酸和碱之间的关系表示如下:
酸质子(H+)+碱
按照酸碱质子理论,属于酸的有:HCL、HAC、NH4-、[AL(H2O)6]、H2PO4-、HPO42-等。属于碱的有:NH3、[AL(H2O)5OH]2+、CL-、AC-、HPO42-、PO43-等。同时还可以看出,酸和碱是统一在对质子的关系上:酸放出质子后变成了碱,而碱接受质子后就变成了酸。为了表示它们之间的联系,常把酸碱之间的这种关系叫做
共轭酸碱对。酸放出
质子后形成的碱,叫做该酸的共轭碱;碱接受质子后形成的酸,叫做该碱的共轭酸。我们把相差一个质子的对应酸碱,叫做共轭酸碱。
根据酸碱的质子理论,容易放出质子(H+)的物质是
强酸,而该物质放出质子后形成的碱就不容易同质子结合,因而是弱的碱。换言之,酸越强,它的共轭碱就越弱;反之,碱越强,它的共轭酸就越弱。
酸碱质子理论扩大了酸碱的含义及酸碱反应的范围,摆脱了酸碱必须发生在水中的局限性,解决了非
水溶液或气体间的酸碱反应,并把在水溶液中进行的
离解、中和、
水解等类反应概况为一类反应,即质子传递式的酸碱反应。但是,该理论也有它的缺点,例如,对不含氢的一类化合物的酸碱性问题,却无能为力。