酸
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酸碱化学 |
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酸 |
碱 |
酸(英語:acid有时用“HA”表示)。阿瑞尼斯酸的定义是当溶解在水中时,溶液中氢离子的浓度大于纯水中氢离子浓度的化合物。换句话说,酸性溶液的pH值小于水的pH值(25℃时为水的pH值是7)。酸一般呈酸味,但是品尝酸(尤其是高浓度的酸)是非常危险的。酸可以和碱发生中和作用,生成水和盐。酸可分为无机酸和有机酸两种。
酸的定义
酸在化学中主要有以下三种定义:
- 阿瑞尼斯酸。指的是溶解于水时释放出的阳离子全部是氢离子(H+)的化合物。
- 布仑斯惕-劳里(Brønsted-Lowry)酸。这种定义认为能提供质子的粒子是酸,能接受质子的粒子是碱。参看酸碱质子论。它比阿伦尼乌斯的定义要广泛,因为这种定义下的酸包含了不溶于水的物质。
- 路易斯酸。酸被定义为电子的接受者,这是范围最广泛的定义,因为路易斯酸碱不需要氢或氧的存在。参看酸碱电子论。
酸的性质
- 其他指示劑:
- 所有酸的水溶液都能夠導電,這是由於氫離子及酸根離子的存在,它們可以在電極之間作電荷交換,從而導電。因此酸也是一種電解質。
- 和活泼金屬單質反應:
- H2SO4 + Ca → H2↑ + CaSO4
- H2SO4 + Mg → H2↑ + MgSO4
- H2SO4 + Fe → H2↑ + FeSO4
- H2SO4 + Zn → H2↑ + ZnSO4
- 2HCl + Ca → H2↑ + CaCl2
- 2HCl + Mg → H2↑ + MgCl2
- 2HCl + Fe → H2↑ + FeCl2
- 2HCl + Zn → H2↑ + ZnCl2
- 稀酸不會和銅、汞、銀、鉑、金等金屬反應。稀硝酸和金屬的反應比較特別,它會和金屬產生氧化還原反應,生成一氧化氮NO(無色氣體)而不會產生氫氣(極稀的硝酸會和金屬緩慢反應產生少量的氫氣这点至今仍未被证实)。因此在工業中很少用硝酸直接與金屬接觸製備硝酸鹽,多利用置換反應製造。
- 要注意的是金屬單質鉛Pb和稀酸(特別是硫酸H2SO4和鹽酸HCl)的反應中,基於鉛的活性较低,起初反應速度十分緩慢,而這反應還會在很短時間內停止。因為氯化鉛PbCl2和硫酸鉛PbSO4也是不水溶性的固體,它會覆蓋在金屬鉛表面形成保護膜阻止了金屬鉛與酸反應,而令該反應逐漸停止。
- 鉀K和鈉Na由於太過活躍,會和水產生危險的爆炸性反應,因此工業上不會利用此方法製備鉀鹽和鈉鹽。
- 鋁雖然也是十分活躍,但它一暴露在空氣中就會與空氣中的氧氣生成緻密氧化物保護膜,也會阻止了之後酸和金屬鋁的接觸反應,所以金屬鋁不在此列。鋁能夠與稀的強酸(如稀鹽酸,稀硫酸等)進行反應,生成氫氣和相應的鋁鹽。在常溫下,鋁在濃硝酸和濃硫酸中被鈍化,不與它們反應,所以濃硝酸是用鋁罐(可維持約180小時)運輸的。
- 和金属氧化物发生反应,生成鹽和水
- 碳酸盐 +稀酸→盐 +二氧化碳 +水
- 和碳酸氫鹽反應生成鹽、二氧化碳和水
- 碳酸氢盐 +稀酸→盐 +二氧化碳 +水
- 和鹽反應(产生複分解反應)
食物中的酸
所有存在于天然食物中的有机酸都是弱酸。
酸性與氫離子的關係
所有酸在水溶液中,在特定条件下,可以产生可供化学反应的(水合)氢离子H3O+,从而表达出酸性。这包括两类情形:
- 常见的易溶酸如H3PO4,在溶液中电离产生H3O+:
- H3PO4 + H2O → H3O+ + H2PO4−
难溶酸如H4SiO4,其溶于水的分子亦可电离产生H3O+:
- H4SiO4 + H2O → H3O+ + H3SiO4−
电离产生的H3O+可与碱发生化学反应。当酸充分强时,电离产生的H3O+浓度大,可与活泼金属反应产生氢气,或与特定的盐发生复分解反应。
