酸堿離子理論是阿累尼烏其斯(Arrhenius)根據(jù)他的電離學(xué)說提出來的。他認(rèn)為在水中能電離出氫離子并且不產(chǎn)生其它陽離子的物質(zhì)叫酸。在水中能電離出氫氧根離子并且不產(chǎn)生其它陰離子的物質(zhì)叫堿。酸堿中和反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是氫離子和氫氧根離子結(jié)合成水。這個(gè)理論取得了很大成功,但它的局限性也早就暴露出來。倒臺,氣態(tài)氨與氯脂氫反應(yīng)迅速生成氯化銨,這個(gè)酸堿中和反應(yīng)并墻角水的生成;又如氨的水溶液顯堿性,曾錯(cuò)誤地認(rèn)為NH3和H2O形成弱電解質(zhì)NH4OH分子,然后離解出OH-+等。
由于阿累尼烏斯的酸堿離子理論不能解一些非水溶液中進(jìn)行地酸堿反應(yīng)等問題,1923年布朗特(Bronsted)提出了酸堿質(zhì)子理論,把酸堿概念加以推廣。酸堿質(zhì)子理論認(rèn)為凡是能給出質(zhì)子的物質(zhì)都是酸,凡是能與質(zhì)子結(jié)合的物質(zhì)都是堿。即酸是質(zhì)子的給予體,堿是質(zhì)子的接受體。這樣,一個(gè)酸給出質(zhì)子后余下的部分自然就是堿,因?yàn)樗旧砭褪桥c質(zhì)子結(jié)合的。它們的關(guān)系如下:
這種關(guān)系叫做酸堿的共軛關(guān)系,式中略去了HB和B可能出現(xiàn)的電荷。右邊的堿是左邊酸的共軛堿,左邊的酸是右邊堿的共軛酸,兩者組成一個(gè)共軛酸堿對,它們只直差一個(gè)質(zhì)子。
例如,
從以上例子可以看出,酸和堿可以是分子,也可以是陽離子和陰離子。還可以看出,像HPO2-4這樣的
物質(zhì),既表現(xiàn)酸,也表現(xiàn)為堿,所以它是兩性物質(zhì)。同理,H2O,HCO-3等也是兩性物質(zhì)。
二、共軛酸堿的強(qiáng)弱
共軛酸堿對的離解常數(shù)Ka和Kb之間有確定的關(guān)系。以HOAc為例推導(dǎo)如下:
由于溶劑水的濃度不常數(shù),所以它不出現(xiàn)在平衡常數(shù)式中。
用KW表示[H3O+][OH-],KW稱為水的離子積。這說明在一定溫度下,水中的[H3O+]與[OH-]的乘積為一常數(shù)。所以 Ka·Kb=KW (2-7)
24℃時(shí)KW值為1.0×10-14.這個(gè)關(guān)系說明,只知道了酸的離解常數(shù)Ka,就可以計(jì)算出它的共軛堿的Kb,反之亦然。Ka和Kb是成反比的,而Ka和Kb正是反映酸和堿的強(qiáng)度,所以,在共軛酸堿對中,酸的強(qiáng)度愈大,其共軛堿的強(qiáng)度愈小;堿的強(qiáng)度愈大,其共軛酸的強(qiáng)度愈小。表2-6列出了一些共軛厔堿對的強(qiáng)度次序。
表2-6 共軛酸堿的強(qiáng)度次序
酸性增強(qiáng) | 共軛酸(HB) | Ka(在水中) | pKa(在水中) | 共軛堿(B) | 堿性增強(qiáng) |
H3O+ | H2O | ||||
H2C2O4 | 5.4×10-2 | 1.27 | HC2O-4 | ||
H2SO3 | 1.54×10 | 1.81 | HSO-3 | ||
HSO-4 | 1.20×10-2 | 1.92 | SO2-4 | ||
H3PO4 | 7.51×10-3 | 2.12 | H2PO-4 | ||
HNO2 | 4.6×10-4 | 3.37 | NO-2 | ||
HF | 3.53×10-4 | 3.45 | F- | ||
HCOOH | 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- | ||
H2CO3 | 4.30×10-7 | 6.37 | HCO-3 | ||
HSO-3 | 1.02×10-7 | 6.91 | SO2-3 | ||
H2S | 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 | ||
HCN | 4.93×10-10 | 9.31 | CH- | ||
HCO-3 | 5.61×1011 | 10.25 | CO2-3 | ||
H2O2 | 2.4×10-12 | 11.62 | HO-2 | ||
HS- | 1.1×10-12 | 11.96 | S2- | ||
HPO2-4 | 2.2×10-13 | 12.67 | PO3-4 | ||
H2O | OH- |
根據(jù)酸堿質(zhì)子理論,酸堿在溶液中所表現(xiàn)出來的強(qiáng)度,不僅與酸堿的本性有關(guān),也與溶劑的本性有關(guān)。我們所能測定的是酸堿在一定溶劑中表現(xiàn)出來的相對強(qiáng)度。同一種酸或堿,如果溶于不同的溶劑,它們所表現(xiàn)的相對強(qiáng)度就不同。例如HOAc在水中表現(xiàn)為弱酸,但在液氨中表現(xiàn)為強(qiáng)酸,這是因?yàn)橐喊眾Z取質(zhì)子的能力(即堿性)比水要強(qiáng)得多。這種現(xiàn)象進(jìn)一步說明了酸堿強(qiáng)度的相對性。