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2021-07-16 12:27:31
碱化学
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(英语:acid有时用“HA”表示)。阿伦尼乌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。

  • 氢氯酸、硫酸硝酸都被称为矿酸,因为它们从前都是透过矿物制得的。
  • 浓酸具腐蚀性,而稀酸则具刺激性(稀氢氟酸也具有腐蚀玻璃的能力)。

酸的定义

酸在化学中主要有以下三种定义:

  1. 阿伦尼乌斯酸。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。
  2. 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。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。
  3. 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

资料专题:酸酸的性质

食物中的酸

所有存在于天然食物中的有机酸都是弱酸。

  • 抗坏血酸(维生素C) - 可在水果中找到
  • 乙酸(醋酸) - 可在醋中找到
  • 单宁酸 - 可在茶中找到
  • 酒石酸- 可在葡萄中找到
  • 柠檬酸 - 可在橙和柠檬等水果中找到
  • 苯甲酸- 可在蚝油找到

酸性与氢离子的关系

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)4Al(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

盐基度是一种酸的每个分子最多能电离出的氢离子的数目。

  • 盐基度 = 1:一元酸——如氢氯酸、硝酸、亚硝酸、乙酸
HCl → H + ClHNO3 → H + NO3HNO2 → H + NO2H2SO4 → 2H + SO4H2SO3 → 2H + SO3H2CO3 → 2H + CO3H3PO4 → 3H + PO4H8C6O7 → 3H + H5C6O7

除一元酸以外的酸都称为二元酸或多元酸

浓酸的危险性

  • 浓酸常有强烈腐蚀性,有些还伴有其他特性,如具有强氧化性和脱水能力的浓硫酸,能对人体造成严重的化学烧伤。
  • 浓酸的特性:
  • 浓氢氯酸含35%氯化氢分子,浓度约为11M,是无色液体,具高度挥发性和腐蚀性。
  • 浓硝酸含70%HNO3分子,浓度约为16M,是无色液体(但很多时候因有分解反应令浓硝酸溶有红棕色的二氧化氮),具高度挥发性,易分解出有毒的二氧化氮气体,硝酸有极强氧化性,因此造成极强腐蚀性。自我分解反应如下:4 HNO3 → 2 H2O + 4 NO2 + O2
  • 浓硫酸含98%硫酸分子,浓度约为18M,是无色油状液体,不具挥发性,但具极强的腐蚀性、氧化性和脱水性。

处理浓酸要注意的地方

  • 浓酸应安放在通风柜中。
  • 人手处理浓酸时要戴防护手套和安全眼镜。
  • 稀释浓酸时,是要慢慢地把浓酸加入搅动中大量水中而不能相反,否则可引致沸腾(突沸),水连同强酸溅出可引致极大的危险。
  • 若被强酸溅到人体,应立即用大量流动的清水冲洗伤口至少10至15分钟,再用小苏打(NaHCO3)溶液冲洗,严重则要立即送医治理。

常见的无机酸

强酸

强酸是指在水溶液中完全电离的酸(硫酸这类多元酸不在此限),或以酸度系数的概念理解,则指pKa值< −1.74的酸。这个值可以理解为在标准状况下,氢离子的浓度等同于加入强酸后的溶液浓度。

大部分强酸均是腐蚀性的,但当中亦有例外。例如超强酸当中的碳硼烷酸(H(CHB11Cl11)),其酸性比硫酸高百万倍,但却完全不带有腐蚀性;相反,弱酸当中的氢氟酸(HF)却带有高度腐蚀性。它能够溶解极大部分的金属氧化物,诸如玻璃及除了铱以外的所有金属。

强酸在水溶液中完全离解的化学方程式如下所示:

HA(aq)+ H2O(l)→ H3O(aq)+ A(aq)

一般酸不会在水中完全离解,因此多以化学平衡而不是完全反应的形式表示,弱酸就是指不完全离解的酸。用酸度系数作为区别强酸与弱酸的作用并不明显(因为数值差距较难理解及不明显),因此用方程式去区别两者更为合理。

由于强酸在水溶液中完全离解,因此氢离子在水中的浓度等同于将该酸带到其他的溶液当中:

[HA] = [H] = [A];pH = −log[H+]

酸性强度的判别

除了透过计算pH值来衡量不同酸的强度外,透过观察以下的性质也可以判别出不同类别的酸的强度:

  1. 电负性:在同一元素周期下其共轭碱的负电性愈高,它的酸度就愈高。
  2. 原子半径:原子半径增加,其酸度也会增加。以氢氯酸及氢碘酸为例,两者均是强酸,在水中均会电离出100%的相应离子。但是氢碘酸的酸度比氢氯酸要强,这是因为碘的原子半径远大于氯的原子半径。带有负电荷的碘阴离子拥有较离散的电子云,因此与质子(H)的吸力较弱,因此,氢碘酸电离(去质子化)的速度更快(二者酸性的差别可在酸性更强的溶剂,如乙酸中测出,因为在乙酸中二者均只能部分电离而可体现出差别)。
  3. 电荷:电离后的物质愈带有正电荷,就愈高酸度。因此中性离子较阴离子容易放出质子,阳离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·鲁贝克(Henk van Lubeck)在美国《化学教育杂志》上提出。

定义

AG=log⁡[H+][OH−]=pOH−pH{\displaystyle AG=\log{[{\mbox{H}}^{+}] \over [{\mbox{OH}}^{-}]}\,\!=pOH-pH}

式中[H+]{\displaystyle [{\mbox{H}}^{+}]\,\!}[OH−]{\displaystyle [{\mbox{OH}}^{-}]\,\!}分别代表氢离子和氢氧根离子的物质的量浓度。

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。

常见强酸

(从强到弱)

  • 高氯酸HClO4
  • 氢碘酸HI
  • 氢溴酸HBr
  • 氢氯酸HCl
  • 硫酸H2SO4(Ka1/只限于第一酸度系数)
  • 硝酸HNO3
  • 水合氢离子H3O或H。为方便起见,通常会以H取代H3O。但要注意的是,单独而孤立的质子在带有极性的水中不可能存在,而是常与水分子的其中一对孤偶电子对结合。这使在水合氢离子中的氧的形式电荷为+1。
  • 一些化学家将氯酸(HClO3),溴酸(HBrO3),高溴酸(HBrO4),碘酸(HIO3),和高碘酸(HIO4)也列为强酸,但是没有被公认。

超强酸

超强酸通常指酸性比纯硫酸更强的酸。简单的超强酸包括三氟甲磺酸(CF3SO3H)和氟磺酸(FSO3H),它们的酸性都是硫酸的上千倍。在更多的情况下,超强酸不是单一纯净物而是几种化合物的混合物。

超强酸这一术语由詹姆斯·布莱恩特·科南特(James Bryant Conant)于1927年提出。乔治·安德鲁·欧拉因其在碳正离子和超强酸方面的研究获得1994年诺贝尔化学奖。

常见的超强酸(从最强到最弱):

  • 氟锑酸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)
  • 固体超强酸 SbF5-SiO2-Al2O3,SbF5-TiO2-SiO2(pKa值= = -13.75 ~ -14.52)
  • 高氯酸(pKa值=-13)
  • 纯硫酸(pKa值=-11.93)

;注:pKa值,哈米特酸度函数

参考

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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

参看

  • 、盐基
  • PH指示剂
  • ph试纸
  • pH值
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