- 某些酸如H3BO3,Al(OH)3,溶于水的分子本身不能电离产生H+。它们作为路易斯酸体现酸性,即,与水电离产生的OH-结合,释放水电离产生的H3O+参与反应,从而表达出酸性:
- H3BO3 + 2H2O → H3O+ + B(OH)4−
- Al(OH)3 + 2H2O → H3O+ + Al(OH)4−
纯水电离产生的H3O+与OH-浓度相同。酸性物质溶于水的分子将以上述两类方式之一造成H3O+浓度上升,超过OH-浓度。酸溶液的H3O+离子浓度愈高,其酸度就愈高。
依电离氢离子数目分类
- HCl → H+ + Cl −
- HNO3 → H+ + NO3−
- HNO2 → H+ + NO2−
- H2SO4 → 2H+ + SO42−
- H2SO3 → 2H+ + SO32−
- H2CO3 → 2H+ + CO32−
- H3PO4 → 3H+ + PO43−
- H8C6O7 → 3H+ + H5C6O73−
除一元酸以外的酸都稱為二元酸或多元酸。
濃酸的危險性
- 濃酸常有強烈腐蝕性,有些还伴有其他特性,如具有强氧化性和脱水能力的濃硫酸,能對人體造成嚴重的化學燒傷。
- 濃酸的特性:
- 濃氫氯酸含35%氯化氫分子,濃度約為11M,是無色液體,具高度揮發性和腐蝕性。
- 濃硝酸含70%HNO3分子,濃度約為16M,是無色液體(但很多時候因有分解反應令濃硝酸溶有紅棕色的二氧化氮),具高度揮發性,易分解出有毒的二氧化氮氣體,硝酸有極強氧化性,因此造成極強腐蝕性。自我分解反應如下:4 HNO3 → 2 H2O + 4 NO2 + O2
- 濃硫酸含98%硫酸分子,濃度約為18M,是無色油狀液體,不具揮發性,但具極強的腐蝕性、氧化性和脫水性。
處理濃酸要注意的地方
- 濃酸應安放在通風櫃中。
- 人手處理濃酸時要戴防護手套和安全眼鏡。
- 稀釋濃酸時,是要慢慢地把濃酸加入攪動中大量水中而不能相反,否則可引致沸騰(突沸),水連同強酸濺出可引致極大的危險。
- 若被強酸濺到人體,应立即用大量流动的清水沖洗傷口至少10至15分钟,再用小苏打(NaHCO3)溶液冲洗,严重则要立即送醫治理。
常見的無機酸
強酸
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強酸是指在水溶液中完全電離的酸(硫酸這類多元酸不在此限),或以酸度系數的概念理解,則指pKa值< −1.74的酸。這個值可以理解為在標準狀況下,氫離子的濃度等同於加入強酸後的溶液濃度。
大部分強酸均是腐蝕性的,但當中亦有例外。例如超強酸當中的碳硼烷酸(H(CHB11Cl11)),其酸性比硫酸高百萬倍,但卻完全不帶有腐蝕性[1];相反,弱酸當中的氫氟酸(HF)卻帶有高度腐蝕性。它能夠溶解極大部分的金屬氧化物,諸如玻璃及除了銥以外的所有金屬[2]。
- HA(aq) + H2O(l) → H3O+(aq) + A−(aq)
一般酸不會在水中完全離解,因此多以化學平衡而不是完全反應的形式表示,弱酸就是指不完全離解的酸。用酸度系數作為區別強酸與弱酸的作用並不明顯(因為數值差距較難理解及不明顯),因此用方程式去區別兩者更為合理。
由於強酸在水溶液中完全離解,因此氫離子在水中的濃度等同於將該酸帶到其他的溶液當中:
- [HA] = [H+] = [A−];pH = −log[H+]
酸性強度的判別
除了透過計算pH值來衡量不同酸的強度外,透過觀察以下的性質也可以判別出不同類別的酸的強度:
- 電負性:在同一元素周期下其共軛鹼的負電性愈高,它的酸度就愈高。
- 原子半徑:原子半徑增加,其酸度也會增加。以氫氯酸及氫碘酸為例,兩者均是強酸,在水中均會電離出100%的相應離子。但是氫碘酸的酸度比氫氯酸要強,這是因為碘的原子半徑遠大於氯的原子半徑。帶有負電荷的碘陰離子擁有較離散的電子雲,因此與質子(H+)的吸力較弱,因此,氫碘酸電離(去質子化)的速度更快(二者酸性的差別可在酸性更強的溶劑,如乙酸中測出,因為在乙酸中二者均只能部分電離而可體現出差別)。
- 電荷:電離後的物質愈帶有正電荷,就愈高酸度。因此中性離子較陰離子容易放出質子,陽離子也比起其他分子均具有更高酸度。
酸度
酸度,一种新的酸碱度定义,可以取代过去一直沿用的pH表示酸碱度。此一定义首先由荷兰化学家亨克·凡·魯貝克(Henk van Lubeck)在美国《化学教育杂志》上提出[3]。
- 定义
- 优势
与pH相比,它有如下3个明显的优势:
- 酸度的数值越大说明溶液酸性越强,符合物理定义的语言习惯。
- 取对数的是无量纲的比值,对数函数返回值同样无量纲,这符合对数函数的特点。
- 不管在任何温度下,中性的溶液AG永远是0。与此不同的是,习惯上认定25摄氏度的中性溶液pH=7,其他温度下中性溶液的pH都不是7。
此外,AG的值域是R,而传统上pH的值域是0~14。
常見強酸
(從強到弱)
- 高氯酸HClO4
- 氫碘酸HI
- 氫溴酸HBr
- 氫氯酸HCl
- 硫酸H2SO4(Ka1/只限於第一酸度係數)
- 硝酸HNO3
- 水合氫離子H3O+或H+。為方便起見,通常會以H+取代H3O+。但要注意的是,單獨而孤立的質子在帶有極性的水中不可能存在,而是常與水分子的其中一對孤偶電子對結合。這使在水合氫離子中的氧的形式電荷為+1。
- 一些化學家將氯酸(HClO3),溴酸(HBrO3),高溴酸(HBrO4),碘酸(HIO3),和高碘酸(HIO4)也列為強酸,但是沒有被公認。
超強酸
超強酸通常指酸性比纯硫酸更強的酸。簡單的超強酸包括三氟甲磺酸(CF3SO3H)和氟磺酸(FSO3H),它們的酸性都是硫酸的上千倍。在更多的情況下,超強酸不是單一純淨物而是幾種化合物的混合物。
超強酸這一術語由詹姆斯·布萊恩特·科南特(James Bryant Conant)於1927年提出。喬治·安德魯·歐拉因其在碳正離子和超強酸方面的研究獲得1994年諾貝爾化學獎。
常见的超强酸(從最強到最弱):
- 氟銻酸HFSbF5 (1990) (pKa值= -28)
- 魔酸FSO3HSbF5 (1974) (pKa值= -25)
- 碳硼烷酸H(CHB11Cl11) (1969) (pKa值= -18.0)
- 氟磺酸FSO3H (1944) (pKa值=-15.6)
- 三氟甲磺酸CF3SO3H (1940) (pKa值=-14.6)
- 固體超強酸 SbF5-SiO2-Al2O3,SbF5-TiO2-SiO2 (pKa值= = -13.75 ~ -14.52)
- 高氯酸 (pKa值=-13)
- 純硫酸 (pKa值=-11.93)
參考
- ^ Christopher A. Reed. Carborane acids. New "strong yet gentle" acids for organic and inorganic chemistry (PDF). Chem. Commun.: 1669–1677. [2008-05-03]. doi:10.1039/b415425h. (原始内容 (Full article (reprint))存档于2020-05-11).
- ^ Strachan, John. A deadly rinse: The dangers of hydrofluoric acid. Professional Carwashing & Detailing. January 1999 [2008-04-30]. (原始内容存档于2008-04-09).
- ^ Why Not Replace pH and pOH by Just One Real Acidity Grade, AG? - Journal of Chemical Education July 1999 Vol. 76 No. 7 p. 892
參看
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